Kwantitatieve atomaire-site analyse van functionele dopants/puntdefecten in kristallijne materialen door elektronengeankan-verbeterde microanalyse

Dit nieuwe elementaire en chemische analyseschema kan worden gebruikt om locatieafhankelijke informatie voor onzuiverheden of dopants in een monster kwantitatief af te leiden met behulp van energiedispersieve röntgen- en elektronenenergieverliesspectroscopieën. De techniek is eenvoudig, goedkoop en kwantitatief betrouwbaar in vergelijking met andere analytische technieken die momenteel beschikbaar zijn en vereist geen state-of-the-art apparatuur. Deze methode is breed toepasbaar op niet alleen dopantanalyse in één kristal, maar ook op de lokale structuuranalyse van roosterdefecten die verband houden met vacatures, interstitials en korrelgrenzen.

Masahiro Ohtsuka, een docent van mijn laboratorium, demonstreert de procedure. Om een dunfilmmonster voor transmissie-elektronenmicroscopie te monteren, laadt u het monster op een dubbel kantelende elektronenmicroscoophouder en plaatst u de houder in een transmissie-elektronenmicroscoop die is uitgerust met een scanmodus en een energiedispersieve röntgendetector. Nadat een routinematige transmissie elektronenmicroscoopstraaluitlijningsprocedure is uitgevoerd, klikt u op Attachment Scanning Image Display om naar de STEM-modus te navigeren.

Als u een optische asuitlijning wilt uitvoeren, klikt u op het schommelen en klikt u vervolgens op de spot om de beweging voor het schommelen van de straal te stoppen. Wanneer het schommelen is gestopt, verwijdert u het monster uit het gezichtsveld en gebruikt u de vergrotingspijlknoppen om het straalrotbereik in te stellen op minder dan plus of min twee graden. Draai de helderheidsknop met de klok mee tot de limiet en stel de objectfocus grove knop tegen de klok in in op een ondergefocusseerd toestand.

Er verschijnt een bijtende plek op het fluorescerende kijkscherm. Druk op Bright Tilt en gebruik de deflectorknoppen om de bijtende plek naar het midden van het fluorescerende scherm te verplaatsen. Druk op de standaardfocusknop en draai de helderheidsknop tegen de klok in totdat er een alternatieve bijtende plek op het fluorescerende scherm verschijnt.

Druk op F3 en gebruik de deflectorknoppen om de straalspot naar het midden van het scherm te verplaatsen. Herhaal vervolgens de zojuist gedemonstreerde optische uitlijningsstappen totdat de straalpositie in het midden blijft, zelfs als de lensconditie is geschakeld. Om de invallende bundel te botsen, plaatst u eerst de op twee na grootste condensatoropening door de apertureknop met de klok mee te draaien en vervolgens de positie handmatig aan te passen aan het midden van de optische as met behulp van twee bevestigde schroeven.

En gebruik de helderheidsknop in combinatie met de deflectorknoppen en de condensor stigmator om de stigmator van de condensatorlens aan te passen totdat de bundelvorm coaxiaal is gericht. Druk op Hoge spanning Wobbler en pas de helderheidsknop aan om de fluctuatie van de bundelgrootte met de verandering in versnellingsspanning te minimaliseren om de convergentiehoek van de bundel tot een minimum te beperken. Druk nogmaals op High Tension Wobbler om de hoge spanning wobbler te stoppen.

Als u het draaipunt wilt instellen, activeert u de onderhoudsmodus volgens de instructies van de fabrikant en selecteert u JEOLS, Scan/Focus en Scan Control. Nadat u op Correctie en scannen hebt geklikt, gebruikt u de deflector- en objectfocusknopen om de bundelverschuiving met het schommelen van de straal te minimaliseren. Gebruik vervolgens de Z-bedieningstoetsen om het monster en de draaipunthoogte te matchen, zodat het monster op het fluorescerende scherm is gericht.

Als u een laatste bundeluitlijning wilt uitvoeren om een elektronenkanaalpatroon voor het monster te verkrijgen, verplaatst u het interessegebied van het monster terug naar het midden en klikt u op Scannen om het schommelen van de straal te starten. Draai de ringvormige cilinder van de donkere velddetector handmatig met de klok mee en plaats de detector. Stel de deflectorknoppen in terwijl u de PLA-toets ingedrukt houdt om de detectorpositie in het midden van de bundelpositie in te stellen en controleer STEI-DF.

Er verschijnt een elektronenkanaalpatroon. Pas de helderheid en het contrast aan om het zicht op het patroon te optimaliseren en draai lichtjes aan de helderheidsknop om zo nodig het scherpste contrast te verkrijgen. Om de energiedispersieve röntgenspectra te verzamelen, gebruikt u in de straalrotsmodus de spectrale beeldvormingsmethode als functie van de kantelhoeken van de straal in de x- en y-richtingen om de elementaire intensiteitsverdeling voor bepaalde elementen weer te geven.

Om een ioniserend-channeling patroon te verkrijgen, gebruikt u de lijnscanfunctie om een 1D-kantelmeting van een systematische rij reflecties uit te voeren. Gele pijlen verschijnen in het voorbeeld van het elektronenkanaalpatroon om het meetbereik op te geven. Stop de metingen wanneer voldoende gegevensstatistieken zijn verkregen.

In deze representatieve beelden worden experimentele elektronen- en ionisatiekanaalpatronen voor bariumtitanaat, barium L, barium K-alfa en zuurstof K-alfa in de buurt van respectievelijk de 100- en 110-zoneassen weergegeven. Hier kunnen de elektronen- en ionisatiegeulen van calcium K, tin L, O-K, europium L en yttrium L voor het europium yttrium co-gedopt calcium tinoxidemonster in de buurt van de 100-zone worden waargenomen. Het europium lanthaan ioniserend kanaal patroon in deze analyse was dichter bij het calcium K patroon, terwijl het yttrium L patroon dichter bij dat waargenomen voor tin L.Deze gegevens suggereren dat de europium en yttrium bezetting sites kunnen worden bevooroordeeld, zoals verwacht.

De locatiebezetting van de onzuiverheden en de onzuiverheidsconcentraties van alle monsters worden in de tabel aangegeven. Zoals waargenomen, voor europium alleen doped calcium tinoxide, europium bezet de calcium en tin sites gelijk, in overeenstemming met de resultaten van de röntgen diffractie, Rietveld analyse. Europium en yttrium daarentegen bezetten de calcium- en tinlocaties in de meegeknelde monsters in verhoudingen van respectievelijk ongeveer zeven tot drie en vier tot zes, aanzienlijk bevooroordeeld, zoals verwacht, met behoud van de ladingneutraliteitstoestand binnen de huidige experimentele nauwkeurigheid.

Het is belangrijk om de rand van de balk en het monster zorgvuldig te observeren om de optimale scherpstelomstandigheden te bepalen, hoewel een laatste kleine aanpassing mogelijk is. Als u geen beam rocking-modus in uw TEM hebt, kan een softwareplug-in genaamd QED, die draait op Gatan Microscopy Suite, hetzelfde schema implementeren.