JoVE Journal > Chemistry
Summary
Abstract
Introduction
Protocol
Results
Discussion
Disclosures
Acknowledgements
Materials
References
italiano

Automatically Generated
Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.
Chemistry

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

Published: May 10, 2021
doi:
10.3791/62015
,
1Electron Nanoscopy Division, Advanced Measurement Technology Center, Institute of Materials & Systems for Sustainability,Nagoya University

Summary

Forniamo una descrizione generale dei metodi quantitativi di microanalisi per stimare le occupazioni del sito delle impurità e dei loro stati chimici sfruttando i fenomeni di canalizzazione elettronica in condizioni di oscillazione del fascio di elettroni incidente, che estraggono in modo affidabile informazioni da specie minoritarie, elementi leggeri, posti vacanti di ossigeno e altri difetti punti / linea / planari.

Abstract

Viene introdotto un nuovo schema di analisi elementale e chimica basato su fenomeni di canalizzazione elettronica nei materiali cristallini, dove il fascio di elettroni ad alta energia incidente è scosso con il punto di rotazione submicrometrico fissato su un campione. Questo metodo ci consente di ricavare quantitativamente le occupazioni del sito e le informazioni chimiche dipendenti dal sito di impurità o elementi funzionali intenzionalmente drogati in un campione, utilizzando spettroscopia a raggi X a dispersione energetica e spettroscopia di perdita di energia elettronica collegata a un microscopio elettronico a trasmissione a scansione, che è di notevole interesse per la scienza dei materiali attuali, in particolare correlata alle nanotecnologie. Questo schema è applicabile a qualsiasi combinazione di elementi anche quando l’analisi convenzionale di Rietveld mediante diffrazione a raggi X o neutroni occasionalmente non riesce a fornire i risultati desiderati a causa delle dimensioni limitate del campione e dei fattori di dispersione ravvicinati degli elementi vicini nella tavola periodica. In questo articolo metodologico, dimostriamo la procedura sperimentale di base e il metodo di analisi dell’attuale microanalisi beam-rocking.

Introduction

Con la domanda di ridimensionamento della maggior parte dei prodotti industriali attuali, sta diventando sempre più importante comprendere le proprietà fisico/chimiche dei materiali dal punto di vista microscopico, a volte in termini di strutture spaziali /elettroniche su scala atomica. Le nuove proprietà sono spesso scoperte inaspettatamente quando si sintetizzano i materiali per tentativi ed errori, selezionando diversi numeri o tipi di elementi, sebbene le attuali tecniche di misurazione e i calcoli teorici ab initio basati sulla teoria funzionale della densità abbiano permesso la progettazione di nuovi materiali con proprietà migliorate senza lunghi esperimenti di tentativi ed errori. Ad esempio, alcuni degli atomi ospiti vengono sostituiti con altri elementi che possono eventualmente migliorare la proprietà di destinazione come risultato di considerazioni sperimentali o teoriche. In questo contesto, un’importante componente dell’informazione sperimentale è la conoscenza dettagliata della posizione di ciascun costituente nella struttura atomica del materiale.

I metodi di diffrazione dei raggi X e/o dei neutroni sono convenzionalmente e ampiamente utilizzati non solo perché l’analisi strutturale basata sull’analisi rietveld1,2 tecniche è stata ben consolidata e aperta al pubblico, ma anche a causa dello sviluppo di sorgenti di raggi X ad alto flusso (ad esempio, impianti di radiazione di sincrotrone) e moderne sorgenti di neutroni, facilmente accessibili ai ricercatori generali. Tuttavia, queste tecniche richiedono campioni con strutture omogenee, e richiedono anche l’adattamento di Rietveld tra gli insiemi sperimentali e teorici di intensità di picco diffratte usando fattori strutturali. Può quindi essere difficile distinguere tra elementi diversi se i loro fattori strutturali sono vicini l’uno all’altro, come nella diffrazione a raggi X degli elementi vicini nella tavola periodica.

Nella maggior parte dei materiali avanzati attuali, le composizioni, i precipitati, le dimensioni dei grani e le impurità vengono regolati e ottimizzati per massimizzare il ruolo desiderato alla scala nanometrica. Ciò significa che questi materiali richiedono la caratterizzazione su scala nanometrica o anche su scala sub-nanometrica per indagare se sono sintetizzati come progettati. In questo contesto, potrebbe essere ottenuto al meglio utilizzando la microscopia elettronica a trasmissione (TEM) e le relative tecniche analitiche.

