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要約

サンプル調製技術の概要は、in situイオン照射TEM実験に関する特定の考慮事項とともに概説されています。イオン種、エネルギー、およびフルエンスについて、それらを選択して計算する方法とともに説明します。最後に、実験を実施するための手順を説明し、代表的な結果を添付します。

要約

高温、放射線、機械的ストレスなど、重なり合う極限環境にさらされる材料を理解する必要があります。これらのストレッサーが組み合わさると、独自の微細構造進化メカニズムを活性化する相乗効果が生じる可能性があります。これらのメカニズムを理解することは、予測モデルの入力と改良に必要であり、次世代材料のエンジニアリングに不可欠です。基本的な物理学と基礎となるメカニズムを調査するには、高度なツールが必要です。in situイオン照射透過型電子顕微鏡(I³TEM)は、これらの原理を探求するように設計されています。

材料中の複雑な動的相互作用を定量的に調べるためには、サンプルの慎重な調製と実験計画の検討が必要です。サンプルの特定の取り扱いや調製は、測定を難読化する損傷や特徴を簡単に導入する可能性があります。サンプルを調製する正しい方法は1つではありません。ただし、多くの間違いを犯す可能性があります。最も一般的なエラーと考慮すべき事項が強調表示されています。I³TEMは、多くの調整可能な変数と大きな潜在的な実験スペースを備えているため、特定の科学的な疑問を念頭に置いて実験を設計するのが最善です。

実験は、多数のサンプル形状、材料クラス、および多くの照射条件で行われてきました。以下は、I3TEM を利用した独自の in situ 機能を示す例の一部です。ドロップキャスティング法で作製したAuナノ粒子は、単一イオンストライクの影響を調べるために使用されています。金薄膜は、マルチビーム照射が微細構造の発展に及ぼす影響に関する研究に用いられています。Zr膜は、クリープを調べるために、照射と機械的張力にさらされています。Agナノピラーに高温同時、機械的圧縮、イオン照射を施し、照射誘起クリープについても調べました。これらの結果は、構造材料、原子力エネルギー、エネルギー貯蔵、触媒、宇宙環境におけるマイクロエレクトロニクスなどの分野に影響を与えます。

概要

透過型電子顕微鏡(TEM)は、ナノスケールで試料を観察できることから広く利用されています。電子顕微鏡の開発の初期に、顕微鏡研究者は、結晶欠陥の役割、反応速度の速度論的測定、および動的プロセスの基本的なメカニズムを直接観察するために使用できる強力なツールとしてin situ TEMを特定しました1。環境を慎重に制御し、物質の進化を直接観察することで、基本的なメカニズムを洞察することができます。この知識は、従来の材料信頼性試験が法外に困難なアプリケーションにおいて非常に重要な材料応答2,3の予測モデリングに情報を提供します。材料が非常に離れている、非常に敵対的な環境にある、非常に長い時間使用されている、またはこれらの要因の組み合わせ。放射線環境は、放射線領域の危険性、放射性物質の取り扱い、および影響に必要な長いタイムラインのために、実験的研究の実施に大きな課題があるそのような例の1つです。

宇宙と原子炉の設定は、どちらもこれらの極端な放射線環境の例です。核エネルギー用の材料は、高エネルギー中性子だけでなく、高エネルギー荷電粒子のスペクトルにもさらされる可能性があります。同様に、宇宙用途では、材料はさまざまな荷電粒子にさらされる可能性があります。これらの複雑で極端な環境への曝露から生じる材料進化の予測モデリングを理解し、開発するには、ナノスケールで発生する基本的なメカニズムについての洞察が必要です。In situのTEMは、これらのダイナミックなナノスケールのメカニズムをリアルタイムで調査するための1つのツールです4,5。

TEMでのin situイオン照射実験は、1961年に汚染されたタングステン電子銃フィラメント6からのO-イオンの偶然の放出から始まりました。Harwellの研究者は、イオン照射効果を直接観察するために、重イオン加速器をTEMに結びつけた最初の研究者でした7。最近では、日本原子力研究所8、物質・材料研究機構9、アルゴンヌ国立研究所10、ハダースフィールド大学11、JANNUS オルセー12、武漢大学13、サンディア国立研究所14、その他15など、複数のイオン加速器を取り付けた顕微鏡を組み込んでin situマルチビームイオン照射実験を可能にしている開発中の複数の施設を含みます。マルチビームイオン照射は、複雑な放射線環境にさらされた材料において、ガス発生と変位カスケード損傷が同時に起こる相乗効果を研究するために使用することができます。高温または極低温のTEMステージは、温度が欠陥の進展に重要な役割を果たすため、特定の環境をより厳密に模倣するためにマルチビーム照射とともによく使用されます。さらに、機械的試験段階を利用して、放射線量の関数として機械的特性の変化に対する相乗効果の役割を定量化できます。

イオン照射は、原子炉環境での中性子照射中に発生する原子置換カスケード損傷をシミュレートするための加速老化技術として使用されてきました。これは、この技術により、ターゲット材料の長期にわたる活性化を回避しながら、何桁も速い損傷率を提供できるためです16。サンディア国立研究所のI3TEM施設では、2種類の加速器を利用して、幅広いイオン種とエネルギーを可能にしています。高エネルギーイオンビームは6MVタンデム加速器で生成され、低エネルギーイオンは10kVコルトロン加速器で生成されます。タンデムでは最大100MeVの金イオンが生成され、コルトロンはH、重水素(D)、He、N、Xeなどのガス状種を成功裏に実行しています14,17。D2とHeガスの混合プラズマを利用して、タンデムからの重イオンビームと、コルトロンからのD2+Heビームの混合によるトリプルイオン照射を行うことができます。

イオンの制御された生産により、材料の正確な投与が可能になり、目標の損傷と注入濃度に到達することができます。中性子線照射をイオンビーム照射で模擬すると、損傷線量を原子当たり変位(dpa)で計算できます。この値は、原子が元の格子サイト位置から変位した平均数を表し、総欠陥濃度と同じではありません。総欠陥濃度を計算するには、組み換え効果を考慮する機能を備えた、より高度なシミュレーションツールが必要です。dpaは、モンテカルロシミュレーションソフトウェアSRIM(Stopping Range of Ions in Matter)18などのイオン照射損傷モデルを使用して計算できます。SRIMは、ターゲットの組成、イオン種、イオンエネルギーに基づいて、ターゲット内の空孔分布、停止力、およびイオン範囲を出力できます。これにより、イオン注入、放射線損傷、スパッタリング、イオン透過、および医療および生物学的アプリケーションの定量化に必要な情報が得られます。

