Quantitative Atom-Standortanalyse von funktionellen Dopants/Punktdefekten in kristallinen Materialien durch Elektronenkanaling-verstärkte Mikroanalyse

Dieses neuartige elementare und chemische Analyseschema kann verwendet werden, um standortabhängige Informationen für Verunreinigungen oder Dopants innerhalb einer Probe mithilfe energiedispersiver Röntgen- und Elektronenenergieverlustspektroskopien quantitativ abzuleiten. Die Technik ist einfach, kostengünstig und quantitativ zuverlässig im Vergleich zu anderen derzeit verfügbaren Analysetechniken und erfordert keine hochmoderne Ausrüstung. Diese Methode ist weit verbreitet und eignet sich nicht nur für die Dopantanalyse in einem einzigen Kristall, sondern auch für die lokale Strukturanalyse von Gitterfehlern, die mit Leerständen, Interstitials und Korngrenzen verbunden sind.

Demonstriert wird das Verfahren von Masahiro Ohtsuka, einem Dozenten aus meinem Labor. Um eine Dünnschichtprobe für die Transmissionselektronenmikroskopie zu montieren, laden Sie die Probe auf einen doppelt geneigten Transmissionselektronenmikroskop-Probenhalter und setzen Sie den Halter in ein Transmissionselektronenmikroskop ein, das mit einem Scanmodus und einem energiedispersiven Röntgendetektor ausgestattet ist. Nachdem ein routinemäßiges Transmissionselektronenmikroskop-Strahlausrichtungsverfahren durchgeführt wurde, klicken Sie auf Attachment Scanning Image Display, um in den MINT-Modus zu navigieren.

Um eine optische Achsenausrichtung durchzuführen, klicken Sie auf das Schaukeln, und klicken Sie dann auf Spot, um die Strahlschaukelbewegung zu stoppen. Wenn das Schaukeln angehalten wurde, entfernen Sie die Probe aus dem Sichtfeld, und verwenden Sie die Pfeiltasten der Vergrößerung, um den Strahlschaukelbereich auf weniger als plus oder minus zwei Grad festzulegen. Drehen Sie den Helligkeitsknopf im Uhrzeigersinn an die Grenze, und stellen Sie den Objektfokus Grobknopf gegen den Uhrzeigersinn auf eine unterfokussierte Bedingung ein.

Auf dem fluoreszierenden Anzeigebildschirm wird ein ätzender Fleck angezeigt. Drücken Sie Bright Tilt, und verwenden Sie die Abbiegeregler, um den ätzenden Punkt in die Mitte des Fluoreszenzbildschirms zu bewegen. Drücken Sie die Standardfokus-Taste, und drehen Sie den Helligkeitsknopf gegen den Uhrzeigersinn, bis ein alternativer ätzender Fleck auf dem Fluoreszenzbildschirm erscheint.

Drücken Sie F3, und verwenden Sie die Abbiegeregler, um den Strahlfleck in die Mitte des Bildschirms zu bewegen. Wiederholen Sie dann die gerade demonstrierten optischen Ausrichtungsschritte, bis die Strahlposition in der Mitte verbleibt, auch wenn der Linsenzustand gewechselt wird. Um den einfallenden Strahl zu kollimieren, legen Sie zunächst die drittgrößte Kondensatoröffnung ein, indem Sie den Aperture-Regler im Uhrzeigersinn drehen, und passen Sie dann seine Position manuell mit zwei angeschlossenen Schrauben an die Mitte der optischen Achse an.

Und verwenden Sie den Helligkeitsknopf in Verbindung mit den Deflektorknöpfen und dem Kondensator-Stigmator, um den Kondensatorlinsenstigmator so lange einzustellen, bis die Strahlform koaxial fokussiert ist. Drücken Sie Hochspannungs-Wobbler, und stellen Sie den Helligkeitsknopf ein, um die Schwankungen der Strahlgröße mit der Änderung der Beschleunigungsspannung zu minimieren, um den Strahlkonvergenzwinkel auf ein Minimum einzustellen. Drücken Sie erneut Hochspannungswackber, um den Hochspannungswacker zu stoppen.

