CN116964708A - 电子显微镜、电子-光子相关性测定装置以及电子-光子相关性测定方法 - Google Patents

电子显微镜、电子-光子相关性测定装置以及电子-光子相关性测定方法 Download PDF

Info

Publication number
CN116964708A
CN116964708A CN202280020219.0A CN202280020219A CN116964708A CN 116964708 A CN116964708 A CN 116964708A CN 202280020219 A CN202280020219 A CN 202280020219A CN 116964708 A CN116964708 A CN 116964708A
Authority
CN
China
Prior art keywords
electron
photon
sample
time
detector
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202280020219.0A
Other languages
English (en)
Inventor
三宫工
柳本宗达
秋叶圭一郎
齐藤光
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Research And Development Corp Science And Technology Revitalization Organization
Original Assignee
National Research And Development Corp Science And Technology Revitalization Organization
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Research And Development Corp Science And Technology Revitalization Organization filed Critical National Research And Development Corp Science And Technology Revitalization Organization
Publication of CN116964708A publication Critical patent/CN116964708A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/26—Electron or ion microscopes; Electron or ion diffraction tubes
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/22—Optical or photographic arrangements associated with the tube
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/22—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material
    • G01N23/225—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion
    • G01N23/2251—Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by measuring secondary emission from the material using electron or ion using incident electron beams, e.g. scanning electron microscopy [SEM]
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/22—Optical or photographic arrangements associated with the tube
    • H01J37/222—Image processing arrangements associated with the tube
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J37/00—Discharge tubes with provision for introducing objects or material to be exposed to the discharge, e.g. for the purpose of examination or processing thereof
    • H01J37/02—Details
    • H01J37/244—Detectors; Associated components or circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/244—Detection characterized by the detecting means
    • H01J2237/2445—Photon detectors for X-rays, light, e.g. photomultipliers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/244—Detection characterized by the detecting means
    • H01J2237/2448—Secondary particle detectors
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01J—ELECTRIC DISCHARGE TUBES OR DISCHARGE LAMPS
    • H01J2237/00—Discharge tubes exposing object to beam, e.g. for analysis treatment, etching, imaging
    • H01J2237/245—Detection characterised by the variable being measured
    • H01J2237/24571—Measurements of non-electric or non-magnetic variables
    • H01J2237/24585—Other variables, e.g. energy, mass, velocity, time, temperature

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Vision & Pattern Recognition (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

本发明所涉及的实施方式的电子显微镜具备：电子枪，其向试样照射电子；电子检测器，其检测被照射到试样的电子；光子检测器，其检测在电子被照射到试样时从试样发射的光子；以及运算器，其基于电子检测器检测到电子的时间以及光子检测器检测到光子的时间，针对检测到的每个光子运算电子被照射到试样的时间与光子被从试样发射出的时间的时间差，并运算表示时间差的分布的电子‑光子时间相关性。

