Name: quantitative atomic-site analysis of functional dopants/point defects in crystalline materials by electron-channeling-enhanced microanalysis
Uploaded: 2021-05-10T13:00:00
Duration: 7 min 24 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Quantitative Atomic-Site Analysis of Functional Dopants/Point Defects in Crystalline Materials by Electron-Channeling-Enhanced Microanalysis at JoVE.com

Эта работа была частично поддержана Гранты в помощь для научных исследований по Кибан-kenkyu (No 26249096), Инновационные области "Нано информатика" (No 25106004), и Вакате-kenkyu B (No 26870271) от Японского общества содействия науке.

1. Пример предварительной обработки
<ol><li>Тонкая подготовка пленки для TEM<ol>
<li>Подготовь образец для настоящего метода анализа с использованием стандартной электронной микроскопии передачи (TEM) методов подготовки образцов, таких как электрополисирование для металлических материалов, ионное фрезеровое покрытие для полупроводников или керамики, как правило, менее 100-200 нм для HARECXS, равномерно плоский над площадью 1 мкм. Подготовка более тонких (50-100 нм) образцов для HARECES в целом.</li>
	</ol>
</li>
	<li>Образец монтажа в TEM<ol>
<li>Намонтировать тонкую пленку, подготовленную на двойном наклоне держателя образца TEM, а затем вставить держатель в TEM, оснащенный режимом сканирования и детектором EDX(рисунок 1).</li>
	</ol>
</li>
</ol>2. Работа TEM (специфичная для JEM2100 STEM с опцией раскачивания пучка)
<ol><li>Выравнивание TEM для лучевой качания<ol>
<li>Начало работы TEM. После обычной процедуры выравнивания пучка TEM перейдите в режим STEM, проверив дисплей сканирования вложений (ASID) в окне ASID в мониторе управления TEM (TCM, рисунок 1 и рисунок 2).</li>
	</ol></li>
	<li>Выравнивание оптической оси<ol>
<li>Нажмите кнопку Rocking в окне ASID TCM, а затем нажмите кнопку Spot в простом изображении Viewer (SIV), чтобы остановить луч-качалки (Рисунок 2). Удалите образец из поля зрения. Установите диапазон луч-качалки меньше, чем ±2 ", нажав на кнопки Mag приращения / decrement.</li>
		<li>Включите ручку Brightness на левой панели операции (LOP: Рисунок 3) по часовой стрелке до предела, а затем, повернув ручку OBJ FOCUS COARSE правой панели операции (ROP: Рисунок 3) против часовой стрелки до нецеленаправленного состояния: ековное пятно (Рисунок 4) появляется на экране флуоресцентного просмотра.</li>
		<li>Нажмите клавишу функции BRIGHT TILT (LOP) и переместите екотическое пятно в центр флуоресцентного экрана с помощью пары ручек DEF/STIG X/Y (L/ROP).</li>
		<li>Нажмите кнопку Standard Focus (ROP), а затем поверните ручку BRIGHTNESS обратно против часовой стрелки, чтобы на флуоресцентном экране появилось альтернативное екотическое пятно.</li>
		<li>Нажмите клавишу функции F3 (ROP) (или нажмите кнопку Spot в окне 'Выравнивание панели для обслуживания' на TCM) и переместите пятно луча в центр, используя пару ручки DEF/STIG X/Y.</li>
		<li>Повторите шаги 2.2.2-2.2.5 до тех пор, пока положение пучка не останется в центре, даже если состояние объектива переключается на шаге 2.2.2 и 2.2.4.</li>
	</ol></li>
	<li>Коллимация луча инцидента и установка его точки разворота<ol>
<li>Ввести третий по величине конденсатор диафрагмы в центре оптической оси, повернув ручку диафрагмы по часовой стрелке с его положением вручную регулируется с двумя прикрепленными винтами (Рисунок 1). Затем отрегулируйте стигмат конденсатора объектива, чтобы исправить форму луча, чтобы быть коаксиально defocused, повернув ручку BRIGHTNESS в обоих направлениях, используя пару DEF / STIG ручки с ключом COND STIG на.</li>
		<li>Нажмите клавишу HT WOBB (ROP) и отрегулируйте ручку BRIGHT TILT, чтобы свести к минимуму колебания размера луча с изменением напряжения ускорения. Этот процесс регулирует минимальный угол конвергенции луча. Нажмите клавишу HT WOBB снова, чтобы остановить HT воблер.</li>
		<li>Активировать режим обслуживания (обратитесь к руководству производителя). Выберите JEOL из бара меню → окна Scan/Focus → scan Control в TCM. Затем нажмите кнопку Cor и нажмите кнопку сканирования вместо пятна в панели управления изображением SIV.</li>
		<li>Чтобы свести к минимуму сдвиг пучка с лучом качания, настроить пару DEF / STIG ручки, а затем поворот OBJ FOCUS FINE ручку немного против часовой стрелки. Наконец, сотойте высоту выборки и точки разворота с помощью клавиш управления (ROP), чтобы образец был сфокусирован на флуоресцентном экране.</li>
	</ol></li>
	<li>Окончательное выравнивание пучка для получения электронно-ченнеинговой модели образца<ol>
<li>Переместите область интереса образца обратно в центр и начните раскачивание луча, нажав кнопку Сканирования в окне SIV. Вручную поверните по часовой стрелке цилиндр детектора кольцевого темного поля (ADF)(рисунок 1)и вставьте детектор.</li>
		<li>Установите положение детектора ADF в центре положения луча, отрегулив пару ручек DEF/STIG с ключом PLA (LOP: Рисунок 3). Проверьте кнопку STEI-DF в меню Image Select окна ASID, а монитор STEM в окне SIV отображает шаблон электронного ченнектива (ECP). Отрегулируйте яркость/контрастность в окне ASID, чтобы лучше всего увидеть ECP. Слегка поверните ручку BRIGHTNESS, чтобы увидеть контраст ECP острым.</li>
	</ol></li>
	<li>Получение данных для HARECXS компанией EDX<ol>
<li>Оперив STEM в режиме луча-качания, соберите спектры EDX, следуя обычному методу спектрального изображения (используя функцию спектральной визуализации на рисунке 5)в качестве функции угла наклона пучка в направлениях x и y и отображения распределения элементарной интенсивности для указанных элементов, как показано на рисунке 5. ПРИМЕЧАНИЕ: Шаблон распределения интенсивности называется шаблоном ионизации (МСП).</li>
		<li>Используйте функцию сканирования линий на рисунке 5 для измерения наклона 1D систематического ряда отражений. В предварительном просмотре ECP отображается желтая стрелка для указать измерительный диапазон, как показано на верхней левой панели на рисунке 5. Остановить измерения, когда будет получена достаточная статистика данных по МПС.</li>
	</ol></li>
</ol>3. Анализ данных для количественной оценки
<ol><li>Экспресс рентгеновской интенсивности Ix для примесей x в следующей форме в качестве функции интенсивности рентгеновского излучения I iиз элемента хозяина i,12  <img alt="Equation 1" src="/files/ftp_upload/62015/62015eq01v2.jpg"> где <img alt="Equation 2" src="/files/ftp_upload/62015/62015eq02v2.jpg"> ПРИМЕЧАНИЕ: Здесь, fix является дробной занятости примеси х на типе я хост-сайт, с х является концентрация примесей х, ия дробной концентрации типа я принимающей элемент среди общего хост-сайтов до размещения атомов примеси типа х. ki k-фактор типа я хозяин элемент. Дополнительная постоянная компенсация βx была введена в качестве дополнительного установленного параметра для учета различий в делокализации взаимодействия и ошибок в фоновом вычитании. αix может быть получена из экв. (1) многовариантной линейной регрессией для многих точек выборки рентгеновской интенсивности ICP.</li>
	<li>Получить cx и fix используя условие яfix й 1 как12 <img alt="Equation 3" src="/files/ftp_upload/62015/62015eq03v2.jpg"> Неопределенность в cx и f ix для нескольких примесей легко вытекает из принципа распространения ошибок: <img alt="Equation 4" src="/files/ftp_upload/62015/62015eq04v2.jpg"> и <img alt="Equation 5" src="/files/ftp_upload/62015/62015eq05v2.jpg"> где δ αix является статистическая погрешность, полученная в линейной регрессии от Eq. (1).</li>
</ol>

