Analisi quantitativa del sito atomico dei difetti funzionali dei droganti/punti nei materiali cristallini mediante microanalisi potenziata dal canale elettronico

Questo nuovo schema di analisi elementale e chimica può essere usato per ricavare quantitativamente informazioni dipendenti dal sito per impurità o droganti all'interno di un campione usando spettroscopie a raggi X dispersive di energia ed elettroni per la perdita di energia. La tecnica è semplice, a basso costo e quantitativamente affidabile rispetto ad altre tecniche analitiche attualmente disponibili e non richiede attrezzature all'avanguardia. Questo metodo è ampiamente applicabile non solo all'analisi dopante in un singolo cristallo, ma anche all'analisi della struttura locale dei difetti del reticolo associati a posti vacanti, interstiziali e confini dei grani.

A dimostrare la procedura sarà Masahiro Ohtsuka, docente del mio laboratorio. Per montare un campione di pellicola sottile per microscopia elettronica a trasmissione, caricare il campione su un portacampioni di campioni di microscopio elettronico a trasmissione a doppia inclinazione e inserire il supporto in un microscopio elettronico a trasmissione dotato di una modalità di scansione e di un rivelatore di raggi X a dispersione di energia. Dopo aver eseguito una procedura di allineamento del fascio di microscopio elettronico a trasmissione di routine, fare clic su Visualizzazione immagine di scansione degli allegati per passare alla modalità STEM.

Per eseguire un allineamento dell'asse ottico, fate clic su Dondolo e quindi fate clic su Spot per interrompere il movimento di dondolo del fascio. Quando il dondolo si è arrestato, rimuovere il campione dal campo visivo e utilizzare i pulsanti freccia di ingrandimento per impostare l'intervallo di dondolo del fascio su meno di più o meno due gradi. Ruotare la manopola Luminosità in senso orario al limite e regolare la manopola Object Focus Coarse in senso antiorario su una condizione sotto-focalizzata.

Sullo schermo di visualizzazione fluorescente apparirà un punto caustico. Premete Inclinazione brillante e utilizzate le manopole Deflettore per spostare la macchia caustica al centro dello schermo fluorescente. Premere il tasto Messa a fuoco standard e ruotare la manopola Luminosità in senso antiorario fino a quando sullo schermo fluorescente non viene visualizzato un punto caustico alternativo.

Premere F3 e utilizzare le manopole Deflettore per spostare il punto del fascio al centro dello schermo. Quindi ripetere i passaggi di allineamento ottico appena dimostrati fino a quando la posizione del fascio rimane al centro, anche se la condizione dell'obiettivo è commutata. Per collimare il fascio incidente, inserire prima la terza apertura del condensatore più grande ruotando la manopola Aperture in senso orario, quindi regolarne manualmente la posizione al centro dell'asse ottico utilizzando due viti collegate.

E utilizzare la manopola Brightness in combinazione con le manopole Deflettore e lo stigmatore condensatore per regolare lo stigmatore dell'obiettivo del condensatore fino a quando la forma del fascio non è focalizzata in modo coassiale. Premere Wobbler ad alta tensione e regolare la manopola luminosità per ridurre al minimo la fluttuazione delle dimensioni del fascio con il cambiamento della tensione di accelerazione per regolare al minimo l'angolo di convergenza del fascio. Premi di nuovo Wobbler ad alta tensione per fermare il traballante ad alta tensione.

Per impostare il punto di rotazione, attivare la modalità di manutenzione in base alle istruzioni del produttore e selezionare JEOLS, Scan/Focus e Scan Control. Dopo aver fatto clic su Correzione e scansione, utilizzare le manopole Deflettore e Messa a fuoco oggetto fine per ridurre al minimo lo spostamento del fascio con il fascio che dondola. Quindi usa i tasti di controllo Z per abbinare l'altezza del campione e del punto di rotazione in modo che il campione sia focalizzato sullo schermo fluorescente.

Per eseguire un allineamento finale del fascio per ottenere un modello di canalizzazione elettronica per il campione, spostare l'area del campione di interesse al centro e fare clic su Scansione per avviare il dondolo del fascio. Ruotare manualmente il cilindro anulare del rilevatore di campo scuro in senso orario e inserire il rilevatore. Regolare le manopole deflettore tenendo premuto il tasto PLA per impostare la posizione del rilevatore al centro della posizione del fascio e controllare STEI-DF.

Apparirà uno schema di canalizzazione elettronica. Regolare la luminosità e il contrasto per ottimizzare la vista del motivo, ruotando leggermente la manopola Brightness per ottenere il contrasto più nitido se necessario. Per raccogliere gli spettri a raggi X dispersivi di energia, in modalità beam rocking, utilizzare il metodo di imaging spettrale in funzione degli angoli di inclinazione del fascio nelle direzioni x e y per visualizzare la distribuzione dell'intensità elementale per elementi specificati.

Per ottenere un modello di canalizzazione ionizzante, utilizzare la funzione di scansione della linea per eseguire una misurazione inclinata 1D di una fila sistematica di riflessi. Le frecce gialle appariranno nell'anteprima del modello di canalizzazione elettronica per specificare l'intervallo di misura. Interrompere le misurazioni quando si ottengono statistiche di dati sufficienti.

In queste immagini rappresentative, vengono mostrati modelli sperimentali di elettrone e canalizzazione per titanato di bario, bario L, bario K alfa e ossigeno K alfa vicino agli assi di zona 100 e 110, rispettivamente. Qui si possono osservare i modelli di incanalamento dell'elettrone e della ionizzazione del calcio K, stagno L, O-K, europio L e ittrio L per il campione di ossido di stagno di calcio co-drogato di ittrio di europium vicino alla zona 100. Il modello del canale ionizzante dell'europio lantano in questa analisi era più vicino al modello K di calcio, mentre il modello dell'ittrio L era più vicino a quello osservato per lo stagno L.Questi dati suggeriscono che i siti di occupazione dell'europio e dell'ittrio potrebbero essere distorti, come previsto.

Le occupazioni del sito delle impurità e le concentrazioni di impurità di tutti i campioni sono indicate nella tabella. Come osservato, solo per l'europio drogato di ossido di stagno di calcio, l'europio occupava equamente i siti di calcio e stagno, coerentemente con i risultati della diffrazione dei raggi X, analisi di Rietveld. Al contrario, l'europio e l'ittrio occupavano i siti di calcio e stagno nei campioni co-drogati a rapporti rispettivamente di circa sette-tre e quattro-sei, significativamente distorti, come previsto, pur mantenendo la condizione di neutralità della carica all'interno delle attuali accuratezze sperimentali.

È importante osservare attentamente il bordo della trave e del campione per determinare le condizioni ottimali di messa a fuoco, anche se è possibile una leggera regolazione finale. Se non si dispone di una modalità beam rocking nel TEM, un plug-in software chiamato QED, che gira su Gatan Microscopy Suite, può implementare lo stesso schema.