Description

电子显微镜、电子-光子相关性测定装置以及电子-光子相关 性测定方法
技术领域
本发明涉及一种电子显微镜、电子-光子相关性测定装置以及电子-光子相关性测定方法。
背景技术
测定处于激发状态的物质和生物体等的荧光寿命的荧光寿命显微镜能够在微观上将物质和生物体等可视化，因此是用于阐明物质和生物体等的内部构造及功能的重要工具。但是，荧光寿命显微镜所照射的光存在衍射极限，因此无法得到对于阐明物质和生物体等的内部构造及功能而言特别重要的小于100nm的信息。
另一方面，在向试样照射脉冲电子束并测定出射光的谱特性来判别试样的电子束激发(Cathodoluminescence：CL，阴极荧光)光谱中，尝试了利用电子显微镜来使空间分辨率提高。例如，在非专利文献1中记载了使用FE电子枪(Field Emission Electron Gun：场发射电子枪)向试样照射脉冲电子束的透射式电子显微镜(Transmission ElectronMicroscope：TEM)。另外，在非专利文献2中记载了使用FE电子枪向试样照射脉冲电子束的扫描式电子显微镜(Scanning Electron Microscope：SEM)。
现有技术文献
专利文献
非专利文献1：Makoto Kuwahara,et al.“The Boersch effect in a picosecondpulsed electron beam emitted from a semiconductor photocathode”,Appl.Phys.Lett.109,013108(2016)；https://doi.org/10.1063/1.4955457.(MakotoKuwahara以及其他人，“从半导体光电阴极发射的皮秒脉冲电子束中的玻色效应”，美国物理协会期刊，109,013108(2016)；https://doi.org/10.1063/1.4955457.)
非专利文献2：S.Meuret,et al.“Complementary cathodoluminescencelifetime imaging configurations in a scanning electron microscope”,Ultramicroscopy 197(2019)28-38；https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.11.006.(Meuret以及其他人，“扫描电子显微镜中的互补阴极发光寿命成像配置”，超显微镜，197(2019)28-38；https://doi.org/10.1016/j.ultramic.2018.11.006.)
发明内容
发明要解决的问题
在非专利文献1及2所记载的电子显微镜中使用了脉冲电子枪，因此向试样照射的脉冲电子束由于被称作空间电荷效应的效应而在空间/能量上扩散，作为其结果，非常难以使空间分辨率相比于10nm进一步提高。
本发明的目的在于提供一种具有高空间分辨率的电子显微镜。
用于解决问题的方案
本发明所涉及的实施方式的电子显微镜具备：电子枪，其向试样照射电子；电子检测器，其检测被照射到试样的电子；光子检测器，其检测在电子被照射到试样时从试样发射的光子；以及运算器，其基于电子检测器检测到电子的时间以及光子检测器检测到光子的时间，针对检测到的每个光子运算电子被照射到试样的时间与光子被从试样发射出的时间的时间差，并运算表示时间差的分布的电子-光子时间相关性。
在上述的电子显微镜中，优选的是，电子检测器检测透过试样或者从试样反射的电子。
在上述的电子显微镜中，优选的是，运算器具有判别部，所述判别部基于电子-光子时间相关性来判别试样。
在上述的电子显微镜中，优选的是，判别部根据电子-光子时间相关性来运算试样的荧光寿命或发射跃迁概率(emission transition probability)，并基于荧光寿命或发射跃迁概率来判别试样。
在上述的电子显微镜中，优选的是，判别部根据电子-光子时间相关性来运算表示在检测到电子时以时间差检测到光子的频度的曲线，根据曲线的原点处的峰值来运算试样的发射跃迁概率，并运算在曲线中值减少至1/e倍为止所需的时间来作为试样的荧光寿命。
在上述的电子显微镜中，优选的是，运算器具有存储部，所述存储部存储有参数值，该参数值表示关于一个以上的已知的物质或生物体预先测定出的电子-光子时间相关性的特征，判别部运算所运算出的试样的电子-光子时间相关性的参数值与已知的物质或生物体的电子-光子时间相关性的参数值的一致度，判别为具有使得一致度超过规定的阈值其该一致度最大的参数值的已知的物质或生物体等表示试样的物质或生物体。
在上述的电子显微镜中，优选的是，电子检测器具有：发光体，其与被照射到试样的电子反应而发射光子；以及光子检测部，其检测从发光体发射出的光子并向运算器输出检测信号。
在上述的电子显微镜中，优选的是，光子检测器兼用作电子检测器的光子检测部，该光子检测器检测从试样发射的光子以及从发光体发射的光子并向运算器输出检测信号。
在上述的电子显微镜中，优选的是，电子枪一边使电子在空间中进行扫描一边向试样照射电子，运算器具有像生成部，所述像生成部基于电子-光子时间相关性的空间变化来生成试样的像。
本发明所涉及的实施方式的电子-光子相关性测定装置具备：电子检测器，其检测从电子显微镜的电子枪照射到试样的电子；光子检测器，其检测在电子被照射到试样时从试样发射的光子；以及运算器，其基于电子检测器检测到电子的时间以及光子检测器检测到光子的时间，针对检测到的每个光子运算电子被照射到试样的时间与光子被从试样发射出的时间的时间差，并运算表示时间差的分布的电子-光子时间相关性。