<ol>
	<li>Rietveld, H. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+profile+refinement+method+for+nuclear+and+magnetic+structures.">A profile refinement method for nuclear and magnetic structures.</a> Journal of Applied Crystallography. 2, 65-71 (1969).</li><li>Izumi, F., Ikeda, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+Rietveld-analysis+program+RIETAN-98+and+its+applications+to+zeolites.">A Rietveld-analysis program RIETAN-98 and its applications to zeolites.</a> Materials Science Forum. 321-324, 198-203 (2000).</li><li>Rose, H. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Optics+of+high-performance+electron+microscopes.">Optics of high-performance electron microscopes.</a> Science and Technology of Advanced Materials. 9, 014107 (2008).</li><li>Muller, D. A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Atomic-scale+chemical+imaging+of+composition+and+bonding+by+aberration-+corrected+microscopy.">Atomic-scale chemical imaging of composition and bonding by aberration- corrected microscopy.</a> Science. 319, 1073-1076 (2008).</li><li>Spence, J. C. H., Taft&#248;, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=ALCHEMI:+A+new+technique+for+locating+atoms+in+small+crystals.">ALCHEMI: A new technique for locating atoms in small crystals.</a> Journal of Microscopy. 130, 147-154 (1982).</li><li>Taft&#248;, J., Spence, J. C. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Crystal+site+location+of+iron+and+trace+elements+in+an+Mg-Fe+olivine+using+a+new+crystallographic+technique.">Crystal site location of iron and trace elements in an Mg-Fe olivine using a new crystallographic technique.</a> Science. 218, 49-51 (1982).</li><li>Yasuda, K., Yamamoto, T., Matsumura, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=The+atomic+structure+of+disordered+ion+tracks+in+magnesium+aluminate+spinel.">The atomic structure of disordered ion tracks in magnesium aluminate spinel.</a> Journal of Microscopy. 59, 27 (2007).</li><li>Tatsumi, K., Muto, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Local+electronic+structure+analysis+by+site-selective+ELNES+using+electron+channeling+and+first-principles+calculations.">Local electronic structure analysis by site-selective ELNES using electron channeling and first-principles calculations.</a> Journal of Physics Condensed Matter. 21, 1-14 (2009).</li><li>Yamamoto, Y., Tatsumi, K., Muto, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Site-selective+electronic+structure+of+aluminum+in+oxide+ceramics+obtained+by+TEM-EELS+analysis+using+the+electron+standing-wave+method.">Site-selective electronic structure of aluminum in oxide ceramics obtained by TEM-EELS analysis using the electron standing-wave method.</a> Materials Transactions. 48, 2590-2594 (2007).</li><li>Tatsumi, K., Muto, S., Nishida, I., Rusz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Site-specific+electronic+configurations+of+Fe+3d+states+by+energy+loss+by+channeled+electrons.">Site-specific electronic configurations of Fe 3d states by energy loss by channeled electrons.</a> Applied Physics Letters. 96, 201911 (2010).</li><li>Tatsumi, K., Muto, S., Rusz, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Energy+loss+by+channeled+electrons:+A+quantitative+study+on+transition+metal+oxides.">Energy loss by channeled electrons: A quantitative study on transition metal oxides.</a> Microscopy and Microanalysis. 19, 1586-1594 (2013).</li><li>Muto, S., Ohtsuka, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=High-precision+quantitative+atomic-site-analysis+of+functional+dopants+in+crystalline+materials+by+electron-channelling-enhanced+microanalysis.">High-precision quantitative atomic-site-analysis of functional dopants in crystalline materials by electron-channelling-enhanced microanalysis.</a> Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials. 63, 40-61 (2017).</li><li>Yamamoto, Y., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+analysis+of+cation+mixing+and+local+valence+states+in+LiNixMn2-xO4+using+concurrent+HARECXS+and+HARECES+measurements.">Quantitative analysis of cation mixing and local valence states in LiNixMn2-xO4 using concurrent HARECXS and HARECES measurements.</a> Microscopy. 65, 253-262 (2016).</li><li>Ohtsuka, M., Muto, S., Tatsumi, K., Kobayashi, Y., Kawata, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Quantitative+determination+of+occupation+sites+of+trace+Co+substituted+for+multiple+statistical+beam-rocking+TEM-EDXS+analysis.">Quantitative determination of occupation sites of trace Co substituted for multiple statistical beam-rocking TEM-EDXS analysis.</a> Microscopy. 65, 127-137 (2016).</li><li>Ohtsuka, M., Oda, K., Tanaka, M., Kitaoka, S., Muto, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=2D-HARECXS+analysis+of+dopant+and+oxygen+vacancy+sites+in+Al-doped+yttrium+titanate.">2D-HARECXS analysis of dopant and oxygen vacancy sites in Al-doped yttrium titanate.</a> J. Amer. Ceram. Soc. , (2021).</li><li>. QED for DigitalMicrograph Available from: <a target="_blank" href="https://www.hremresearch.com/Eng/plugin/QEDEng.html">https://www.hremresearch.com/Eng/plugin/QEDEng.html</a> (2020)</li></ol>