照射の影響を調べるためにこのツールを検討する際には、技術の長所を最大限に活用した実験を設計することが重要です。in situのTEM照射の利用は、放射線環境で生じる欠陥の動的進化を定量化するための理想的なシナリオを作成します。この手法は、ループ故障/デフォルト反応や欠陥粒界(GB)の適合メカニズムを含む欠陥の進展に関する洞察を提供しますが、欠陥定量化をバルクスケール照射と比較することには、点欠陥の喪失やサンプル表面への欠陥クラスターなどのよく知られた薄膜効果により、実験上の大きな制限があります19,20。

この記事では、in situマルチビームTEM実験用の試料の調製と埋込に関する新たな考慮事項と手順について説明します。また、I³TEM施設に固有のモデリングと幾何学的考慮事項、ビームアライメントとビーム特性評価のプロトコルなど、実験設計の考慮事項についても説明します。SRIMを使用して、特定の深さのイオン注入に必要なエネルギーを計算する方法のデモンストレーションと、イオン分布と損傷プロファイルを提供します。モデリング方法21、22 およびいくつかのサンプル調製方法は以前に報告されているが、ここでは、この情報を実験計画に適用することが強調されている。in situ TEM実験の代表的な結果が示され、典型的なデータ解析についても説明します。

プロトコル

注意: 使用する前に、関連するすべての製品安全データシート(MSDS)を参照してください。また、関連するトレーニングを完了し、使用される化学物質、高電圧、真空、極低温物質、加圧ガス、ナノ粒子、レーザー、電離放射線などの危険に対する適切な予防措置を講じてください。すべての機器の使用に関する許可とトレーニングを確保します。操作手順に規定されているすべての適切な安全対策(放射線監視装置、個人用保護具など)を使用してください。

注:このプロトコルで指定されているすべてのパラメータは、ここに示されている機器とモデルに対して有効です。

1. in situイオン照射TEM実験デザイン

注:変更できる変数は多数あり、その結果、大きな潜在的な実験空間が得られます。彼らが特定の科学的質問に答えるように体系的な実験を設計することは、最も成功をもたらすでしょう。まず、エミュレートするシステムをモデル化する適切なイオン種とエネルギーを選択します。

  1. イオン種の選択
    注:イオンと材料との相互作用は複雑であり、詳細はこのドキュメントの範囲を超えています。固体23、より具体的には金属24および半導体25とのイオン相互作用を詳述したいくつかの出版物が存在する。宇宙放射線環境は、イオンエネルギーと質量のスペクトルで構成されており、軽イオンと重イオンで効果的にモデル化できます。原子力システムは、重イオン照射とガス注入の組み合わせを使用してエミュレートできます。重イオン照射は、中性子や高エネルギー核分裂、放射性崩壊生成物によって誘発される変位カスケード損傷をシミュレートします。彼はしばしば核物質中で核変換反応または放射性崩壊のいずれかによって生成されます。
    1. 化学的性質、損傷タイプ、および一致する中性子スペクトルに基づいて、埋め込む元素を選択します。イオン注入による化学的影響を最小限に抑えるために、選択されるイオンが検査対象物質と同じである自己イオン照射がよく使用されます。あるいは、ドーピング研究により、移植用の特定のイオンを選択することもできます。ダメージの種類は、エネルギーが高いほどダメージが大きいイオンの運動エネルギーによって決まります。固定エネルギーの場合、軽いイオンはフレンケルペアを生成するために選択でき、重いイオンはダメージカスケードを生成し、最も重いイオンはイオントラック26を生成することができます。
      1. 中性子損傷をシミュレートするには、一次ノックオン原子(PKA)の変位が対象の中性子スペクトルと一致するイオンを選択します27。
        注:すべての元素がタンデム加速器での使用に適した安定したマイナスイオンを形成するわけではありません。 図1 には、I³TEM施設で正常に泳動したすべてのイオンのリストを参照してください。加速器操作の背景と、安定したマイナスイオンを持つ6 MV Tandem互換エレメントのリストについては、ミドルトンのクックブック28を参照してください。

figure-protocol-1701
図1:現在までのイオン(青色で強調表示)、電荷状態、およびI³TEMのエネルギー範囲。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