本发明所涉及的实施方式的电子-光子相关性测定方法包括：向试样照射电子，检测被照射到试样的电子，检测在电子被照射到试样时从试样发射的光子，基于检测到电子的时间以及检测到光子的时间，针对检测到的每个光子运算电子被照射到试样的时间与光子被从试样发射出的时间的时间差，并运算表示时间差的分布的电子-光子时间相关性。
发明的效果
根据本发明，提供一种具有高空间分辨率的电子显微镜。
附图说明
图1是概要性地示出第一实施方式的电子显微镜和电子-光子相关性测定装置的结构的图。
图2A是概要性地示出通过第一实施方式的电子显微镜运算的电子-光子时间相关性的图。
图2B是示出通过利用第一实施方式的电子显微镜进行的实际的测定而得到的电子-光子时间相关性的一例的图。
图3是概要性地示出通过第一实施方式的电子显微镜运算的光子-光子时间相关性的图。
图4是概要性地示出第一实施方式的电子-光子相关性测定方法的流程图。
图5是概要性地示出第二实施方式的电子显微镜和电子-光子相关性测定装置的结构的图。
具体实施方式
实施方式的电子显微镜针对检测到的每一个光子运算电子透过试样的时间与光子被从试样发射出的时间的时间差，并运算表示该时间差的分布的电子-光子时间相关性。该电子显微镜的检测系统由以检测到透过了试样的电子为触发来测定上述时间差的无源的检测部及运算器构成，因此无需使用脉冲电子束，能够实现具有小于10nm的高空间分辨率的电子显微镜。
另外，该电子显微镜与用于测定谱特性的电子束激发光谱不同，基于包含处于激发状态的物质和生物体等的荧光寿命等的信息的电子-光子时间相关性来判别试样，因此不仅能够在微观上将试样可视化，还能够得到试样的环境的温度等信息。
另外，该电子显微镜不需要规模大且价格高的脉冲电子枪，因此能够实现简化以及低成本化，仅通过对现有的电子显微镜主体追加无源的检测系统就能够实现具有高空间分辨率的发光寿命测量电子显微镜。因而，该无源的检测系统还能够作为对现有的电子显微镜追加的配件即电子-光子相关性测定装置来提供。
下面，使用附图来说明优选的实施方式。此外，本发明并不限定于以下的实施方式，在不脱离其主旨的范围内能够适当地进行变更。另外，在各附图中对具有相同或相当的功能的结构标注相同的标记，还有时省略或简化其说明。
(第一实施方式)
图1是概要性地示出第一实施方式的电子显微镜1和电子-光子相关性测定装置7的结构的图。电子显微镜1具备电子枪2、电子检测器3、光子检测器4以及运算器5。电子显微镜1还通过对具备电子枪2和腔室的现有的电子显微镜主体8追加作为无源的检测系统的电子-光子相关性测定装置7来实现。
如图1所示，电子枪2和试样6配置于电子显微镜主体8的被进行了真空化的腔室内，以使从电子枪2朝向试样6照射的电子20的直进性良好。电子检测器3配置为：配置于试样6的与电子枪2相反的一侧，以能够检测透过了试样6的电子30。光子检测器4配置为能够经由设置于腔室的壁的光子检测窗82来检测从试样6发射的光子40。运算器5至少与电子检测器3及光子检测器4以能够进行有线或无线通信的方式连接。
电子枪2向试样6照射电子20。电子枪2不是向试样6照射将大量的电子20在时间上进行压缩所得到的脉冲电子束，而是将以随机的周期从电子源自然发射的连续电子束的电子20逐个地照射至试样6，以抑制空间电荷效应。作为这样的照射连续电子束的电子枪2，也能够使用FE电子枪、热电子枪、肖特基电子枪等中的任一方，但优选使用空间分辨率优异的FE电子枪。
如图1所示，电子枪2还能够具有电子聚集透镜21、电子扫描用偏转器22以及扫描控制部23等。电子聚集透镜21具有线圈，由线圈中流动的电流生成的磁场通过透镜效应使电子20的量子力学的波束在空间上聚敛。另外，电子扫描用偏转器22也具有线圈，线圈中流动的电流被扫描控制部23进行控制，由线圈中流动的电流生成的磁场作用于电子20，来使被照射到试样6的电子20的位置坐标在空间中进行扫描。
电子检测器3检测从电子枪2照射的电子20中的透过了试样6的电子30。电子检测器3具有能够对透过了试样6的电子30逐个进行检测的时间分辨率。例如如图1所示那样使用发光体31和光子检测部32来构成这样的具有高时间分辨率的电子检测器3。发光体31是与透过了试样6的电子30反应而发射光子33的闪烁体。作为发光体31，使用发光效率高且与电子30反应而以短时间发射光子33的金属卤化物钙钛矿等发光半导体材料、或者作为过渡金属络合物的发光材料的YSO:Ce(Cerium-doped Yttrium Silicate：掺铈硅酸钇)等。另外，光子检测部32经由设置于腔室的壁的光子检测窗81来检测从发光体31发射出的光子33，并将表示检测到了电子30的信号输出到运算器5。作为光子检测部32，能够使用能够高效地检测极少数的光子33的雪崩光电二极管(avalanche photodiode)或光电倍增管(Photomultiplier Tube)等。
光子检测器4检测在电子30透过试样6时从试样6发射的光子40。光子检测器4具有能够对从试样6发射的光子40逐个进行检测的时间分辨率。作为这样的具有高时间分辨率的光子检测器4，与电子检测器3的光子检测部32同样地使用能够检测每一个光子40的雪崩光电二极管或光电倍增管等。光子检测器4也可以具有多个雪崩光电二极管或光电倍增管等。光子检测器4每当检测到从试样6发射的每一个光子40时，将表示检测到了光子40的信号输出到运算器5。光子检测器4可以在前级具有仅使所期望的波长带宽的光子40通过的带宽滤波器或偏振片。