Авторов нечего раскрывать.

Критическими шагами в протоколе являются возможность точного выравнивания луча-качалки инцидента, который имеет небольшой угол сближения с точкой разворота, которая недвижима в указанной области, описанной шагами 2.2-2.3. Использовался коллимированный луч инцидента с полуугольом конвергенции размером не более 2 мрад. Размер луча 400 нм и диаметр 1 мкм можно выбрать, установив конденсаторную диафрагму #4 (10 мкм в диаметре) и #3 (30 мкм) в нынешней аппаратной системе.
Преимущества настоящего метода заключается в том, что i) не требуется никаких передовых STEM-инструментов, таких как скорректированный на аберрацию STEM или даже полевой эмиссионной электронной пушкой; ii) многие точки выборки (например, 4000 точек для области сканирования 64 × 64 пикселей 2 )могут быть автоматически собраны свысокой эффективностью, при работе обычной процедуры спектральной визуализации STEM на стороне анализатора, и (iii) несколько спектроскопических методов, таких как EDX, EELS и катодомисценция могут одновременно работать в единой интегрированной системе, которая позволяет мультимодальный анализ13.
Поскольку экспериментальные ПМПС можно точно предсказать с помощью теоретического моделирования, метод может быть применен не только к случаям, когда кристалл интереса содержит несколько неоценимых атомных участков длядопинг-элемента 14. Продолжаются дальнейшие расширения, такие как обнаружение концентраций вакансий и связанных сними перемещений элементов-15, идаже заказ допантов, сегрегированных вдоль границ зерна керамики. Настоящий метод может обеспечить значительный альтернативный метод, применимый к относительно толстым образцам в отличие от анализа атомных столбов за столбом с использованием скорректированного аберрации STEM, который требует подготовки очень тонких высококачественных образцов (< 10 нм).
Атом сайта селективного электронного анализа состояния с использованием TEM-EELS (HARECES), а не EDXвозможно 8,9,10,11. Для автоматического измерения рекомендуется использовать опцию «ALCHEMI» в программном обеспечении для управления лучом «ЗЕД», которое работает на Gatan Microscope Suite, поставляемом HREM Research Inc16. При измерении HARECES необходимо обеспечить, чтобы передаваемый луч был удален от положения детектора EELS и перпендикулярно систематическому ряду в последовательности наклоналуча 8.
Ограничением этого метода является минимальный размер луча обыкаемого электронного луча, который ограничивает минимальную измеренную площадь примерно 400 нм. Это связано с аберрацией системы объектива TEM, при которой центр поворота движется дальше радиуса луча для меньшего размера луча, который может быть изменен в будущем путем изменения параметра тока дефлектора TEM, чтобы компенсировать блуждание пучка.
Если используемый микроскоп не имеет режима лучевой качания, очень похожая операция достигается с помощью программного обеспечения ЗД, которое также устраняет ограничения, так как программное обеспечение может исправить точку разворота, движущийся даже в режиме нанолуча. Для S/TEMs производства компании FEI (в настоящее время входит в Thermo Fisher Scientific), скрипты TIA, код с открытым исходным кодом могут управлять всеми функциями S/TEM и прикрепленными детекторами через ПК. Последовательные приобретения данных EDX/EELS с последовательным наклоном пучка инцидента были выполнены с помощью программы сценариев TIA, запущенной на платформе изображений и анализаTEM 13.