Il recente drammatico sviluppo della scansione TEM (STEM) in questi decenni, in particolare basato su tecnologie di correzione dell’aberrazione, ha accelerato una tecnica all’avanguardia per rivelare la struttura di un materiale e la sua distribuzione elementale su scala atomica3,4. Questo metodo, tuttavia, richiede l’impostazione precisa del materiale cristallino parallelo a un asse di zona di ordine basso e all’estrema stabilità dello strumento durante la misurazione, che è uno svantaggio. Quindi, dimostriamo un metodo alternativo che non richiede tali limitazioni, correzione dell’aberrazione o persino cannone elettronico ad emissione di campo.

La canalizzazione elettronica in un materiale cristallino si verifica se un fascio di elettroni incidente si propaga lungo particolari piani atomici o colonne, che dipende dalla direzione del fascio di elettroni ad alta energia incidente rispetto agli assi cristallini, dove viene selezionato un insieme appropriato di riflessi di Bragg e l’errore di eccitazione di ogni riflessione in un TEM. La tecnica di analisi a raggi X (EDX o talvolta convenzionalmente EDS) site-specific che utilizza la canalizzazione elettronica è chiamata posizione atomica per microanalisi elettronica canalizzato (ALCHEMI) per valutare le occupanze dei siti atomici ospiti perimpurità 5,6. Questo metodo è stato esteso ad un approccio più complesso e quantitativamente affidabile, chiamato spettroscopia a raggi X ad alta risoluzione angolare (HARECXS), per determinare le occupazioni di impurità / drogante. Ciò si realizza confrontando le curve sperimentali di beam-rocking con simulazioni teoriche7. Questa tecnica è ulteriormente estesa alla spettroscopia elettronica ad alta risoluzione angolare ad alta risoluzione (HARECES), che registra gli spettri di perdita di energia elettronica (EELS) invece di EDX8. In questo modo vengono fornite informazioni sugli stati chimici locali specifici del sito di un determinato elemento indiversi ambienti atomici 9,10,11. Nei casi in cui ogni elemento host occupa un singolo sito cristallografico, una semplice regressione lineare e l’applicazione di diverse formule al set di dati sperimentale determina quantitativamente le occupazioni del sito di impurità drogate senza alcuna simulazione teorica.

Nelle sezioni seguenti, forniamo procedure dettagliate del metodo specifico per il sistema STEM Jeol JEM2100 perché è esplicitamente dotato della modalità beam-rocking nel menu di funzionamento STEM. Per gli utenti di altri microscopi, fare riferimento alle descrizioni nell’ultimo paragrafo della sezione Discussione di questo articolo.