如图1所示，光子检测器4能够具有光子反射镜41，以高效地检测从试样6发射的多个光子40。光子反射镜41例如具有抛物面形状，将从配置于焦点位置的试样6发射的光子40中的、向与光子检测器4相反的方向射出的光子40朝向光子检测器4反射。光子检测器4还可以具有光子聚敛透镜42。光子聚敛透镜42将从试样6射出的光子40在空间上进行聚敛并向光子检测器4引导。
光子检测器4也可以兼用作电子检测器3的光子检测部32。在该情况下，电子显微镜主体8的腔室的光子检测窗81与光子检测窗82接近设置、或者为同一检测窗，发光体31也可以作为用于搭载试样6的基板来提供。光子检测器4检测从试样6发射的光子40以及从发光体31发射的光子33，并向运算器5输出检测信号。光子检测器4可以具有仅使光子40和光子33中的一方通过的滤波器和仅使另一方通过的滤波器，以将从试样6发射的光子40与从发光体31发射的光子33相分离地进行检测。在该情况下，光子检测器4能够具有用于检测从试样6发射的光子40的第一检测部、以及用于检测从发光体31发射的光子33的第二检测部。由此，使电子显微镜1简化。
运算器5具有未图示的处理器、存储器、通信I/F等。作为运算器5，能够使用PC(Personal Computer：个人计算机)等。处理器是判别部和像生成部的一例，具有一个以上的运算电路及其外围电路。存储器是存储部的一例，具有HDD(Hard Disk Drive：硬盘驱动器)、光记录介质、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)以及ROM(Read OnlyMemory：只读存储器)等半导体存储器、或将它们组合所得的存储介质。通信I/F(Interface：接口)通过有线或无线方式将处理器与电子检测器3、光子检测器4以及电子枪2的扫描控制部23连接，以使处理器能够与电子检测器3、光子检测器4以及电子枪2的扫描控制部23进行通信。
运算器5基于电子检测器3检测到电子30的时间以及光子检测器4检测到光子40的时间，针对检测到的每一个光子40运算电子30透过试样6的时间与光子40被从试样6发射出的时间的时间差。而且，运算器5通过以下说明的过程来运算表示所运算出的时间差的分布的电子-光子时间相关性。
图2A是概要性地示出通过第一实施方式的电子显微镜1运算的电子-光子时间相关性的图。
图2A的(a)概要性地示出在第一电子透过试样6时运算器5经由通信I/F从电子检测器3接收的电子检测信号的例子、以及从光子检测器4接收的光子检测信号的例子。同样地，图2A的(b)概要性地示出在另外的第二电子透过试样6时运算器5经由通信I/F从电子检测器3接收的电子检测信号的例子、以及从光子检测器4接收的光子检测信号的例子。图2A的(a)及(b)的横轴表示时间t，各个脉冲信号表示检测到一个电子30或一个光子40。
当电子30透过试样6时，如图2A的(a)及(b)所示，运算器5首先从电子检测器3接收表示检测到透过了试样6的电子30的信号。同时，运算器5从光子检测器4接收表示检测到由于电子30透过了试样6而发射出的光子组的光子40的各个信号。之后，从电子30透过试样6起经过的时间越长，则运算器5以越低的频度从光子检测器4接收表示检测到从试样6的处于激发状态的原子自然发射出的光子组的光子40的信号。
运算器5针对检测到的每一个光子40运算从电子检测器3检测到电子30的时间t0起到光子检测器4检测到光子40的时间t为止的时间差τ＝t-t0。每当电子30(第一电子、第二电子、…)透过试样6时，运算器5针对检测到的每一个光子40运算时间差τ，直到检测到为了运算出满足所需精度的电子-光子时间相关性而需要的数量的光子40为止。在此，预先根据作为判别对象的试样6的预想的荧光寿命的长度等来调整从电子枪2照射第一电子起到照射接下来的第二电子为止的时间间隔。
运算器5能够基于电子检测器3检测到电子30的时间以及光子检测器4检测到光子40的时间，通过数字处理来运算时间差τ，但也能够通过模拟处理来进行运算。在该情况下，运算器5例如使用时间幅度变换器(Time-to-Amplitude Converter)等时间分辨率优异的模拟相关器，以电子检测器3检测到电子30为触发来运算光子检测器4检测到光子40时的时间，来作为时间差τ。
在从电子检测器3检测到电子30起到输出信号为止的响应时间与从光子检测器4检测到光子40起到输出信号为止的响应时间之间产生时间差。因而，可以将用于抵消这样的响应时间差的延迟线插入到电子检测器3与运算器5之间或者光子检测器4与运算器5之间。
而且，运算器5根据电子30透过试样6的时间与光子40被从试样6发射出的时间的时间差τ，来运算图2A的(c)所示的表示时间差τ的分布的电子-光子时间相关性的曲线g。图2A的(c)的横轴表示时间差τ，图2A的(c)的纵轴表示在检测到电子30时以时间差τ检测到光子40的频度。
代表性地，电子-光子时间相关性的曲线g大致具有指数函数的波形。因而，关于电子-光子时间相关性的曲线g，利用最小二乘法等例如使用表示曲线g的特征的参数值(γ、τ0)来通过下式(1)进行近似。此外，在图2A的曲线g中示出了在下式(1)中减去非相关值(＝1)后的值。
【数1】