С требованием сокращения большинства современных промышленных продуктов становится все более и более важным понимать физические/химические свойства материалов с микроскопической точки зрения, иногда с точки зрения пространственных/электронных структур атомного масштаба. Новые свойства часто обнаруживаются неожиданно при синтезе материалов методом проб и ошибок, выбирая различные числа или виды элементов, хотя современные методы измерения и ab initio теоретические расчеты, основанные на функциональной теории плотности, позволили разработать новые материалы с улучшенными свойствами без трудоемких экспериментов проб и ошибок. Например, некоторые атомы-хозяина заменяются другими элементами, которые могут улучшить целевое свойство в результате экспериментальных или теоретических соображений. В этом контексте важный компонент экспериментальной информации выносяся из детального знания положения каждого компонента в атомной структуре материала.
Рентгеновские и/или нейтронные методы дифракции широко используются не только потому, что структурныйанализ,основанный на анализе Rietveld1,2 методов, был хорошо установлен и открыт для общественности, но и благодаря развитию рентгеновских источников высокого потока (например, синхротронных радиационных объектов) и современных нейтронных источников, которые легко доступны для общих исследователей. Тем не менее, эти методы требуют образцов с однородными структурами, и они также требуют Rietveld подходят между экспериментальными и теоретическими наборами диффрактных пиковых интенсивностей с использованием структурных факторов. Таким образом, может быть трудно провести различие между различными элементами, если их структурные факторы близки друг к другу, например, в рентгеновской дифракции соседних элементов в периодической таблице.
В большинстве современных передовых материалов композиции, осадки, размер зерна и примеси корректируются и оптимизируются, чтобы максимизировать желаемую роль в масштабе нанометра. Это означает, что эти материалы требуют характеристики в масштабе нанометра или даже суб-нанометровой шкалы, чтобы исследовать, синтезируются ли они по мере их использования. В этом контексте его можно было бы наилучшим образом достичь с помощью электронной микроскопии передачи (TEM) и связанных с ней аналитических методов.
Недавнее драматическое развитие сканирования TEM (STEM) в эти десятилетия, особенно на основе технологий коррекции аберрации, ускорило современный метод, чтобы выявить структуру материала и его элементарное распределение в атомноммасштабе 3,4. Этот метод, однако, требует точного установления кристаллического материала параллельно оси зоны низкого порядка и крайней стабильности прибора во время измерения, что является недостатком. Таким образом, мы демонстрируем альтернативный метод, который не требует таких ограничений, коррекции аберрации, или даже полевого излучения электронной пушки.
Электрон ченнеление в кристаллическом материале происходит, если инцидент электронный луч распространяется вдоль конкретных атомных плоскостей или колонн, что зависит от направления инцидента высокой энергии электронного луча по отношению к хрустальным осям, где соответствующий набор отражений Брэгга и ошибка возбуждения каждого отражения в TEM выбраны. Сайт-специфический энергодисперсивный рентгеновский (EDX или иногда условно EDS) метод анализа, который использует электронную ченнеляцию называется расположение атома путем ченнелизованного электронного микроанализа (ALCHEMI) метод для оценки заполняемости принимающих атомных участковпримесями 5,6. Этот метод был распространен на более сложный и количественно надежный подход, называемый рентгено-спектроскопией электрон-канала высокого разрешения (HARECXS), для определения примесей/допантов. Это реализуется путем сравнения экспериментальных кривых пучка-качания с теоретическими моделированиями7. Этот метод далее распространяется на электрон-спектроскопию электрон-канала высокого разрешения (HARECES), которая записывает спектры потери энергии электрона (EELS) вместо EDX8. Это дает информацию о конкретном месте локальных химических состояний данного элемента в различных атомныхсредах 9,10,11. В тех случаях, когда каждый элемент хоста занимает один кристаллографический участок, простая линейная регрессия и применение нескольких формул к экспериментальному набору данных количественно определяет заполняемость участка примесей допинг без каких-либо теоретических симуляций.
В следующих разделах мы предоставляем подробные процедуры метода, специфичного для системы Jeol JEM2100 STEM, поскольку она явно оснащена режимом качания лучей в меню работы STEM. Для пользователей других микроскопов, пожалуйста, обратитесь к описаниям в заключительном абзаце раздела Обсуждение этой статьи.