Protocol

1. Pre-processo del campione Preparazione di film sottili per TEM Preparare un campione per il presente metodo di analisi utilizzando tecniche di preparazione del campione TEM (Standard Transmission Electron Microscopy), come l’elettropolishing per materiali metallici, la fresatura di ioni per semiconduttori o ceramiche, in genere inferiore a 100-200 nm per HARECXS, uniformemente piatta sull’area di ~ 1 μm. Preparare campioni più sottili (50-100 nm) per HARECES in generale. Montaggio del campione su TEM Montare la pellicola sottile preparata su un portacampioni TEM a doppia inclinazione, seguita dall’inserimento del supporto in un TEM dotato di modalità di scansione e di rilevatore EDX(Figura 1). 2. Funzionamento TEM (specifico per JEM2100 STEM con opzione beam-rocking collegato) Allineamento TEM per il beam-rocking Avviare l’operazione TEM. Dopo la routine di allineamento del fascio TEM, passare alla modalità STEM controllando ASID (Attachment Scanning Image Display) nella finestra ASID del monitor di controllo TEM (TCM, Figura 1 & Figura 2). Allineamento dell’asse ottico Fate clic sul pulsante A dondolo nella finestra ASID del TCM, quindi fate clic sul pulsante Spot nel Simple Image Viewer (SIV) per interrompere il beam-rocking (Figura 2). Rimuovere l’esempio dal campo visivo. Impostate l’intervallo di roccia del fascio più piccolo di ±2° facendo clic sui pulsanti incremento/decremento Mag. Ruotare la manopola Luminosità sul pannello di funzionamento sinistro (LOP: Figura 3) in senso orario fino al limite, seguita ruotando la manopola OBJ FOCUS COARSE del Pannello di funzionamento destro (ROP: Figura 3) in senso antiorario a una condizione sottoocale: sullo schermo di visualizzazione fluorescente viene visualizzato un punto caustico (Figura 4). Premere il tasto funzione BRIGHT TILT (LOP) e spostare il punto caustico al centro dello schermo fluorescente utilizzando una coppia di manopole DEF/STIG X/Y (L/ROP). Premere il tasto ROP (Standard Focus), quindi ruotare la manopola BRIGHTNESS in senso antiorario in modo che sullo schermo fluorescente venga visualizzato un punto caustico alternativo. Premere il tasto funzione F3 (ROP) (oppure fare clic sul pulsante Spot nella finestra ‘Pannello di allineamento per manutenzione’ su TCM) e spostare il punto del fascio al centro utilizzando una coppia di manopole DEF/STIG X/Y. Ripetere i passaggi 2.2.2-2.2.5 fino a quando la posizione del fascio rimane al centro anche se le condizioni dell’obiettivo sono commutate ai passaggi 2.2.2 e 2.2.4. Collimazione del fascio incidente e impostazione del suo punto di rotazione Introdurre la terza apertura del condensatore più grande al centro dell’asse ottico ruotando la manopola di apertura in senso orario con la sua posizione regolata manualmente con due viti collegate (Figura 1). Quindi, regolare lo stigmatore dell’obiettivo condensatore per correggere la forma del fascio da defocalizzare in modo coassiale ruotando la manopola BRIGHTNESS in entrambi i modi, utilizzando un paio di manopole DEF/STIG con tasto COND STIG. Premere il tasto HT WOBB (ROP) e regolare la manopola BRIGHT TILT per ridurre al minimo la fluttuazione delle dimensioni del fascio con il cambiamento della tensione di accelerazione. Questo processo regola il minimo dell’angolo di convergenza del fascio. Premere di nuovo il tasto HT WOBB per arrestare il wobbler HT. Attivare la modalità di manutenzione (consultare il manuale del produttore). Selezionare