通过这样运算出的电子-光子时间相关性是构成试样6的物质及其结构所特有的，因此运算器5的判别部能够通过将运算出的试样6的电子-光子时间相关性与已知的电子-光子时间相关性的样本进行比较来判别试样6。为此，运算器5的存储部例如事先存储有表示关于已知的一个以上的物质和生物体等预先测定出的电子-光子时间相关性的曲线g的特征的参数值(γ’、τ0’)。而且，运算器5的判别部通过下式(2)来运算各个已知的物质或生物体的电子-光子时间相关性的参数值与运算出的电子-光子时间相关性的参数值的一致度d。其中，k1、k2为各参数的加权系数，适当地进行设定。
1/d＝k1(γ-γ′)2+k2(τ0-τ0’)2+1 (2)
例如在加权系数k1、k2均为1的情况下，一致度d的最小值为0，最大值为1。运算器5的判别部能够判别为已知的物质和生物体等中的、具有使得与运算出的试样6的参数值的一致度d超过规定的阈值且该一致度d最大的参数值的物质和生物体等表示试样6的物质和生物体等。在此，关于规定的阈值，例如能够预先通过实际的测定等决定为能够视作要进行比较的试样6的物质及生物体等与已知的物质及生物体等相同的一致度d的下限值。
作为表示曲线g的特征的参数值，运算器5例如能够根据电子-光子时间相关性的曲线g的原点(τ＝0)处的峰值来运算γ，并根据γ来运算试样6的发射跃迁概率。另外，作为其它参数值，运算器5能够运算在电子-光子时间相关性的曲线g中值相对于基线1减少至1/e倍为止所需的时间τ0来作为试样6的荧光寿命τ0。荧光寿命τ0还包含试样6的温度等环境信息，因此基于相对于预先测定出的已知的温度下的荧光寿命τ0的值的偏差，还能够得到试样6的环境的温度等信息。另外，能够根据γ来计算发射跃迁概率，由于其是无法通过照射光的荧光寿命显微镜来测定的参数值，因此有可能使至此未观察到的物质和生物体的信息显露。此外，作为表示曲线g的特征的参数值，也可以使用荧光寿命τ0和γ以外的特性值。
图2B是示出通过使用第一实施方式的电子显微镜进行实际的测定而得到的电子-光子时间相关性的一例的图。图2B所示的电子-光子时间相关性是将纳米金刚石用作试样6、将YSO:Ce用作与透过了纳米金刚石的电子30反应而发射光子33的发光体31来测定出的。以约1000秒的期间在室温下向试样6照射约2.5pA的电流值的电子20来进行该测定，直到得到所需精度的电子-光子时间相关性的曲线g为止。
图2B的横轴表示从电子检测器3的光子检测部32检测到光子33的基准时间t0起到光子检测器4检测到光子40的时间t为止的时间差τ＝t-t0。另外，图2B的纵轴表示在检测到光子33时以时间差τ检测到光子40的频度的实际测量值，并且表示比图2A所示的电子-光子时间相关性的纵轴仅大非相关值(＝1)的值。
图2B所示的电子-光子时间相关性的曲线g与图2A所示的电子-光子时间相关性的曲线g的不同点在于，在时间差τ为负的区域中也测定曲线g。这是因为，图2A的横轴的时间差τ以检测到电子30的时间为基准时间，与此相对地，图2B的横轴的时间差τ以检测到光子33的时间为基准时间。如图1所示那样藉由光子33间接地检测电子30。但是，用作闪烁体的YSO:Ce等发光体31通常具有荧光寿命，因此电子检测器3的光子检测部32会在光子检测器4检测到光子40之后检测从处于激发状态的发光体31的原子自然发射的光子。在该情况下，从检测到光子33的基准时间t0起到检测到光子40的时间t为止的时间差τ＝t-t0为负。即，时间差τ为负的区域中的曲线g不表示作为试样6的纳米金刚石的特性，而表示作为发光体31的YSO:Ce的特性。在使用电子显微镜1测定出的电子-光子时间相关性中，像这样，其特征在于在时间差τ为正的区域和时间差τ为负的区域中得到非对称的数据。
图2B示意性地示出实际测量值，因此未准确地进行拟合，但根据图2B所示的电子-光子时间的相关性曲线g得到荧光寿命τ0＝约20ns、γ＝约0.6，来作为表示作为试样6的纳米金刚石的特征的参数值。此外，在图2B中，在计算荧光寿命τ0、γ时，作为光子检测频度，使用减去非相关值(＝1)后的值。
另外，电子枪2的扫描控制部23一边使电子20在空间中进行扫描一边向试样6照射电子20，由此运算器5能够基于电子-光子时间相关性的空间变化来生成试样6的像。为此，运算器5例如在运算电子-光子时间相关性时，经由通信I/F从扫描控制部23接收试样6上的由电子枪2照射了电子20的位置坐标，并将接收到的位置坐标与运算出的电子-光子时间相关性的数据相对应地存储于存储部。而且，当试样6的测定对象范围的测定完成时，运算器5能够运算与试样6上的位置坐标对应的电子-光子时间相关性的特征值来生成试样6的测定对象范围的像。根据通过这样得到的试样6的像，能够得到试样6的缺陷构造等信息等。
并且，电子显微镜1除图2A所示的电子-光子时间相关性以外，还可以结合以下说明的光子-光子时间相关性来判别试样6。
图3是概要性地示出通过第一实施方式的电子显微镜1运算的光子-光子时间相关性的图。
图3的(a)及(b)概要性地示出运算器5经由通信I/F从光子检测器4接收到的光子检测信号的例子。图3的(a)及(b)的横轴表示时间t，各个脉冲信号表示检测到一个光子40。
使用至少具有两个雪崩光电二极管或光光电倍增管等检测部的光子检测器4来测定光子-光子时间相关性。当电子30透过试样6时，如图3的(a)及(b)所示，运算器5从光子检测器4接收表示检测到由于电子30透过了试样6而从试样6发射的光子组的光子40的多个信号。