Um den Drehpunkt festzulegen, aktivieren Sie den Wartungsmodus gemäß den Anweisungen des Herstellers, und wählen Sie JEOLS, Scan/Focus und Scan Control aus. Nachdem Sie auf Korrektur und Scannen geklickt haben, verwenden Sie die Regler "Deflektor" und "Objektfokus Fein", um die Strahlverschiebung mit dem Strahlschaukeln zu minimieren. Verwenden Sie dann die Z-Steuertasten, um die Probe- und Drehpunkthöhe zu entsprechen, sodass die Probe auf den Fluoreszenzbildschirm fokussiert ist.

Um eine endgültige Strahlausrichtung durchzuführen, um ein Elektronenkanalisierungsmuster für die Probe zu erhalten, verschieben Sie den von Interesse sindden Probenbereich zurück in die Mitte, und klicken Sie auf Scannen, um das Balkenschaukeln zu starten. Drehen Sie den ringförmigen Dunkelfelddetektorzylinder manuell im Uhrzeigersinn, und setzen Sie den Detektor ein. Stellen Sie die Abbiegeregler ein, während Sie die PLA-Taste halten, um die Detektorposition in die Mitte der Balkenposition einzustellen, und überprüfen Sie STEI-DF.

Es wird ein Elektronenkanalisierungsmuster angezeigt. Passen Sie die Helligkeit und den Kontrast an, um die Ansicht des Musters zu optimieren, indem Sie den Helligkeitsknopf leicht drehen, um bei Bedarf den schärfsten Kontrast zu erzielen. Um die energiedispersiven Röntgenspektren im Strahlschaukelmodus zu sammeln, verwenden Sie das spektrale Bildgebungsverfahren als Funktion der Strahlneigungswinkel in x- und y-Richtung, um die Elementarintensitätsverteilung für bestimmte Elemente anzuzeigen.

Um ein ionisierendes Kanalisierungsmuster zu erhalten, verwenden Sie die Line-Scan-Funktion, um eine 1D-Kippmessung einer systematischen Reflexionsreihe durchzuführen. Gelbe Pfeile werden in der Vorschau des Elektronenkanalisierungsmusters angezeigt, um den Messbereich anzugeben. Beenden Sie die Messungen, wenn ausreichende Datenstatistiken abgerufen werden.

In diesen repräsentativen Bildern werden experimentelle Elektronen- und Ionisationskanalisierungsmuster für Bariumtitanat, Barium L, Barium K alpha und Sauerstoff K alpha in der Nähe der 100 bzw. 110 Zonenachsen dargestellt. Hierkönnen die Elektronen- und Ionisationskanalisierungsmuster von Calcium K, Zinn L, O-K, Europium L und Yttrium L für die europium yttrium co-dotierte Calciumzinnoxidprobe in der Nähe der 100-Zone beobachtet werden. Das Europium-Lanthan-Ionisationskanalmuster in dieser Analyse war näher am Calcium-K-Muster, während das Yttrium-L-Muster näher an dem für Zinn L beobachtete musterte. Diese Daten deuten darauf hin, dass die Europium- und Yttrium-Besatzungsstandorte erwartungsgemäß voreingenommen sein könnten.

Die Standortbelegung der Verunreinigungen und die Verunreinigungskonzentrationen aller Proben sind in der Tabelle angegeben. Wie beobachtet, für Europium allein dotiert Kalziumzinnoxid, Europium besetzt die Kalzium-und Zinn-Sites gleichermaßen, im Einklang mit den Ergebnissen der Röntgenbeugung, Rietveld Analyse. Im Gegensatz dazu besetzten Europium und Yttrium die Kalzium- und Zinnstellen in den kodotierten Proben im Verhältnis von etwa sieben bis drei bzw. vier bis sechs, was erwartungsgemäß erheblich verzerrt war, wobei die Belastungsneutralitätsbedingung innerhalb der derzeitigen experimentellen Genauigkeiten beibehalten wurde.

Es ist wichtig, die Kante des Balkens und der Probe sorgfältig zu beobachten, um die optimalen Infokussbedingungen zu bestimmen, obwohl eine endgültige leichte Anpassung möglich ist. Wenn Sie keinen Strahlschaukelmodus in Ihrem TEM haben, kann ein Software-Plugin namens QED, das auf der Gatan Microscopy Suite läuft, dasselbe Schema implementieren.