JEOL dalla barra dei menu → Scan/Focus della → Scan Control in TCM. Quindi, fare clic sul pulsante Cor e fare clic sul pulsante Digitalizza anziché su Spot nel pannello di controllo Immagine di SIV. Per ridurre al minimo lo spostamento del fascio con il beam-rocking, regolare un paio di manopole DEF/STIG, seguita ruotando leggermente in senso antiorario la manopola OBJ FOCUS FINE. Infine, abbinare l’altezza del campione e del punto di rotazione utilizzando i tasti di controllo Z (ROP) in modo che il campione sia focalizzato sullo schermo fluorescente. Allineamento del fascio finale per ottenere il modello di canalizzazione elettronica del campione Spostare di nuovo l’area di interesse del campione al centro e iniziare a dondolare il fascio facendo clic sul pulsante Digitalizza nella finestra SIV. Ruotare manualmente in senso orario il cilindro del rivelatore a campo scuro anulare (ADF)(Figura 1) e inserire il rilevatore. Impostare la posizione del rilevatore ADF al centro della posizione del fascio regolando una coppia di manopole DEF/STIG con tasto PLA su (LOP: Figura 3). Controllare il tasto STEI-DF nel menu Selezione immagine della finestra ASID e il monitor STEM nella finestra SIV visualizza un modello di canalizzazione elettronica (ECP). Regolare la luminosità/contrasto nella finestra ASID per visualizzare al meglio ECP. Ruotare leggermente la manopola BRIGHTNESS per vedere il contrasto ECP più nitido. Acquisizione dati per HARECXS da parte di EDX Utilizzando lo STEM in modalità beam-rocking, raccogliere gli spettri EDX seguendo il metodo convenzionale dell’immagine spettrale (utilizzando la funzione di imaging spettrale nella figura 5) in funzione degli angoli di inclinazione del fascio nelle direzioni x e y e visualizzare la distribuzione dell’intensità elementale per elementi specificati, come mostrato nella figura 5.NOTA: Il modello di distribuzione dell’intensità è chiamato modello di canalizzazione di ionizzazione (ICP). Utilizzate la funzione Scansione linea (Line Scan) nella figura 5 per la misurazione dell’inclinazione 1D di una fila sistematica di riflessi. Nell’anteprima ECP viene visualizzata una freccia gialla per specificare l’intervallo di misura, come illustrato nel pannello in alto a sinistra nella figura 5. Interrompere le misurazioni quando si ottengono statistiche di dati sufficienti per i PIC. 3. Analisi dei dati per la quantificazione Intensità dei raggi X espressa Ix per impurità x nella seguente forma in funzione dell’intensità dei raggi X I idell’elemento ospite i,12 doveNOTA: Qui, fix è l’occupazione frazionale di impurità x sul sito host di tipo i, c xè la concentrazione di impurità x, e n i è la concentrazione frazionale dell’elemento ospite di tipo i tra i siti ospiti totali prima dell’accomodamento di atomi di impurità di tipo x. ki è il fattore k dell’elemento host di tipo I. L’offset costante aggiuntivo βx è stato introdotto come parametro aggiuntivo per tenere conto delle differenze nella delocalizzazione dell’interazione e degli errori nelle sottrazioni di fondo. αix può essere derivato da Eq. (1) dalla regressione lineare multivariata per molti punti di campionamento delle intensità dei raggi X PIC. Derivare c x e f ix utilizzando la condizione Σifix = 1 come12Le incertezze in cx e f ixper le impurità multiple derivano facilmente dal principio di propagazione degli errori:edove δ αix è l’errore statistico ottenuto nella regressione lineare da Eq. (1).