运算器5针对由光子检测器4的一个检测部检测到的第一光子与由其它检测部检测到的第二光子的每个组合运算光子检测器4检测到第一光子的时间ti与检测到第二光子的时间tj的时间差τ＝ti-tj。运算器5针对检测到的各个光子组(第一光子组、第二光子组、…)的第一光子与第二光子的光子对的每个组合运算时间差τ，直到检测到为了运算出满足所需精度的光子-光子时间相关性而需要的数量的光子40为止。
而且，运算器5运算图3的(c)所示的表示时间差τ的分布的光子-光子时间相关性的曲线g(2)。图3的(c)的横轴表示时间差τ，图3的(c)的纵轴表示当在时间t检测到一个光子时在时间差τ后检测到另一光子的频度。通常通过下式(3)所示的二阶自相关函数来运算光子-光子时间相关性的曲线g(2)，式中的<>表示时间t内的入射光的强度I的平均。
【数2】
通过这样运算出的光子-光子时间相关性也是构成试样6的物质及其结构所特有的。特别地，在试样6为在电子30透过试样6时同时发射光子40的物质的情况下，即使不将电子检测器3检测到电子30作为触发，也能够了解到光子-光子时间相关性的曲线g(2)的峰的位置是与电子30透过试样6的时间对应的位置。因而，运算器5根据电子-光子时间相关性曲线g(2)也能够与电子-光子时间相关性的曲线g的情况同样地运算试样6的荧光寿命或发射跃迁概率。通过将电子-光子时间相关性曲线g与根据电子-光子时间相关性的曲线得到的荧光寿命或发射跃迁概率进行组合，运算器5的判别部能够更高精度地判别试样6。
如图1所示，关于作为无源的检测系统的电子-光子相关性测定装置7，还能够作为对现有的电子显微镜主体8追加的配件来提供。电子-光子相关性测定装置7具备电子检测器3、光子检测器4以及运算器5。电子检测器3和光子检测器4可以构成为：保存于未图示的壳体内，并且被经由设置于壳体的电源端子从外部提供电力。在该情况下，通过夹具等将壳体以电子检测器3能够检测透过了试样6的电子30、并且光子检测器4能够经由光子检测窗82来检测从试样6发射的光子40的方式安装于现有的电子显微镜主体8。并且，电子检测器3的光子检测部32也可以兼用作光子检测器4。在该情况下，现有的电子显微镜主体8的腔室的光子检测窗81与光子检测窗82接近设置、或者为同一检测窗。
现有的电子显微镜主体8可以是透射电子显微镜和扫描电子显微镜中的任一方，由于也不需要规模大且价格高的脉冲电子枪，因此电子-光子相关性测定装置7能够作为配件组装于大多数常见的现有的电子显微镜主体8。因而，能够简便且低成本地实现空间分辨率优异的荧光寿命显微镜。
图4是概要性地示出第一实施方式的电子-光子相关性测定方法的流程图。
在步骤S1中，电子枪2向试样6照射电子20。
在步骤S2中，电子检测器3检测被照射到试样6的电子30。
在步骤S3中，光子检测器4检测在电子30被照射到试样6时从试样6发射的光子40。
在步骤S4中，运算器5基于电子检测器3检测到电子30的时间以及光子检测器4检测到光子40的时间，针对检测到的每一个光子40运算电子30被照射到试样6的时间与光子40被从试样6发射出的时间的时间差。
在步骤S5中，运算器5判别是否检测到为了运算满足所需精度的电子-光子时间相关性而需要的规定数量的光子40。在未检测到规定数量的光子40的情况下(在步骤S5中为“否”)，运算器5重复进行步骤S1～S5。
在检测到规定数量的光子40的情况下(在步骤S5中为“是”)，在步骤S6中，运算器5运算表示时间差的分布的电子-光子时间相关性。
(第二实施方式)
图5是概要性地示出第二实施方式的电子显微镜1b和电子-光子相关性测定装置7b的结构的图。之前的图1所示的电子显微镜1是检测从电子枪2照射的电子20中的透过了试样6的电子30的透射式电子显微镜，但图5所示的电子显微镜1b是检测从电子枪2照射的电子20中的被照射于试样6并从试样6反射的电子30的扫描式电子显微镜。电子显微镜1b还能够通过对具备电子枪2和腔室的现有的扫描式的电子显微镜主体8b追加作为无源的检测系统的电子-光子相关性测定装置7b来实现。下面，对与图1所示的电子显微镜1不同的点进行说明。
电子检测器3检测从电子枪2照射的电子20中的被照射到试样6并从试样6反射的电子30、或者从试样6发射的二次电子。为此，电子检测器3配置为：配置于试样6的与电子枪2相同的一侧，以能够检测被照射到试样6并从试样6反射的电子30、或者从试样6发射的二次电子。运算器5针对检测到的每一个光子40运算电子30从试样6反射的时间或二次电子被从试样6发射出的时间与光子40被从试样6发射出的时间的时间差。通过这样的图5所示的扫描式电子显微镜的结构，也能够实现具有小于10nm的高空间分辨率的电子显微镜、电子-光子相关性测定装置以及电子-光子相关性测定方法。
如以上那样，实施方式的电子显微镜具备：电子枪，其向试样照射电子；电子检测器，其检测被照射到试样的电子；光子检测器，其检测在电子被照射到试样时从试样发射的光子；以及运算器，其基于电子检测器检测到电子的时间以及光子检测器检测到光子的时间，针对检测到的每个光子运算电子被照射到试样的时间与光子被从试样发射出的时间的时间差，并运算表示时间差的分布的电子-光子时间相关性。由此，提供一种具有小于10nm的高空间分辨率的电子-光子相关性测定方法。由此，提供具有高空间分辨率的电子显微镜、电子-光子相关性测定装置以及电子-光子相关性测定方法。
上述的实施方式均仅仅示出实施本发明时的具体化的例子，并不通过这些实施方式来限定地解释本发明的技术范围。即，本发明能够不脱离其技术构思、或者其主要特征地以各种方式来实施。