  1. SRIMの停止テーブルとレンジテーブルを使用したイオンエネルギー選択
    注:停止テーブルと範囲テーブルは、材料へのイオンの浸透深さをすばやく決定する方法を提供します。ストッピングパワーdE/dxは、固体中を移動した単位距離(dx)あたりにイオンが失うエネルギー(dE)を表します。停止力は、1)標的原子との弾性衝突によって失われるエネルギーである核停止と、2)標的原子電子との相互作用によって失われるエネルギーである電子停止の2つの要素で構成されています。次の手順では、一般的な SRIM テーブルの実装について説明します。
    1. SRIMソフトウェアで、 Stopping / Range Tablesを選択します。
    2. 注入するイオンとターゲット材料を選択します。複合ターゲットには、複数のターゲット要素を選択できます。
      注:計算された密度が提供されますが、通常は非常に不正確であるため、値を手動で入力する必要があります。
    3. [テーブルの計算]を選択して、イオンエネルギーと予測範囲、材料内の横方向および縦方向のストラグリングのテーブルを表示します。
      注:移植実験の場合、ピーク停止範囲はホイルの厚さ内にある必要があります。
    4. 6 MVを超えるエネルギーは、複数の充電状態で可能です。ここで、イオン エネルギーEは、おおよそ次のように決定されます。
      figure-protocol-2675方程式 (1)
      ここで、 M1 は選択したイオンの質量、 MTはソース 内の化合物の総質量 (単一元素ソースの場合は MT = M1 )、 q は充電状態、 VT は端子電圧、 VSはソース 電位です。
      注:電荷状態はビーム電流にも影響し、達成可能なフルエンスと実験の露光時間に影響します(式2、3を参照)。
  2. SRIMを用いたイオンフルエンスとフラックス選択
    注: SRIM を使用して、1.2 で使用したエネルギーの貫通深さプロファイルを確認します。関連文献に基づいて、目標イオン濃度(用量、フルエンス)または損傷レベルを決定します。損傷レベルはdpaで報告されることが多く、最終的な欠陥数を反映しているのではなく、自由表面での欠陥消滅や再結合を考慮していない変位の平均数です。温度や機械的負荷などの他の環境条件が同時に適用される場合があります。これらは、損傷と微細構造の進化メカニズムに影響を与える可能性があり、考慮する必要があります。次に、SRIM を使用して損傷またはフルエンスを計算する方法について説明します。ダメージを計算する別の方法があります22ですが、説明されている方法は広く使用されており、よりシンプルで迅速であると考えられています。これらのガイドラインは、関連する放射線条件について従うこと、そして最も重要なこととして、シミュレーションパラメータを記録し、報告して再現できるようにすることを強くお勧めします。
    1. SRIMソフトウェアで、注入するイオンとターゲット材料を選択します。複合ターゲットには、複数のターゲット要素を選択できます。計算された密度が提供されますが、通常は非常に不正確であるため、値を手動で入力する必要があります。
    2. TRIM計算タイプとして、「イオン分布とダメージのクイック計算」と「クイックK-P」のダメージモデルを選択します。
      注:vacancy.txt法は、ほとんどのI3TEM実験を計画するのに十分な損傷プロファイルの迅速な近似を提供します。Stoller et al.21は、SRIMを使用して迅速なKinchin-Pease方程式を実装し、金属システムの面積あたりのイオンあたりのdpaを決定する方法を詳しく説明しています。「クイックK-P」と「フルカスケード」オプションの使用については、特に異なる閾値変位エネルギーを持つ元素を含むイオン化合物での使用については、競合する議論があります21,22。著者らは、これらの各方法を調査して、特定のサンプルタイプと実験デザインに応じて、出版物で最終的なdpaを報告するための最も適切な計算方法を決定することをお勧めします。
    3. 層の厚さはTEMサンプルの厚さ(10\u2012150 nm)と同じに設定します。
      注意: ソフトウェアは深さを同じサイズの100個のビンに自動的に分割するため、より大きな厚さを選択すると、ビニングの精度が低下します。
    4. イオン入射角を実験条件(通常は正常から60°)に合わせて設定します。
      注:イオンビームはTEM内の電子ビームにほぼ垂直であり、通常、試料はイオンビームに対して30°傾いています。実験的な構成図については、セクション 3 と 4 を参照してください。
    5. ASTM E52129などの評判の良い文献ソースから閾値変位エネルギーを選択します。ラティスとサーフェスエネルギーをゼロに設定します。
      注:モデリング30 と実験作業31 の両方に関する出版物は、さまざまな材料上の閾値変位エネルギーを提示しています。ゼロ格子と表面エネルギーは、ほとんどの条件に適していますが、特別な場合には、値21を提供する必要がある場合があります。
    6. シミュレーションを実行します。
    7. VACANCY.txt ファイルで、各深度の VACANACIES by IONS と VACANCIES by RECOILS の両方の深さの関数としての損傷イベントを確認します。このファイルはスプレッドシートにインポートできます。
      注:vacancy.txtファイルを使用することは、損傷線量を計算するための最も正確な方法ではない可能性があり、簡単な近似値21を考慮する必要があります。
    8. 単位を(変位/イオン-Å)から(変位/イオン・cm)に変換します。次に、測定したイオンフルエンスを使用してdpaを決定するか、目的のdpaに必要なイオンフルエンスを決定します(式2、フルエンスの測定方法についてはセクション3.1.5および3.2.5を参照)。損傷率(dpa/s)が必要な場合は、フルエンスの代わりにフラックス(ions/cm2-s)を使用してください。
      figure-protocol-5238方程式 (2)
    9. ターゲットフルエンスに必要な曝露時間を計算します。
      注:以下は、 e が電子電荷、 C がクーロンであるこれらの値間の関係です(式3)。一部の実験は数十年にわたるフルエンスに及ぶため、特定のフラックスに見合った時間の範囲になります。高フルエンス実験では、実験時間24を最小化するために最大フラックスが望まれる。ゲートバルブとファラデーカップアクチュエーターの制限速度により、フルエンスが低いと、露光時間が十分な精度で達成できるように、秒単位でフラックスを低くする必要があります。ビーム電流が大きいと、サンプルが局所的に加熱され、拡散特性や観察される微細構造の変化が変わる可能性があります。高ビーム電流を利用する実験では、照射中に試料を室温まで冷却し、熱電対で温度を監視する必要があります。
      figure-protocol-5718 (式3)
  3. TEMステージの選択
    注:簡単なイオン照射実験は、1つのチルトホルダーで行うことができます。ただし、関心のある材料系や特性によっては、さまざまなホルダーが適切な場合があります。イオン照射と同時に、温度、気体または液体環境、機械的ストレスなどの条件を含むさまざまな極限環境コンポーネントを組み合わせることが可能です。
    1. 極低温ホルダーまたは加熱ホルダーの使用を検討してください。温度は原子の拡散に重要な役割を果たします。移植温度は、損傷の種類と強度に影響を与える可能性があります。クライオホルダーまたはヒーティングホルダーを選択して、希望の温度を維持することができます。冷水を供給するヒーティングホルダーを使用して室温を維持します。
      注:高温実験の場合、サンプルはMoグリッドまたはその他の熱的に安定したグリッドに取り付ける必要があります。
    2. ダブルチルトホルダーまたは断層撮影ホルダーの使用を検討してください。結晶方位を理解することは重要であり、転位ループまたはブラックスポット密度の定量化に資する2つのビーム条件を得るために必要となります。このような場合には、ダブルチルトまたは断層撮影ホルダーを使用できます。これは、放射線による位相変化を調べるのにも役立ちます。
    3. 環境ホルダーを使用して、材料をその場で気体または液体にさらすことを検討してください。この種の実験のための試料調製は様々で、非常に困難であり、本書32の範囲を超えている。
    4. 引張、圧縮、曲げ、疲労、クリープなどの機械的試験に特化したステージの使用を検討してください。
      注:これらのタイプの実験には特定のサンプル調製が必要であり、このドキュメント33、34、35、36の範囲を超えています。イオン種、イオンエネルギー、およびターゲットフルエンスが決定され、追加の環境の複雑さに対する特定のホルダーが検討されたので、イオン照射実験を設計する次のステップは、TEM用の試料を準備することです。in situイオン照射TEM実験の幾何学的制約を満たすためには、試料の慎重な準備が必要です。以下に、いくつかのサンプル調製方法について説明します。

2. 薄い試料の作製とTEMグリッドへの実装

注:TEM用のサンプルを調製する方法はたくさんあります。最適な方法は、開始サンプルの形状、材料、および対象フィーチャによって異なります。調製方法の詳細なリストと説明については、TEM37のサンプル調製ハンドブックを参照してください。以下に、3つの一般的な方法について説明します。磁性材料の場合、TEM内の磁場にさらされたときにフィルムや粒子が剥がれないように、接着方法を適用する必要があります。イオンビーム誘起電荷による静電排出を最小限に抑えるために、絶縁基板(すなわち、酸化物)は避けるべきです。