Representative Results

L’ECP sperimentale per BaTiO3 e i PIC di Ba-L, Ti-Kαe O-Kα vicino agli assi di zona [100] e [110] sono mostrati rispettivamente nella figura 6A e nella figura 6B. Ogni elemento costitutivo presenta un PIC specifico, che indica che il PIC è specifico del sito atomico12. Come esempio di applicazione fondamentale, abbiamo esaminato Eu3+-drogato Ca2SnO4, che mostra una forte emissione rossa derivata dalla transizione dipolo elettrico 5D0-7F2 di ioni u u cio (Eu3+). Considerando il criterio di somiglianza dei raggi ionici, sarebbe più rilevante presumere che Eu3+ occupi i siti Ca2+ perché Eu3 + è significativamente vicino alle dimensioni di Ca2 + rispetto a Sn4 +. Tuttavia, l’analisi rietveld dei dati di diffrazione dei raggi X in polvere ha rivelato che Eu3+ occupava ugualmente i siti Ca2+ e Sn4+, presumibilmente perché il criterio di neutralità della carica locale domina in questo caso. Un campione co-drogato Eu e Y Ca1.8Y0.2Eu0.2Sn0.8O4 è stato poi sintetizzato perché gli ioni Y3 + con un raggio ionico più piccolo occupano preferenzialmente siti di catione più piccoli (Sn4 +),espellendo ioni Eu3 + più grandi dal sito Sn4 + nel sito Ca2 + più grande senza cambiare il bilanciamento della carica. Come previsto, Ca1.8Y0.2Eu0.2Sn0.8O4 ha mostrato un’emissione più forte rispetto al campione Ca1.9Eu0.2Sn0.9O4. La più forte emissione rossa nel campione co-drogato è spiegata dall’aumento della frazione di ioni Eu3+ che occupa il sito ca asimmetrico, coordinato da sette atomi di ossigeno, che migliora il momento del dipolo elettrico rispetto a quello del sito simmetrico di Sn a sei coordinate. Sono stati preparati una serie di campioni policristallini co-drogati Eu e Y con composizioni nominali di Ca1.9Eu0.2Sn0.9O4 e Ca1.8Eu0.2Y 0.2Sn0.8O4 e le occupanze del sito dei droganti sono state determinate dal metodo attuale. La figura 7 mostra l’ECP e i PIC di Ca-K, Sn-L, O-K, Eu-L e Y-L per il campione Ca1.8Eu0.2Y0.2Sn0.8O4 vicino alla zona [100]. Il PIC Eu-L era più vicino al PIC Ca-K, mentre il PIC Y-L era più vicino al PIC Sn-L. Ciò suggerisce che i siti di occupazione dell’Ue e dell’Y potrebbero essere di parte, come previsto. I coefficienti, αix per i = Ca, Sn e x = Eu, Y derivati usando Eq. (1), dove nCa = 2/3 e nSn = 1/3. I k-fattori degli elementi costitutivi sono calibrati in anticipo utilizzando un materiale di riferimento con una composizione nota, la cui discussione dettagliata si trova in ref.12. Le occupazioni del sito fix (Eq. (3)) delle impurità e le concentrazioni di impurità c di tutti i campioni sono tabulate nella tabella 1. In Ca1.9Eu0.2Sn0.9O4, Eu3+ occupava equamente i siti Ca2+ e Sn4+, coerentemente con i risultati dell’analisi XRD-Rietveld. Al contrario, Eu3+ e Y3+ occupavano i siti Ca2+ e Sn4+ a rapporti di circa 7:3 e 4:6, rispettivamente, nei campioni co-drogati, significativamente distorti come previsto, ma mantenendo anche la condizione di neutralità della carica all’interno delle attuali accuratezze sperimentali12. Figura 1: Prospettive strumentali. Jeol JEM2100 STEM e i relativi monitor, rilevatori e configurazioni di pannelli operativi. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 2: Layout del monitor di controllo TEM (TCM). Vengono visualizzate le finestre di controllo necessarie per il metodo presente e vengono etichettate le funzioni chiave e i pulsanti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 3: Pannelli di funzionamento sinistro/destro del pannello operativo sinistro (LOP)S/TEM. (A destra) Pannello di funzionamento destro. I tasti funzione e le manopole di funzionamento necessari per il metodo presente sono etichettati. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 4: Immagine spot caustica sullo schermo fluorescente. Il diametro del punto varia di alcuni centimetri sullo schermo, a seconda del valore di sfocata. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 5: Aspetto del monitor di controllo EDS. L’anteprima del modello di canalizzazione elettronica (ECP) nel pannello in alto a sinistra specifica l’area di misurazione. Per le misurazioni dell’inclinazione 1D, il linescan a raggi X viene selezionato nel pannello più a sinistra e l’intervallo di misurazione è indicato dalla freccia gialla nell’anteprima ECP. La tabella periodica nel pannello in basso a sinistra seleziona gli elementi dei pattern di canalizzazione (PIC) da visualizzare nel pannello in alto a destra. Il pannello in basso a destra visualizza il modello EDS accumulato in tempo reale. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 6: ECP e PIC sperimentali (A: da sinistra a destra) ECP e PIC di Ba-L, T-Kae O-K aemissioni di BaTiO3 ottenute mediante beam-rocking vicino all’asse di zona [100]. (B: da sinistra a destra) Uguale a (A) vicino agli assi di zona [110]. Questa cifra è stata modificata da [12]. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. Figura 7. ECP e corrispondenti PIC a raggi X da Ca1.8Eu0.2Y0.2Sn0.8O4 mediante beam-rocking vicino all’asse della zona [100]. (A) ECP. (B-F) PIC delle emissioni ca-ka,Sn-L, O-Ka, O-Ka, Eu-L e Y-L, rispettivamente. Questa cifra è stata modificata da [12]. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. campione Drogante αCa αSn FCa FSn c x (x = Eu o Y) Ca1.9Eu0.2Sn0.9O4 UE 1.71±0.001 0,083±0.001 0,57±0.001 0,43±0.002 0,061±0.001 Ca1.8Eu0.2Y0.2Sn0.8O4 UE 0,162±0.001 0,077±0.001 0,78±0,003 0,22±0,008 0,088±0.006 Y 0,040±0.002 0,265±0,009 0,28±0.002 0,72±0.001 0,118±0,004 La tabella 1. Parametri derivati (definiti nel testo) dei campioni di Ca2-xEuxSn1-yYyO4 dove (x, y) =(0,2, 0,0) e (0,2, 0,2).