Claims (11)

1.一种电子显微镜，具备：
电子枪，其向试样照射电子；
电子检测器，其检测被照射到所述试样的所述电子；
光子检测器，其检测在所述电子被照射到所述试样时从所述试样发射的光子；以及
运算器，其基于所述电子检测器检测到所述电子的时间以及所述光子检测器检测到所述光子的时间，针对检测到的每个所述光子运算所述电子被照射到所述试样的时间与所述光子被从所述试样发射出的时间的时间差，并运算表示所述时间差的分布的电子-光子时间相关性。
2.根据权利要求1所述的电子显微镜，其特征在于，
所述电子检测器检测透过所述试样或者从所述试样反射的所述电子。
3.根据权利要求1或2所述的电子显微镜，其特征在于，
所述运算器具有判别部，所述判别部基于所述电子-光子时间相关性来判别所述试样。
4.根据权利要求3所述的电子显微镜，其特征在于，
所述判别部根据所述电子-光子时间相关性来运算所述试样的荧光寿命或发射跃迁概率，并基于所述荧光寿命或所述发射跃迁概率来判别所述试样。
5.根据权利要求4所述的电子显微镜，其特征在于，
所述判别部根据所述电子-光子时间相关性来运算表示在检测到所述电子时以所述时间差检测到所述光子的频度的曲线，根据所述曲线的原点处的峰值来运算所述试样的发射跃迁概率，并运算在所述曲线中值减少至1/e倍为止所需的时间来作为所述试样的荧光寿命。
6.根据权利要求3至5中的任一项所述的电子显微镜，其特征在于，
所述运算器具有存储部，所述存储部存储有参数值，该参数值表示关于一个以上的已知的物质或生物体预先测定出的电子-光子时间相关性的特征，
所述判别部运算所运算出的所述试样的电子-光子时间相关性的参数值与已知的物质或生物体的电子-光子时间相关性的参数值的一致度，判别为具有使得所述一致度超过规定的阈值且该一致度最大的参数值的已知的物质或生物体表示所述试样的物质或生物体。
7.根据权利要求1至6中的任一项所述的电子显微镜，其特征在于，
所述电子检测器具有：
发光体，其与被照射到所述试样的所述电子反应而发射光子；以及
光子检测部，其检测从所述发光体发射出的光子并向所述运算器输出检测信号。
8.根据权利要求7所述的电子显微镜，其特征在于，
所述光子检测器兼用作所述电子检测器的所述光子检测部，所述光子检测器检测从所述试样发射的所述光子以及从所述发光体发射的光子并向所述运算器输出检测信号。
9.根据权利要求1至8中的任一项所述的电子显微镜，其特征在于，
所述电子枪一边使所述电子在空间中进行扫描一边向所述试样照射所述电子，
所述运算器具有像生成部，所述像生成部基于所述电子-光子时间相关性的空间变化来生成所述试样的像。
10.一种电子-光子相关性测定装置，具备：
电子检测器，其检测从电子显微镜的电子枪照射到试样的电子；
光子检测器，其检测在所述电子被照射到所述试样时从所述试样发射的光子；以及
运算器，其基于所述电子检测器检测到所述电子的时间以及所述光子检测器检测到所述光子的时间，针对检测到的每个所述光子运算所述电子被照射到所述试样的时间与所述光子被从所述试样发射出的时间的时间差，并运算表示所述时间差的分布的电子-光子时间相关性。
11.一种电子-光子相关性测定方法，包括：
向试样照射电子，
检测被照射到所述试样的所述电子，
检测在所述电子被照射到所述试样时从所述试样发射的光子，
基于检测到所述电子的时间以及检测到所述光子的时间，针对检测到的每个所述光子运算所述电子被照射到所述试样的时间与所述光子被从所述试样发射出的时间的时间差，并运算表示所述时间差的分布的电子-光子时间相关性。
CN202280020219.0A 2021-03-12 2022-03-07 电子显微镜、电子-光子相关性测定装置以及电子-光子相关性测定方法 Pending CN116964708A (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2021-040579 2021-03-12
JP2021040579 2021-03-12
PCT/JP2022/009826 WO2022191152A1 (ja) 2021-03-12 2022-03-07 電子顕微鏡、電子－光子相関測定装置、及び電子－光子相関測定方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN116964708A true CN116964708A (zh) 2023-10-27