<table border="1" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always">
	<tbody>
		<tr>
			<td>Electron Energy-Loss Spectrometer</td>
			<td>Gatan Inc.</td>
			<td>Enfina1000</td>
			<td>Parallel EELS detector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Energy dispersive X-ray detector</td>
			<td>JEOL Ltd.</td>
			<td>SD30GV</td>
			<td>EDS silicon drift detector</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Gatan Microscope Suite (GMS)</td>
			<td>Gatan Inc.</td>
			<td>ver. 2.3.</td>
			<td>Integrated software platform for controling cameras, detectors, S/TEM and data analysis</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>QED</td>
			<td>HREM Research Inc.</td>
			<td>for GMS 2.3 32bit</td>
			<td>beam controlling software, running on the Gatan Microscope Suite</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>scanning transmission electron microscope</td>
			<td>JEOL Ltd.</td>
			<td>JEM-2100</td>
			<td>Beam-rocking mode option in ASID controlling window</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>TEMCON</td>
			<td>JEOL Ltd.</td>
			<td></td>
			<td>Control software for JEM 2100</td>
		</tr>
		<tr>
			<td>Thermo NSS software</td>
			<td>Thermo Fischer Scientific Inc., USA</td>
			<td></td>
			<td>EDS control software</td>
		</tr>
	</tbody>
</table>

quantitative atomic-site analysis of functional dopants/point defects in crystalline materials by electron-channeling-enhanced microanalysis

Вводится новая схема элементарного и химического анализа, основанная на явлениях электронного канала в кристаллических материалах, где инцидент высокой энергии электронного луча раскачивается с субмикрометрической точкой разворота, закрепленной на образце. Этот метод позволяет нам количественно получать заполняемость участка и зависимую от участка химическую информацию о примесях или намеренно обрезать функциональные элементы в образце, используя энергодисперсивную рентгеновской спектроскопию и электронную энергоемкую спектроскопию, прикрепленную к сканирующей передаче электронного микроскопа, что представляет значительный интерес для современных материаловедений, особенно связанных с нанотехнологиями. Эта схема применима к любой комбинации элементов, даже если обычный анализ Rietveld с помощью рентгеновской или нейтронной дифракции иногда не обеспечивает желаемых результатов из-за ограниченных размеров выборки и факторов близкого рассеяния соседних элементов в периодической таблице. В этой методологической статье мы демонстрируем базовый экспериментальный метод процедуры и анализа нынешнего микроанализа, качающей луч.

Экспериментальный ECP для BaTiO3 и ICPs Ba-L, Ti-Kαи O-Kα вблизи осей зоны «100» и «110» показаны на рисунке 6A и рисунке 6B,соответственно. Каждый составной элемент демонстрирует определенный ПМС, указывая, что ПМС является атомной площадкой12.
В качестве фундаментального примера применения, мы рассмотрели Eu3 "-допингCa2SnO4, который демонстрирует сильные красные выбросы, полученные из 5D0-7F2 электрический диполь переход трехвалентных ионов Eu (Eu3"). Учитывая критерий сходства ионных радиусов, было бы более уместно предположить, что Eu3 "занимает Сайты Ca2", потому что Eu3 "значительно близко по размеру к Ca2", чем sn4 ". Тем не менее, Rietveld анализ порошка рентгеновской дифракции данных показали, что Eu3 "в равной степени занимали Ca2" и Sn4 "сайтов, по-видимому, потому, что местный критерий нейтралитета заряда доминирует в этом случае. Eu и Y совместно допинг образца Ca1.8Y0.2Eu0.2Sn0.8O4 затем синтезировался, потому что Y3 "ионов с меньшим ионическим радиусом преимущественно занимают меньше катации (Sn4") сайты, изгоняя больше Eu3 "ионов из Sn4" сайт в больших Ca2 "сайт без изменения баланса заряда. Как и ожидалось, Ca1.8Y0.2Eu0.2Sn0.8O4 продемонстрировали более сильный выброс, чем Ca1.9Eu0.2Sn0.9O4 образца. Более сильное красное излучение в совместно допинг-образце объясняется увеличеннойдолей ионов Eu 3, занимающих асимметричный участок Ca, координируемый семью атомами кислорода, что усиливает электрический дипольный момент по сравнению с симметричным шестикоординным участком Sn.
Подготовлена серия из е-й и Y совместно допинг-образцов поликристаллическихобразцов с номинальными композициями Ca 1.9Eu0.2Sn0.9O4 и Ca1.8Eu0.2Y 0.2Sn0.8O4, а заполняемость участка допантами определялась нынешним методом.
На рисунке 7 показаны ECP и ICPs Ca-K, Sn-L, O-K, Eu-L и Y-L для образца Ca1.8Eu0.2Y 0.2Sn0.8O4 образца вблизи зоны «100». МСП Eu-L был ближе к ПМС Ca-K, в то время как МСП Y-L был ближе к МСП Sn-L. Это говорит о том, что сайты по оккупации Eu и Y могут быть предвзятыми, как и ожидалось. Коэффициенты, αix для i q Ca, Sn, и x- Eu, Y выведены используя Eq. (1), где nCa q 2/3 и nSn 1/3. K-факторы составных элементов откалибровыются заранее с использованием справочного материала с известным составом, подробное обсуждение которого содержится в ref.12. Размещение участка fix (Eq. (3)) примесей и концентраций примесей c всех образцов замыкаются в таблице 1.
В Ca1.9Eu0.2Sn0.9O4,Eu3 "занимал Ca2" и Sn4 "сайтов в равной степени, в соответствии с результатами XRD-Rietveld анализа. В отличие от этого, Eu3 "и Y 3" занимали Ca2 "и Sn4" сайтов в соотношении примерно 7:3 и 4:6, соответственно, в совместно допинг образцов, значительно предвзятым, как ожидалось, но и поддержание состояния нейтралитета заряда в рамках нынешних экспериментальных accuracies12.
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62015/62015fig01.jpg"> Рисунок 1: Инструментальный прогноз. Jeol JEM2100 STEM и связанные с ним мониторы, детекторы и конфигурации рабочих панелей. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62015/62015fig01large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62015/62015fig2v2.jpg"> Рисунок 2: Расположение монитора управления TEM (TCM). Отображаются окна управления, необходимые для настоящего метода, и помекаются ключевые функции и кнопки. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62015/62015fig2v2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62015/62015fig3v2.jpg"> Рисунок 3: Левые/правые панели работы панелей S/TEM. (Слева) Левая панель (LOP). (справа) Правая панель операции. Помечены клавиши функции и функциональные ручки, необходимые для настоящего метода. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62015/62015fig3v2large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62015/62015fig04.jpg"> Рисунок 4: Каустик пятно изображения на флуоресцентном экране. Диаметр пятна колеблется несколько сантиметров на экране, в зависимости от значения дефокуса. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62015/62015fig04large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62015/62015fig05.jpg"> Рисунок 5: Появление монитора управления EDS. Предварительный просмотр электронного канала (ECP) в верхней левой панели определяет область измерения. Для измерений 1D наклона рентгеновский Linescan выбирается в левой панели, а диапазон измерений указывается желтой стрелкой в предварительном просмотре ECP. Периодическая таблица в левой нижней панели выбирает элементы шаблонов ионизации (ICPs), которые будут отображаться в верхней правой панели. Нижняя правая панель отображает накопленный шаблон EDS в режиме реального времени. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62015/62015fig05large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62015/62015fig06.jpg"> Рисунок 6: Экспериментальные ECPs и ICPs. (A: слева направо) ECP и ICPs Ba-L, T-K a , и O-K выбросы от BaTiO3, полученные путем луч-качалки вблизи оси зоны. (B: слева направо) То же самое, что и (A) возле осей зоны «110». Эта цифра была изменена с 12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62015/62015fig06large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/62015/62015fig07.jpg"> Рисунок 7. ECP и соответствующие рентгеновские ICPs от Ca1.8Eu0.2Y 0.2Sn0.8O4 путем луча-раскачивания вблизи оси зоны 100. (A)ECP. (B-F) ICPs Ca-Ka, Sn-L, O-Ka, O-Ka, Eu-L, и Y-L выбросов, соответственно. Эта цифра была изменена с 12. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/62015/62015fig07large.jpg" target="_blank">Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть большую версию этой цифры.</a>
<table border="1" fo:font-size="7px" fo:keep-together.within-page="1" fo:keep-with-next.within-page="always"><tbody>
<tr>
<td>образец</td>
			<td>Допант</td>
			<td>
αCa
</td>
			<td>
αСн
</td>
			<td>
fCa
</td>
			<td>
fSn
</td>
			<td>
c x (х й й й й или Y)</td>
		</tr>
<tr>
<td>Ca1.9Eu0.2Sn0.9O4
</td>
			<td>Европейский Союз</td>
			<td>1.71±0.001</td>
			<td>0,083±0.001</td>
			<td>0,57±0.001</td>
			<td>0,43±0.002</td>
			<td>0,061±0.001</td>
		</tr>
<tr>
<td rowspan="2">Ca1.8Eu0.2Y0.2Sn0.8O4
</td>
			<td>Европейский Союз</td>
			<td>0,162±0.001</td>
			<td>0,077±0.001</td>
			<td>0,78±0.003</td>
			<td>0,22±0.008</td>
			<td>0,088±0.006</td>
		</tr>
<tr>
<td>игрек</td>
			<td>0,040±0.002</td>
			<td>0,265±0.009</td>
			<td>0,28±0.002</td>
			<td>0,72±0.001</td>
			<td>0,118±0.004</td>
		</tr>
</tbody></table>Таблица 1. Производные параметры (определенные в тексте) образцов Ca2-xEuxSn1-y YyO4 где(x, y)(0.2, 0.0) и (0.2, 0.2).

Watch this Scientific Journal Video about Quantitative Atomic-Site Analysis of Functional Dopants/Point Defects in Crystalline Materials by Electron-Channeling-Enhanced Microanalysis at JoVE.com

Quantitative Atomic-Site Analysis of Functional Dopants/Point Defects in Crystalline Materials by Electron-Channeling-Enhanced Microanalysis

Мы предоставляем общий план количественных методов микроанализа для оценки заполняемости участка примесей и их химических состояний, пользуясь явлениями электронного ченнеинга в условиях инцидента, электронным лучом,качая, которые надежно извлекают информацию из видов меньшинств, световых элементов, кислородных вакансий и других точечных/линейных/планарных дефектов.

Количественный атомно-сайт анализ функциональных допантов / точечных дефектов в кристаллических материалов по электрон-канализации Расширенный микроанализ

A novel elemental and chemical analysis scheme based on electron-channeling phenomena in crystalline materials is introduced, where the incident ...

Эта новая схема элементарного и химического анализа может быть использована для количественного получения зависимой от участка информации о примесях или трусах в образце с использованием энергодисперсивных рентгеновских и электронных энергопотеряющих спектроскопий. Техника проста, низкая стоимость и количественно надежна по сравнению с другими доступными в настоящее время аналитическими методами и не требует современного оборудования. Этот метод широко применим не только к допантальному анализу в одном кристалле, но и к локальному анализу структуры дефектов решетки, связанных с вакансиями, интерстициалами и границами зерна.Демонстрацией процедуры будет Масахиро Охцука, преподаватель из моей лаборатории. Чтобы смонтировать образец тонкой пленки для передачи электронной микроскопии, загрузите образец на держатель образца электронного микроскопа с двойным наклоном и вставьте держатель в электронный микроскоп передачи, оснащенный режимом сканирования и энергодисперсивным рентгеновским детектором. После обычной передачи электронного микроскопа процедура выравнивания пучка была выполнена, нажмите Приложение Сканирование изображения дисплей для навигации в режим STEM.Чтобы выполнить оптическое выравнивание оси, нажмите На скалу, а затем нажмите пятно, чтобы остановить движение пучка качания. Когда раскачивание прекратилось, удалите образец из поля зрения и используйте кнопки стрелки увеличения, чтобы установить диапазон качания луча до менее чем плюс-минус два градуса. Поверните ручку Brightness по часовой стрелке до предела и отрегулируйте ручку Object Focus Coarse против часовой стрелки до недостаточно сфокусированного состояния.На экране флуоресцентного просмотра появится екости. Нажмите Bright Tilt и используйте ручки Deflector для перемещения екотического пятна в центр флуоресцентного экрана. Нажмите кнопку Standard Focus и поверните ручку Brightness против часовой стрелки до тех пор, пока на флуоресцентном экране не появится альтернативное екотичное пятно.Нажмите F3 и используйте ручки Deflector, чтобы переместить пятно луча в центр экрана. Затем повторите только что продемонстрированые оптические шаги выравнивания, пока положение луча не останется в центре, даже если состояние объектива не переключено. Чтобы коллиматировать луч инцидента, сначала вставьте третью по величине диафрагму конденсатор, повернув ручку Aperture по часовой стрелке, а затем отрегулируйте ее положение вручную к центру оптической оси с помощью двух прикрепленных винтов.И используйте ручку Brightness в сочетании с ручками Deflector и конденсатором конденсатора, чтобы настроить стигмататор объектива конденсатора до тех пор, пока форма луча не будет коаксиально сфокусирована. Нажмите High Tension Wobbler и отрегулируйте ручку Brightness, чтобы свести к минимуму колебания размера луча с изменением напряжения ускорения, чтобы скорректировать угол конвергенции луча до минимума. Нажмите Высокое напряжение Wobbler снова, чтобы остановить высокое напряжение воблер.Чтобы установить точку опоры, активируйте режим обслуживания в соответствии с инструкциями производителя, а также выберите JEOLS, Scan/Focus и Scan Control. После нажатия коррекции и сканирования используйте ручки Deflector и Object Focus Fine, чтобы свести к минимуму сдвиг луча при качания лучах. Затем используйте клавиши управления, чтобы соответствовать образцу и высоте точки разворота, чтобы образец был сфокусирован на флуоресцентном экране.Для выполнения окончательного выравнивания пучка, чтобы получить электронный шаблон для образца, переместить образец области интереса обратно в центр, и нажмите Сканирование, чтобы начать луч качания. Вручную поверните кольцевой детектор темного поля цилиндр по часовой стрелке, и вставьте детектор. Отрегулируйте ручки Deflector, удерживая ключ PLA, чтобы установить положение детектора в центре положения луча и проверьте STEI-DF.Появится электронно-канальный узор. Отрегулируйте яркость и контрастность, чтобы оптимизировать представление шаблона, слегка повернув ручку Brightness, чтобы получить при необходимости самый резкий контраст. Для сбора энергодисперсивных рентгеновских спектров в режиме качания луча используйте метод спектральной визуализации в качестве функции углов наклона пучка в направлениях x и y для отображения распределения элементарной интенсивности для определенных элементов.Чтобы получить ионизирующий шаблон ченнеления, используйте функцию сканирования линии для выполнения измерения наклона 1D систематического ряда отражений. В предварительном просмотре шаблона электронного канала будут отображаться желтые стрелки для указать диапазон измерения. Остановить измерения, когда будет получена достаточная статистика данных.На этих репрезентативных снимках показаны экспериментальные модели ионизации для титаната бария, бария L, бария K альфа и альфа-кислорода K вблизи 100 и 110 зонных осей, соответственно. Здесь можно наблюдать модели электрона и ионизации-канала кальция K, олова L, O-K, europium L и yttrium L для иттриума европия, совместно обрезающего образец оксида кальция вблизи 100 зоны. Европий lanthanum ионизации канала картина в этом анализе была ближе к кальция K шаблон в то время как yttrium L картина была ближе к наблюдаемой для олова L.Эти данные свидетельствуют о том, что европий и yttrium оккупации сайты могут быть предвзятыми, как ожидалось.В таблице указаны места размещения примесей и концентрации примесей во всех образцах. Как было отмечено, только для европия допинг оксида кальция, europium занимал кальция и олова сайтов в равной степени, в соответствии с результатами рентгеновской дифракции, Rietveld анализа. В отличие от этого, европий и иттрий занимали кальций и олово в совместно допинг-образцах при соотношении примерно семь-три и четыре-шесть, соответственно, значительно предвзято, как и ожидалось, сохраняя при этом условие нейтралитета заряда в рамках нынешних экспериментальных аккракций.Важно внимательно наблюдать за краем балки и образца, чтобы определить оптимальные условия фокусировки, хотя возможна окончательная небольшая корректировка. Если у вас нет режима качания лучей в TEM, плагин программного обеспечения под названием «ЭД», который работает на Gatan Microscopy Suite, может реализовать ту же схему.