  1. ナノ粒子のドロップキャスティング
    注:これは、直径が200 nm未満のナノ粒子のTEMサンプル調製の最も簡単な方法です。レーシーカーボン、ポリマー、窒化ケイ素膜など、いくつかの異なる支持材料を使用することができます。これらの材料は、配位子の相互作用により、ナノ粒子と異なる相互作用をする可能性があります。ナノ粒子が十分に分散した基板を選択する。
    1. ナノ粒子をアルコール、脱イオン水、またはその他の組み合わせなどの溶媒に十分に混合されるまで分散させます。超音波処理は、追加の凝集体を分解するために使用できます。流体濃度は、グリッド上のナノ粒子密度を制御するために使用できます。
    2. ピペットを使用して、分散した粒子を支持されたTEMグリッドの上面に堆積させます。
      注:グリッドの支持側が上を向いていることを確認して、ナノ粒子がグリッドの上面にくっつくようにします。液滴が乾燥するにつれてナノ粒子を引きずる毛細管現象を利用することが可能です。中心からずれた滴下は、中央照射領域のナノ粒子の密度を低下させる。
  2. 薄膜フロートオフ
    注:この方法では、塩やフォトレジストなどの溶解性基板上に薄い(<100 nm)膜を堆積させる必要があります。サンプルのごく一部を劈開し、溶媒に入れます。基板が溶媒に溶解すると、薄膜は基板から分離して溶液の表面に浮かび、TEMグリッド上にすくい取ることができます。
    1. ペトリ皿に50mLの溶媒溶液を調製します。
      注:溶媒は、薄膜の基板によって異なります。NaCl基質は、水が溶媒であるのが一般的です。溶液にアルコールを添加して、表面張力を変化させることができます。アルコールが多すぎるとサンプルが沈むことが多く、アルコールが少なすぎると表面張力が増加し、フィルムをグリッドに転写するのが難しくなります。
    2. 基板を約1.5mm×1.5mmのセクションに切断または切断します。
      注:フィルムの端は通常低品質であるため、可能な限り避ける必要があります。
    3. ピンセットを使用して、フィルムを上に向けて基板を約30°の入射角で溶液に挿入します(図2a)。フィルムが浮かぶまで、ゆっくりと引っ込めて挿入することを繰り返します(図2b、c)。基板は脇に置くことができます。
    4. TEMグリッドを溶液に挿入し、フィルムの下に持ってきます。フィルムがグリッドの中央に来るまで、フィルムの下のグリッドをゆっくりと持ち上げます。グリッドを溶液からすばやく持ち上げると、フィルムが付着します(図2d)。
      注意: フィルムが中央に揃っていない場合は、グリッドとフィルムを溶液に再挿入して、フィルムを再浮かべ、必要に応じて中央に配置します。フィルムはそれ自体で折り返される可能性があることに注意してください。

figure-protocol-8740
図2:薄膜のフロートオフ。 (a)可溶性基板上に堆積した薄膜の一部を溶媒溶液に挿入する様子、(b)基板の接着層を溶解して薄膜から浮遊する断面図、(c)表面張力により溶液上に自由浮遊する薄膜の断面図、(d)TEMグリッドを使用して溶液からフィルムを浮き上がらせる様子の模式図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

  1. 集束イオンビームミリング
    注:ほとんどのバルク材料は集束イオンビーム(FIB)ミリングによって調製でき、このプロセスの詳細に関する情報は、TEMサンプル調製のハンドブック37に記載されています。FIBフライス加工は、前述の方法に比べて時間がかかり、複雑なプロセスですが、バルクサンプルからTEM試料を調製する従来の手作業による研磨方法と比較すると、非常に短くて簡単です。また、サイトに対する高度な制御という利点もあり、境界や欠陥など、調査対象の領域を選択できます。FIBによって製造された箔は、イオンビームミリングプロセスによって誘発される残留イオン照射損傷を有しており、これはin situ照射38によって誘発される損傷の畳み込み定量化となる。
    1. リフトアウトを準備します。さまざまなリフトアウト戦略を使用して、さまざまな形状のサイトスペシフィックTEM箔を作製できます。詳細な方法については、断面39、平面図40、クラックチップ41、ナノピラー42、アトムプローブニードル43などの形状でのサンプル調製に関する出版物を参照してください。
    2. ホイルを取り付けます。Ex situリフトアウトは、薄膜と同様にTEMグリッドの上に配置できます(図3a)。グリッドに溶接された試験片の場合、シャドウイングの影響を避けるために、グリッドの表面にあるポストの先端にホイルを溶接する必要があります(図3b)。Vポストへの取り付けは避けてください(図3b:左右)。
    3. ラメラに最後の研磨を行います。標準的なFIBの薄化は、試料にイオンビームの損傷をもたらします。この損傷は、非常に小さな視角でのフラッシュポリッシングと、低い加速電圧での穏やかなフライス加工によって最小限に抑えることができます。Ga+イオンビームによる従来の最終薄化の代替手段には、フラッシュ電解研磨44,45とAr+46によるイオンミリングがあります。
  2. 電解研磨
    注:これは、バルク材料からのin situイオンビーム照射実験用の単相金属試料を調製するための最も好ましい方法であることがよくあります。FIBフライス加工や従来の研磨技術による損傷を回避します。ただし、電解液、電位、および研磨時間は材料固有であり、これらのパラメータを決定するのは難しい場合があります。

figure-protocol-10644
図3:影を防ぐために上面に試料が取り付けられたTEMグリッドの概略図。 レーシーカーボンまたは薄膜のグリッド(a)、先端に溶接されたFIBリフトアウトの半月型グリッド(b)。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

3. イオンビームの条件と配向

  1. タンデムアクセラレーター
    注:タンデム加速器は、800 keV – 100 MeVの高エネルギーイオンに最適です。セシウムスパッタリング(SNICS)によるマイナスイオンの発生源は、高エネルギーの金属イオンビームを生成するために頻繁に使用され、その動作はこのドキュメントの範囲外です28。in situ TEM実験の調整と考慮事項について、以下で説明します。
    1. TEM内部のイオンビームをステアリングマグネット、ベンディングマグネット、レンズと位置合わせし、照射事象をその場で観察できるようにします。カメラを使用して、クォーツ先端のTEMサンプルホルダー上のイオンビーム誘起発光(IBIL)を表示することにより、最終的なイオンビームアライメントを実行します。
      1. イオンビームを、実験で使用した電子ビーム対物レンズのパワーマッチングを使用して、電子ビームによって生成されたカソードルミネッセンスと一致するように位置合わせします。
    2. TEMの上流にファラデーカップを挿入してイオンビームを捕捉し、読み取りを行ってビーム電流を測定します。フルエンスを計算するには、ビーム電流の測定が必要です(式3)。
      1. ビーム電流測定の精度を高めるには、ファラデーステージを備えたTEMホルダーを挿入して、TEMの試料領域のイオンビーム電流を測定します。
      2. 電流をリアルタイムで監視する必要がある場合は、ビームプロファイルモニタ(BPM)を使用します。BPMの電源を入れ、オシロスコープの読み出しを監視して電流測定を実行します。BPMは、ビームを定期的にチョッピングすることで機能し、ビームの時間的歪みを引き起こし、ビーム電流の定性的な尺度です。
        注:イオンビーム電流はドリフトする可能性があるため、実験全体でその安定性を確認することをお勧めします。
    3. バーンスポットを使用してビーム面積を測定します。バーンスポットは、3.1.1でアライメントを確認するために使用できます。
      1. シングルチルトTEM試料ホルダーフラットプレートの先端に透明粘着テープを貼り、電子ビームとイオンビームに照射します。テープをはがし、白い背景に置きます。
      2. 範囲を特定するには、定規で焼け跡を撮影し、ImageJ47などの画像処理ソフトウェアにインポートします。ビーム電流とともに、ビーム面積の測定を使用してイオンフラックスを決定できます(式2)。
    4. キャリブレーションサンプルを挿入してビーム損傷を視覚化し、運動学的明視野イメージング条件でブラックスポットコントラストとして現れるはずです。典型的には、AuまたはCuAuは、容易に見える黒い斑点の形成およびサンプル調製の容易さのために選択される48。
  2. Colutron加速器
    注:Colutron加速器は、ガス供給ホットフィラメントイオン源49を利用しています。複数のガス種を同時に加速することは可能ですが、偏向磁石、ステアラー、レンズが同じように機能するためには、2つのイオン種の質量電荷比が等しくなければなりません。たとえば、 4He2+ と 2D1+ です。
    1. セクション1.2で説明されているようにSRIM計算を実行して、目的のガス注入エネルギーを取得します。
      注:必要な曲げ磁石の強度は、イオンの質量、その充電状態、および加速電圧によって異なります。ガス種に複数の同位体がある場合、最も豊富な同位体を選択すると、ビーム電流が最大になります。また、タンデムがアクティブな場合、この偏向磁石はそのビームにも作用することに注意してください。タンデムの追加修正は、Colutronビームが整列した後に行う必要があります。
    2. ステップ3.1.1で説明されているように、イオンビームが電子ビームと一致するようにイオンビームを操縦します。
    3. ステップ3.1.2の説明に従ってビーム電流を測定します。
    4. ステップ3.1.3で説明されているように、バーンスポットを使用してビーム面積を推定します。
      注:このステップは、タンデム加速器からのイオンビームの測定と同時に実行できます。ただし、Colutron加速器からのビーム電流がTandemからのビーム(>3桁)に比べて高すぎる場合、信号が隠蔽されるため、測定は別々に行う必要があります。
    5. ステップ3.1.4で説明したように、ビームをTEM試験片に誘導するための最終調整を行います。