Family

ID=83226680

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202280020219.0A Pending CN116964708A (zh) 2021-03-12 2022-03-07 电子显微镜、电子-光子相关性测定装置以及电子-光子相关性测定方法

Country Status (5)

Country Link
US (1) US20240153736A1 (zh)
EP (1) EP4307336A1 (zh)
JP (1) JPWO2022191152A1 (zh)
CN (1) CN116964708A (zh)
WO (1) WO2022191152A1 (zh)

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4469942A (en) * 1982-03-15 1984-09-04 The United States Of America As Represented By The United States National Aeronautics And Space Administration Means and method for calibrating a photon detector utilizing electron-photon coincidence
EP1956633A3 (en) * 2007-02-06 2009-12-16 FEI Company Particle-optical apparatus for simultaneous observing a sample with particles and photons

Also Published As

Publication number Publication date
EP4307336A1 (en) 2024-01-17
WO2022191152A1 (ja) 2022-09-15
US20240153736A1 (en) 2024-05-09
JPWO2022191152A1 (zh) 2022-09-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Ben-Kish et al. Plasma dynamics in capillary discharge soft X-ray lasers
CN110582833B (zh) 试样检查装置及试样检查方法
Kuznetsov et al. Visualization of plasma-induced processes by a projection system with a Cu-laser-based brightness amplifier
JP2011513740A (ja) 光子混合検出器を用いた時間分解分光分析方法およびシステム
CN110088600B (zh) 激光诱导击穿光谱系统和方法，及其检测系统和方法
JP2019502125A (ja) 電子励起状態の平均寿命時間を測定するための発光寿命時間測定方法及び装置
CN110178016A (zh) 用于测量荧光寿命的装置和方法
JP4704052B2 (ja) 蛍光寿命測定装置
KR102014570B1 (ko) 확장된 동적 범위를 갖는 광전자 증배관
CN116964708A (zh) 电子显微镜、电子-光子相关性测定装置以及电子-光子相关性测定方法
US10748741B2 (en) X-ray analyzer and method for correcting counting rate
JP5341025B2 (ja) 走査電子顕微鏡
Powers et al. Time-resolved 3 2 ω 0 spectrum from spherical laser-produced plasmas
US20150060663A1 (en) Electron source and X-ray fluorescence analyser using an electron source
WO2021243754A1 (zh) 基于低功率受激发射损耗的超分辨成像方法及成像系统
GB2224832A (en) Measuring light waveform eg fluorescence curve
JP2000304697A (ja) 蛍光寿命測定方法および装置
JP4824527B2 (ja) 試料分析装置
JP2003202292A (ja) 蛍光寿命測定装置および方法
JP7462037B2 (ja) Ｓｐａｄベースの検出器のダイナミックレンジの拡大
JP5462719B2 (ja) 電子ビーム検出器，電子ビーム応用装置およびそれを用いた観察方法
JP2012007905A (ja) ガラス線量計読取装置
WO2021085049A1 (ja) 荷電粒子線装置
KR101775615B1 (ko) 고감도 영상 획득방법
JPH09210907A (ja) 走査型蛍光検出装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination