電子チャネリング強化マイクロ分析による結晶材料における機能的ドーパント/点欠陥の定量的原子部位解析

この新しい元素および化学分析スキームは、エネルギー分散型X線および電子エネルギー損失分光法を用いて、試料内の不純物またはドーパントに対する部位依存情報を定量的に導出するために使用することができる。この技術は、現在利用可能な他の分析技術と比較して、シンプルで低コストで定量的に信頼性が高く、最先端の機器を必要としません。この方法は、単結晶のドーパント解析だけでなく、空孔、間質、および粒界に関連する格子欠陥の局所構造解析にも広く適用可能である。

この手順のデモンストレーションは、私の研究室の講師である大塚正弘です。透過型電子顕微鏡用薄膜試料を取り付けるには、試料を二重傾き型透過型電子顕微鏡のサンプルホルダに積み込み、走査モードとエネルギー分散型X線検出器を搭載した透過型電子顕微鏡にホルダーを挿入します。定期的な透過型電子顕微鏡ビームアライメント手順を実行した後、[添付ファイルスキャン画像表示]をクリックしてSTEMモードに移動します。

光軸の位置合わせを実行するには、[ロッキング]をクリックし、[スポット]をクリックしてビームロッキングモーションを停止します。ロッキングが停止したら、視野からサンプルを取り除き、拡大矢印ボタンを使用してビームロッキング範囲をプラスマイナス2度以下に設定します。明るさノブを時計回りに回し、オブジェクトフォーカスの粗いノブを反時計回りに調整して、焦点が下がっていない状態にします。

蛍光灯の表示画面にコースティクススポットが表示されます。「明るい傾き」を押し、ディフレクター・ノブを使用して、腐食性スポットを蛍光スクリーンの中央に移動します。標準フォーカスボタンを押し、蛍光スクリーンに代替のコースティックスポットが表示されるまで、明るさノブを反時計回りに回します。

F3 キーを押し、ディフレクタノブを使用して、ビーム スポットを画面の中央に移動します。次に、レンズ条件が切り替わった場合でも、ビーム位置が中央に残るまで、ちょうど実証された光学配向ステップを繰り返します。入射ビームをコリメートするには、まず、Apertureノブを時計回りに回して3番目に大きい凝縮器絞りを挿入し、次に2本のネジを使用して手動で光軸の中心に位置を調整します。

そして、輝度ノブをディフレクターノブとコンデンサースティグメータと組み合わせて使用して、ビーム形状が同軸的に焦点を合わせるまで凝縮器レンズのスティグマを調整します。ハイテンションウォブラーを押し、輝度ノブを調整して、加速度電圧の変化に伴うビームサイズの変動を最小限に抑え、ビーム収束角度を最小限に調整します。ハイテンションウォブラーを止めるには、もう一度ハイテンションウォブラーを押します。

ピボットポイントを設定するには、製造元の指示に従ってメンテナンスモードをアクティブにし、JEOLS、スキャン/フォーカス、スキャンコントロールを選択します。補正とスキャンをクリックした後、ディフレクタとオブジェクトフォーカスファインノブを使用して、ビームロッキングでビームシフトを最小限に抑えます。次に、サンプルが蛍光スクリーンに焦点を合わせるように、Zコントロールキーを使用してサンプルとピボットポイントの高さに合わせます。

最終的なビーム位置合わせを実行してサンプルの電子チャネリングパターンを取得するには、目的のサンプル領域を中心に戻し、「スキャン」をクリックしてビームロッキングを開始します。手動で環状暗視野検出器のシリンダーを時計回りに回し、検出器を挿入します。PLAキーを押したままディクターノブを調整して、検出器の位置をビーム位置の中心に設定し、STEI-DFをチェックします。

電子チャネリングパターンが現れます。明るさとコントラストを調整してパターンの表示を最適化し、必要に応じて明るさノブを少し回して最もシャープなコントラストを得ます。エネルギー分散X線スペクトルを収集するには、ビームロッキングモードで、x方向およびy方向のビーム傾斜角度の関数としてスペクトルイメージング法を使用して、指定された要素の元素強度分布を表示します。

電離チャネリングパターンを取得するには、ラインスキャン機能を使用して、系統的な反射の1D傾き測定を行います。黄色の矢印は、測定範囲を指定する電子チャネリングパターンプレビューに表示されます。十分なデータ統計が得られたら、測定を停止します。

これらの代表的な画像では、100および110ゾーン軸付近のチタン酸バリウム、バリウムL、バリウムKアルファ、および酸素Kαの実験的電子およびイオン化チャネリングパターンがそれぞれ示されている。ここで、100ゾーン付近のカルシウムK、スズL、O-K、ユーロピウムL、およびイットリウムの100ゾーン付近のコドープカルシウムスズ酸化物試料に対する電子およびイオン化チャネリングパターンが観察できる。この分析のユーロピウムランタンイオンチャネルパターンはカルシウムKパターンに近く、イットリウムLパターンはスズLに対して観察されたパターンに近かった。

すべてのサンプルの不純物および不純物濃度の部位占有率は、表に示されている。観察されるように、ユーロピウム単独のドープ酸化カルシウムスズについては、ユーロピウムはカルシウムおよびスズ部位を等しく占め、X線回折の結果と一致し、リートベルト解析。これに対し、ユーロピウムとイットリウムは、コドープサンプル内のカルシウムおよびスズ部位を、それぞれ約7〜3、4〜6の比率で占め、予想通り、電荷中性状態を本実験精度の範囲内に維持しながら、著しく偏った。

最終的なわずかな調整は可能ですが、ビームとサンプルのエッジを注意深く観察して最適なインフォーカス条件を決定することが重要です。TEM にビームロッキングモードがない場合は、Gatan 顕微鏡スイートで実行される QED というソフトウェア プラグインが同じスキームを実装できます。