4. TEMのローディングとイメージング条件

figure-protocol-13391
図4:TEMのローディングとイメージングの条件。 正のX(a)と負のX(c)でホルダーを30°傾けた状態で、電子ビームの方向をページに入れたTEMホルダーの俯瞰図。電子ビーム(緑)とイオンビーム(青)でホルダーを30°傾けた状態でハイライトされたホルダーの軸下の断面図(緑)とイオンビームの底面照明のために正のX(b)と負のX(d)で強調表示されています。電子ビームとイオンビームの両方が影になっていない強調表示された領域。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

  1. 試験片の荷重と幾何学的な懸念
    1. グリッドの試料側が上を向き、グリッドがイオンビームに向けられたときに影が落ちないように向き合うように、グリッドをホルダーにロードします(図4a、c)。
      注: 図4b、d は、有効実験領域が強調表示されている照射構成でのイオンビーム経路と電子ビーム経路の概略図を示しています。
    2. 光学顕微鏡を使用してシャドウイング効果を確認します。 図4a、bに示すように、ホルダーを正のX方向に30°傾けます。俯瞰図は電子ビームの俯瞰図と平行になります。ホルダーを負のX方向に60°傾け、俯瞰図がイオンビームのそれと平行になります。標本の関心領域が両方の方向で見えない場合は、影付けの問題があり、標本を移動する必要があります。
      注:一部のホルダーでは、ステージの底部に影の問題が少ないため、イオンビームがサンプルの底面に当たるようにマイナス30°に傾けるのが最適です(図4d)。
    3. 試料をTEMホルダーに取り付けます。これは、特定のホルダーに関するメーカーのガイドラインに従って行われます。ホルダーをTEMにロードして、ポンプサイクルを開始します。真空が安定するのを待って、ホルダーを挿入します。
      注:TEMでホルダーをロードおよびアンロードするときは、TEM内のローディングによる真空クラッシュがビームラインに影響を与えないように、ビームラインへのバルブを閉じる必要があります。
    4. TEM制御ソフトウェアで、使用している加速電圧の最新のアライメントファイルをロードします。コンデンサーレンズと絞り、ガンの傾きとシフト、対物レンズの位置合わせを手動で調整します。
    5. 試料上の関心領域を見つけ、JenkinsとKirk50 が説明しているように、実行する分析のタイプに合わせてイメージング条件を調整します。明視野運動学的条件を使用して、損傷イベントを画像化します。
      注意: タングステンなどの高Z数材料の場合、追加のコンデンサーレンズを使用して輝度を追加する場合があります。
      注:低Z材料は、高エネルギー電子によって置換される可能性があり、電子ビームからのノックオン損傷を引き起こし、イオン51によって引き起こされる損傷を畳み込む可能性がある。低線量の電子ビームを使用し、試料への曝露を制限するだけでなく、低滞留時間走査TEMを使用することで、これを軽減することができます。
    6. ホルダーを最大安全距離(ほとんどのホルダーで30°)だけイオンビームに向かって最大81°傾けます。
    7. 加熱、冷却、環境、機械などの追加のストレッサーは、選択したTEMホルダーに固有のメーカー推奨の手順を使用して適用します。
      注意: 高倍率の作業の場合は、ステージが安定するまで時間を確保して、ドリフトが大きくならないようにしてください。ストレッサーが適用されると、試験片が変形する可能性もあります。
    8. TEMイオンビームバルブを開き、ファラデーカップを取り外して、実験試料をイオン照射にさらします。ファラデーカップを挿入し、ビームラインにバルブを閉じて露光を一時停止します。ファラデーカップは、バルブの損傷を防ぐために、TEMバルブを閉じる前に挿入する必要があります。
      注意: TEM内のガン圧力は、安全な操作レベルのためにメーカーが指定したしきい値を超えないように監視する必要があります。イオンビーム曝露中にサンプルまたはステージが重大なガス放出を発生している場合は、真空を回復するために曝露を停止する必要がある場合があります。
    9. 画像やビデオを録画して、微細構造の進化を文書化します。
  2. 追加のイメージングモード
    1. 粒子の相対方位をマッピングするには、10 nmという低いサイズのすべての結晶子の結晶方位を識別できる技術である自動結晶方位マッピング(ACOM)を使用します。ソフトウェアシステムは、歳差運動ビームによる回折パターンの収集を自動化し、そのインデックス化により方位マップ52が得られる。
    2. 超高速イベントの場合は、高速デフレクターを使用してください。これは、投影された電子をカメラのさまざまな象限に高速で偏向させる磁気レンズであり、フレーム時間を桁違いに効果的に増加させます。これは、単一のフレーム53でマイクロ秒の時間スケールで発生するイベントをキャプチャするために用いることができる。
    3. 試料の傾斜系列をキャプチャすることで電子線トモグラフィーを行い、その後ソフトウェアで再構成を行います。これにより、試料の三次元構造が明らかになり、体積分布54の分析に用いることができる。
    4. スルーフォーカスシリーズをキャプチャすることにより、電子ホログラフィー測定を行います。この測定は、ボイド、気泡、およびナノ粒子55を区別するために用いることができる。
    5. 弱いビーム暗視野を使用して、イオンビームによって引き起こされた転位と損傷を観察します。単結晶の2ビーム条件は、転位特性と密度50を測定するために使用されます。

結果

in situイオン照射TEM実験は、いくつかの材料系およびいくつかの異なる試料調製方法を用いて行われてきた14,32,56,57,58,59,60,61,62,63,64,65,66,67、 68,69,70, 71,72,73,74,75.以下は、この多様性を示すいくつかの選択されたシステムです。サンプル調製方法には、ナノ粒子ドロップキャスティング、薄膜フロートオフ、半月格子上の断面FIBリフトアウト、プッシュツープルフォイル、ナノピラーなどがあります。

ここで強調されているのは、金ナノ粒子(NP)60に対する単一イオンストライクの影響に関する実験である。照射窓内の粒子の数密度は、液滴が乾燥するにつれてNPを引き寄せる毛細管力を利用して制御されました。中心から落ちることで、液滴はNPをディスクの端に向かって引き寄せます。損傷のアクティブなメカニズムは、イベントの前後の違いを取ることで強調できます(図5)。この測定により、表面クレーターの生成、スパッタリング、フィラメント形成、粒子の断片化など、単一の自己イオン照射によって誘発される損傷のいくつかのメカニズムが明らかになり、損傷の種類はイオンエネルギーに依存します。フィラメントの形成は低イオンエネルギーで見られますが、クレーター形成、スパッタリング、および粒子の断片化は高イオンエネルギーで観察されます。これらの異なるエネルギーレジームは、電子的および核的な停止力の影響を調査するために使用できます。

figure-results-1597
図5:サイズが小さくなったNPにおける単一の46keVイオンの影響。 倍率はすべての顕微鏡写真で同様であることに注意してください。顕微鏡写真の各ペアは1フレーム(ここでは約0.25秒)で区切られています。(A-C)60 nmのNPに1回のイオンストライクが加わると、白い矢印でマークされた表面クレーターが形成されました。パネル(c)は、(a)と(b)の間の変化を強調する画像の違いを示しています。(a)にのみ存在する特徴は暗く、(b)にのみ存在する新しく形成された特徴は明るく見えます。(D-F)20 nm NPにクレーターを形成する単一のイオン。パネル(f)は、(d)と(e)の差分画像を示しています。この図は、ケンブリッジ大学出版局60の許可を得て変更されています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Auのナノ結晶薄膜をin situマルチビームTEM実験用に作製しました。サンプルは、パルスレーザー堆積によってNaCl基板上に堆積され、脱イオン水中でMoTEMグリッド上に浮かび上がりました。サンプルを真空炉で300°Cで12時間アニールし、堆積したままの準安定ナノ結晶構造を緩和し、超微粒サイズの多結晶金を得ました。

本研究では、2.8 MeV Au4+ イオンを用いて中性子照射を模擬しています。エネルギーはSRIMモデリングに基づいて選択され、膜厚内でピークダメージが発生します(図6a)。同時10 keV He+ は、中性子線による核反応によるα粒子の生成をシミュレートします。Heイオンエネルギーは、イオンが通過するのではなく、箔の厚さ内に注入されるように選択されます(図6b)。

figure-results-2918
図6:SRIMモデリング。 SRIMは、さまざまなイオン種を照射したAuの深さの関数として、(a)変位プロファイルと(b)濃度プロファイルを計算しました。合計dpaプロファイル(D + He + Au)は、(a)に紫色の星で示されます。フィット感のあるラインは目安です。この図は、MDPI17 の許可を得て変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

その後、材料にAuイオンを照射し、フルエンスに対する損傷を観察しました。この微細構造は、高エネルギーイオンによって誘発される欠陥を生じさせました(図7)。曝露時間の増加、したがってフルエンスの増加に伴い、損傷は直線的に増加しました。高線量では、損傷部位の濃度が高すぎて確実に定量できません。

figure-results-3650
図7:損傷箇所を示すTEM画像。 4.85 ×10 8、1.45 × 1012、3.39 × 10 12 イオン/cm2 の線量率で、9.69 × 1010 10 (a–c) および 9.38 × 10 8 イオン/cm2 (e–g) の線量率を使用して、in situ 2.8 MeV Au4+ を Au 箔に照射した TEM 画像。(d,h)は、時間とともにダメージスポットの数が直線的に増加することを示しています。TEMの画像は全て同じ倍率で撮影しました。この図は、MDPI17 の許可を得て変更されています。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

複数のビームが同時に材料と相互作用する影響を調べるために、次にAuに対して二重および三重のイオンビーム照射を行います(図8)。空洞の核形成、成長、進化が測定されます。

figure-results-4504
図8:共振器の成長を示すin situのTEM画像。 (a–d)5 keV D + 1.7 MeV Auのダブルイオン照射による空洞成長と、(e–h)10 keV He、5 keV D、2.8 MeV Auの3重イオン照射による空洞形成と崩壊を時間の関数として示したin situ TEM画像。破線の円は、各画像内の関心のあるキャビティを強調表示します。この図は、MDPI17 の許可を得て変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

Zrの照射誘起クリープを調べるために、シリコンオン絶縁体ウェーハ上にZr薄膜をスパッタリングして堆積させ、続いてフォトリソグラフィーパターニングを行い、その後に深い反応性イオンエッチングを行うことにより、微小電気機械システム(MEMS)デバイスを作製しました。 図9 は、自立型Zr試験片と、in situ引張試験を可能にするSiプッシュツープル試験フレームを示しています。1.4 MeV Zrイオンを用いて荷重下試料に照射し、Zrの照射クリープ応答を決定しました。TEMで実験を行うことで、ナノスケールでのダイナミックなメカニズムを観察することができます。測定により、テクスチャの変化と試料の延長が明らかになります。薄い箔試料の形状、室温条件、および低レベルの照射損傷により、体積膨潤は予想されませんでした。これは、観察された気泡と空洞の形成の欠如によって確認されます。

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図9:その場の機械的試験。 (a)Zr引張サンプルの位置が強調表示されたプッシュツープルデバイスのSEM画像。(b)(a)からのデバイスの低倍率TEM像。(c)試験領域におけるナノ結晶Zr微細構造の高倍率明視野TEM像。この図は、Springer Nature75の許可を得て変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

追加の機械的ストレッサー状態は、in situイオン照射TEM実験中に同時に適用できます。 図10 は、Agナノピラー67の高温照射誘起クリープに関する研究を示している。これは、ピコインデンターを使用して、TEM試験片に制御された応力を適用します。ピラーは、Si上に成長させた厚さ1μmのAg膜をFIBミリングで作製しました。柱に3MeV Ag³+ イオンを照射しました。試料は、イオンビームと電子ビームの両方と一致する1064nmレーザービームで加熱されました。この研究の結果は、照射と温度の組み合わせにより、室温照射と高温の熱クリープよりも桁違いに速いクリープ率が得られることを示しています。

figure-results-6424
図10:放射線によるクリープ。 75 MPaおよび125 MPaの荷重応力における放射線誘起クリープ速度とピラー径の関係(左)、3 MeV Agイオンを照射したAgナノピラーにおけるin situTEM放射線誘起クリープのビデオ記録から選択したフレーム(右)。この図は、Elsevier67の許可を得て変更されています。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

浅いイオン照射のためのナノピラーの調製に関する考察は、Hosemannらによって詳細に説明されています76。考慮すべき重要な要素の1つは、ナノピラーの形状です。この小さなスケールでは、理想的な形状からの逸脱は、機械的性能に大きな影響を与える可能性があります。直角プリズムチップは、環状フライス形状のチップが先細になっているため、円筒形のチップよりもはるかに優れています。

これらの代表的な結果は、in situイオン照射TEMで可能なさまざまな材料システム、調製方法、および複雑な環境を示しています。いずれの場合も、意味のあるデータを抽出するには、慎重なサンプル調製と実験パラメータの計画が重要です。これらの考慮事項の詳細については、以下で説明します。

ディスカッション

このドキュメントで説明されている手順は、サンディア国立研究所のI3TEM施設に固有のものですが、一般的なアプローチは他のin situイオン照射TEM施設にも適用できます。Workshop On TEM With In situ Irradiation (WOTWISI) という施設グループがあり、イオン加速器電子顕微鏡について議論する会議を年2回開催しています。日本には、日本原子力研究所(JAERI)8、物質・材料研究機構(NIMS)9など、いくつかの施設があります。また、in situイオン照射が可能な施設として、ハダースフィールド大学77のMIAMI(Microscope and Ion Accelerator for Materials Investigations)施設があります。200 kVで動作するFEI Tecnai G2 20 TEMを装備し、IRMAイオン注入装置と結合したCSNSM-JANNUS Orsay施設78。アルゴンヌ国立研究所のIVEM-タンデム施設は、原子力科学ユーザー施設10です。これらの施設は、イオン加速器を異なる方法で統合するため、イオンビームと電子ビームの交差角度が独特になります。日本の施設の中には、電子ビームから30-45°の角度でイオンビームを導入しているところや、ANLやMAIMIも同様に30°のJANNUSで68°の角度でイオンビームを導入しているところがあり、I³TEMや武漢大学では電子ビームに垂直なイオンビームを設置しているところもあります。

サンプルの材料と開始形態に応じて、TEM用の試料を調製するためにさまざまな手法を使用することができます。試料は、TEMでイメージングするために十分に薄い(約100nm未満)必要があります。試料調製のためのいくつかの方法は、TEMサンプル調製法のハンドブック37に記載されています。最も容易なのは、容易にドロップキャストできるナノ粒子です。可溶性基板上に堆積した薄膜も非常に簡単に調製できます(図2)。バルク金属材料は、薄く研磨した後、穴の周りがTEM観察に十分な薄さのジェットポリッシュでパンチスルーすることで調製できます。集束イオンビーム(FIB)リフトアウト法は、TEM用のさまざまな材料を調製するためのよく知られた方法であり、以前に詳細に説明されています39,79,80。この手法の主な利点の1つは、粒界や相境界などの部位を選択的に調べることができることです。もう一つの利点は、フォイル、ナノテンション、ナノピラー、アトムプローブ針など、追加の応力環境や相関研究のためのさまざまなサンプル形状が可能なことです。in situイオン照射実験用のFIB調製試料の欠点は、FIBプロセスによって誘発される損傷が実験中に蓄積された損傷を畳み込み、定量的な観測値を決定することが困難になることです。生物学的サンプルまたはポリマーサンプルは、クライオFIBまたはクライオミクロトミーで調製できますが、これらのプロセスについてはここでは詳しく説明しません。

イオンビームの注入や照射実験を計画する際には、イオンに関するいくつかの重要なパラメータを考慮する必要があります。浸透深度、フラックス/フルエンス、および放射線損傷は、放射線の影響を調査する際に制御されることが多い変数です。これらのパラメータは、さまざまなシミュレーション手法を使用してモデル化されます。Stopping Range of Ions in Materials(SRIM)は、イオン21,81の高エネルギービームにさらされた材料のイオン沈着プロファイルを計算するために書かれたモンテカルロシミュレーションです。SRIMに代わるものとして、ロビンソンモデル82があり、さまざまな関数を使用して、材料中の高エネルギーイオン相互作用のさまざまな物理をモデル化します。別の選択肢は、イオンビーム実験83での使用に適合させることができる、航空宇宙アプリケーションにおける単一事象効果のために開発されたモデルである。SRIMは、Kinchin-Pease84方程式を使用して、放射線による原子の変位をモデル化します。このソフトウェアは使いやすく、さまざまなイオン、ターゲット元素、イオンエネルギーを迅速に計算でき、さまざまな有用な出力が得られます。ただし、ソフトウェアには使用するモデルの選択肢が限られており、モンテカルロプログラムであるため、シミュレーションが大きくなるほど、多くの反復が必要であり、実行に比例して時間がかかります。ロビンソンモデルは、実験結果との一致度が高いKinchin-Pease方程式84の修正版を利用していますが、使用がより困難です。SRIMの普及と使いやすさから、SRIMの使用方法はここで適用され、一般的には工業標準となっています。

マルチビームin situ TEMを検討する際の主な制限の1つは、サンプルの形状です。投影イメージング技術としてのTEMと線形イオンビームの性質により、電子ビームまたはイオンビームのシャドーイングが実験に影響を与える可能性があります。電子ビームやイオンビームからの影は、試料のステージ、マウント、さらには試料の他の部分から形成することができます。ステージによるサンプルのシャドウイングを避けるために、ほとんどのステージには25°から40°のチルト制限があります。また、サンプルがそれ自体を影付けしたり、TEMグリッドによって影が引かれたりする形状についても、さらに考慮する必要があります。そのため、試料を埋込む際は、影が薄くなる可能性ができるだけ少なくなるように取り付けるように注意してください。ポストグリッドにサンプルをFIBで取り付ける場合、これはポストの端の最も遠い位置と最も高いポイントに取り付けることを意味します。

複数のイオン種を同時に照射する実験には限界があります。異なるイオン種は異なる加速器または源によって生成されるため、2番目のビームは磁石によって最初のビームの経路に曲げる必要があります。記載されている計装のこの曲げ角度は約20°です。曲げが同一線上ビームになるためには、ビーム剛性の比率が高い必要があります。ビーム剛性(Bρ)は、全運動量を総電荷で割ったもので定義され、次のように計算できます。

figure-discussion-3315方程式 (4)

ここで、 p は運動量、 q は電荷、 β は粒子の曲げ速度比例性(β=ν/ c)、 m0 はイオンの静止質量、 c は光速、 γ は相対論的ローレンツ係数です。

figure-discussion-3642方程式 (5)

つまり、マルチビーム実験では、高エネルギーの重イオンと、AuやHeなどの低エネルギーの軽イオンを使用するのが最善です。同じ加速器で複数のビームを生成する場合、それらは同じ質量/エネルギー比( たとえば、4He+ と 2D2+)を持つ必要があります。イメージング条件もイオンビームに影響を与える可能性があります。高倍率イメージングモードの対物レンズ磁場は、イオンの経路を曲げるのに十分な強さを持つことができます。イオンビームを位置合わせする際に必要な解析のタイプに注意してください。

TEMのコントラストは、厚さ、相、結晶秩序、および化学的性質の違いから生じる可能性があります。調べる特徴に応じて、考慮すべき造影剤とイメージング条件にはいくつかの種類があります。回折コントラストと位相コントラストの背後にあるメカニズムを理解することは有用です。電子顕微鏡を操作して、2ビーム動的、明視野運動学的、および弱いビーム暗視野イメージング条件を実現する方法を理解することも有用です。これらについては、Jenkins and Kirk, 200050に詳細に説明されています。

転位を解析するには、異なる角度の複数の回折パターンにインデックスを付けて、逆空間格子ベクトル(g)を決定する必要があります。次に、2つのビームイメージング条件を使用して、転位のバーガースベクトルを決定できます(b)。弱いビーム暗視野では、転位をより高い解像度とコントラストでイメージングできます。この方法は、転位の密度が高い場合や部分的な部分が多い場合に適用されます。体積転位密度を計算するには、対象領域でホイルの厚さを正確に測定する必要があります。これは、電子エネルギー損失分光法や収束ビーム電子回折などの技術を使用して行うことができます。低角度の粒界の場合、境界内の転位は、2つのビーム動的条件下でネットワークとして区別できます。高角度の粒界では、1つの結晶粒が2つのビーム動的条件で画像化され、もう1つの結晶粒が運動学的条件で画像化されます。ツイン境界も同様に特徴付けることができます。フレネルイメージング条件は、ガスで満たされた気泡とボイドを視覚化するために使用されます。小さな空洞は、画像の焦点がわずかにずれている場合や運動学的回折条件にあるときに、より目立ちます。焦点が合っていない条件は、実際の直径を決定するために使用されます。気泡は、小さな気泡の場合に値を推定できるひずみ場を誘発することもできます。自動結晶方位マッピング(ACOM)は、走査型電子顕微鏡(SEM)の電子後方散乱回折(EBSD)と同様に、いくつかの粒子とその配向をマッピングするために使用されます。水晶が厚みを通している場合、回折パターンの重なりによる干渉を避けるのが最適です。

温度や機械的ストレスなどの他の外部ストレス要因を使用して実験を行うことが可能です。サンプル調製と実験上の考慮事項は、マルチビーム実験とほぼ同じです。材料に適した加熱方法や温度範囲を確保するように注意する必要があります。シャドウイングの影響を避けるために、ジオメトリも考慮する必要があります。加熱または機械的試験用の特別なホルダーには、特定の幾何学的制約があり、その仕様を参照する必要があります14。これらのストレッサーの組み合わせも可能です。In situの機械的試験では、適切な形状への追加のサンプル調製が必要です。引張、圧縮、曲げ、疲労、クリープなど、さまざまな荷重条件で機械的性能をテストするための実験に特化したステージがあります。in situ加熱は、アニール研究のための照射中と照射後の両方で行うことができます。MEMSベースの加熱ステージまたは導電性加熱ステージを使用して、最大1000°Cの温度を制御することができます。 in situレーザーを使用してサンプルを数千°Cに加熱することで、より高い温度を達成することができます33。サンプルは、in situホルダーを使用してさまざまな環境にさらすことができます。これには、さまざまなガス、液体、さらには腐食性環境も含まれます。

要約すると、in situマルチビームTEM実験は、極限環境をエミュレートし、ナノスケールで微細構造と材料の進化をリアルタイムで観察する能力を持っています。これらの実験から得られた動的プロセスを支配する基本的なメカニズムに関する洞察は、次世代材料の設計への道を開く予測モデルに情報を提供するのに役立ちます。実験が成功する可能性を最大限に高めるためには、説明されているようにサンプルを調製することが重要です。

開示事項

著者は何も開示していません。

謝辞

著者は、Daniel Bufford、Samuel Briggs、Claire Chisolm、Anthony Monterrosa、Brittany Muntifering、Patrick Price、Daniel Buller、Barney Doyle、Jennifer Schuler、Mackenzie Steckbeck の技術的および科学的な意見に感謝します。クリストファー・M・バールとハリド・ハッターは、エネルギー省科学局の基礎エネルギー科学プログラムの支援を受けました。この研究の一部は、米国エネルギー省(DOE)科学局が運営する科学局ユーザー施設であるCenter for Integrated Nanotechnologiesで行われました。サンディア国立研究所は、ハネウェル・インターナショナル社の完全子会社であるサンディアのナショナル・テクノロジー・アンド・エンジニアリング・ソリューションズ社が、米国エネルギー省の国家核安全保障局と契約DE-NA-0003525で管理・運営するマルチミッション研究所です。この記事で表明された見解は、必ずしも米国エネルギー省または米国政府の見解を表すものではありません。

資料

NameCompanyCatalog NumberComments
Colutron AcceleratorColutron Research CorporationG-110 kV ion accelerator
Cu Omniprobe Lift-Out Grid with 4 postsTed PellaDM71302Cu Omniprobe Lift-Out Grid with 4 posts
Double Tilt Cryo TEM StageGatanDT636Cryogenically cooled double tilt TEM holder
Double Tilt Heating TEM StageGatanDT652Resistive heater equipped double tilt TEM holder
I3TEMJEOLJEM-2100Modified transmission electron microscope for in-situ ion irradiation
IsopropanolFisher ScientificA459-470 % v/v isopropanol
Mo Omniprobe Lift-Out Grid with 4 postsTed PellaDM810113Mo Omniprobe Lift-Out Grid with 4 posts
Petri DishFisher ScientificCorning 31606060 mm diamter 15 mm height petri dish
Picoindenter TEM StageBruker HysitronPI95Picoindenter TEM Stage
Scios 2Thermofisher ScientficSCIOS2Dual beam focused ion beam scaning electron microscope
Tandem AcceleratorHigh Voltage Engineering Corporation6 MV Van de Graaff-Pelletron ion accelerator
Tomography TEM holderHummingbirdTEM holder for tomography measurements
TweezersPELCO5373-NMReverse action self closing fine tip tweezer

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