Research

JoVE Journal

Chemistry

Fabricating Nanogaps by Nanoskiving

Изготовление нанометрических зазоров по Nanoskiving

There are several methods of fabricating nanogaps with controlled spacings, but the precise control over the sub-nanometer spacing between two ...

A Guided Materials Screening Approach for Developing Quantitative Sol-gel Derived Protein Microarrays

Guided Скрининг Материалы подхода к разработке количественных полученных золь-гель Microarrays Белки

Microarrays have found use in the development of high-throughput assays for new materials and discovery of small-molecule drug leads. Herein we describe a ...

Layer-by-layer Synthesis and Transfer of Freestanding Conjugated Microporous Polymer Nanomembranes

Слой за слоем Синтез и передачи Корпусная сопряженных микропористых полимерных наномембран

CMP as large surface area materials have attracted growing interest recently, due to their high variability in the incorporation of functional groups in ...

Determination of Carbonyl Functional Groups in Bio-oils by Potentiometric Titration: The Faix Method

Определение карбонильных функциональных групп в биомасла потенциометрическим титрованием: The Faix метод

Carbonyl compounds present in bio-oils are known to be responsible for bio-oil property changes upon storage and during upgrading. Specifically, carbonyls ...

Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes

Controlled Photoredox Ring-Opening Polymerization of O-Carboxyanhydrides Mediated by Ni/Zn Complexes

Под контролем Photoredox кольцо открытие полимеризации O- Carboxyanhydrides при посредничестве Ni/Zn комплексы

Here, we describe an effective protocol that combines photoredox Ni/Ir catalysis with the use of a Zn-alkoxide for efficient ring-opening polymerization, ...

DNA-magnetic Particle Binding Analysis by Dynamic and Electrophoretic Light Scattering

ДНК-магнитопорошковый обязательного анализа динамических и электрофоретической рассеяние света

Isolation of DNA using magnetic particles is a field of high importance in biotechnology and molecular biology research. This protocol describes the ...

Analysis of Minerals Produced by hFOB 1.19 and Saos-2 Cells Using Transmission Electron Microscopy with Energy Dispersive X-ray Microanalysis

Анализ минералов, производимые hFOB 1.19 и Saos-2 клетки с помощью просвечивающей электронной микроскопии с энергии энергодисперсионный рентгеновский микроанализ

This video presents the use of transmission electron microscopy with energy dispersive X-ray microanalysis (TEM-EDX) to compare the state of minerals in ...

Microfluidic Preparation of Liquid Crystalline Elastomer Actuators

Подготовка microfluidic жидкий кристаллический эластомер приводов

This paper focuses on the microfluidic process (and its parameters) to prepare actuating particles from liquid crystalline elastomers. The preparation ...

Exfoliation and Analysis of Large-area, Air-Sensitive Two-Dimensional Materials

Пилинг и анализ больших площадей, воздух чувствительных двумерных материалы

We describe methods for producing and analyzing large, thin flakes of air-sensitive two-dimensional materials. Thin flakes of layered or van der Waals ...