Discussion

I passaggi critici del protocollo sono la capacità di allineare accuratamente il fascio di dondolo incidente che ha un piccolo angolo di convergenza con il punto di rotazione, che è immobile nell’area specificata descritta nei passaggi 2.2-2.3. È stato utilizzato un fascio incidente collimato con un semiangolo di convergenza di circa non più grande di 2 mrad. È possibile selezionare una dimensione del fascio di 400 nm e un diametro di 1 μm impostando l’apertura del condensatore #4 (10 μm di diametro) e #3 (30 μm) nell’attuale sistema hardware.

I vantaggi del metodo attuale sono che (i) non sono necessari strumenti STEM avanzati come STEM corretto per l’aberrazione o persino cannone elettronico ad emissione di campo; (ii) molti punti di campionamento (ad esempio, ~4.000 punti per un’area di scansione di 64 × 64 pixel 2 ) possono essere raccolti automaticamente con alta efficienza,mentresi opera la procedura convenzionale di imaging spettrale STEM sul lato analizzatore e (iii) più metodi spettroscopici come EDX, EELS e catodoluminescenza possono essere utilizzati contemporaneamente in un unico sistema integrato, che consente l’analisi multimodale13.

Poiché i PIC sperimentali possono essere previsti con precisione mediante simulazione teorica, il metodo può essere applicato non solo ai casi in cui il cristallo di interesse contiene più siti atomici inequivalenti per un elemento drogato14. Ulteriori estensioni sono in corso, come per rilevare le concentrazioni di posti vacanti e gli spostamenti associati degli elementiospiti 15e persino l’ordinamento di droganti segregati lungo i confini dei cereali della ceramica. Il presente metodo può fornire una tecnica alternativa significativa applicabile a campioni relativamente spessi a differenza dell’analisi atomica colonna per colonna utilizzando STEM corretto per l’aberrazione, che richiede la preparazione di campioni di alta qualità molto sottili (< 10 nm).

L’analisi elettronica dello stato selettiva del sito atomo che utilizza TEM-EELS (HARECES) piuttosto che EDX èfattibile 8,9,10,11. Per la misurazione automatica si consiglia di utilizzare “opzione ALCHEMI” in un software di controllo del fascio “QED”, in esecuzione sulla Gatan Microscope Suite, fornito da HREM Research Inc16. Nella misurazione HARECES, è necessario assicurarsi che il fascio trasmesso sia lontano dalla posizione del rivelatore EELS e perpendicolare alla fila sistematica nella sequenza di inclinazione del fascio8.

Una limitazione di questo metodo è la dimensione minima del fascio di fascio di elettroni incidente, che limita l’area minima misurata a circa 400 nm. Ciò è dovuto all’aberrazione del sistema di lenti TEM in cui il centro del perno si muove più lontano del raggio del fascio per una dimensione del fascio più piccola, che potrebbe essere modificata in futuro modificando l’impostazione della corrente della lente deflettore TEM per compensare il vagabondaggio del fascio.

Se il microscopio utilizzato non ha la modalità beam-rocking, un’operazione molto simile si ottiene utilizzando il software QED, che risolve anche la limitazione, in quanto il software può correggere il punto di rotazione muovendosi anche in modalità nano-fascio. Per gli S/TEM prodotti da FEI Company (ora parte di Thermo Fisher Scientific), lo scripting TIA, il codice open source può gestire tutte le funzioni S/TEM e i rilevatori collegati tramite un PC. Le acquisizioni sequenziali di dati EDX/EELS con successiva inclinazione del fascio incidente sono state eseguite utilizzando il programma di scripting TIA in esecuzione sulla piattaforma di imaging e analisiTEM 13.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Questo lavoro è stato in parte sostenuto da Grants-in-Aid for Scientific Research on Kiban-kenkyu A (n. 26249096), Innovative Areas “Nano Informatics” (n. 25106004) e Wakate-kenkyu B (n. 26870271) della Japan Society of the Promotion of Science.

Materials

Electron Energy-Loss Spectrometer Gatan Inc. Enfina1000 Parallel EELS detector
Energy dispersive X-ray detector JEOL Ltd. SD30GV EDS silicon drift detector
Gatan Microscope Suite (GMS) Gatan Inc. ver. 2.3. Integrated software platform for controling cameras, detectors, S/TEM and data analysis
QED HREM Research Inc. for GMS 2.3 32bit beam controlling software, running on the Gatan Microscope Suite
scanning transmission electron microscope JEOL Ltd. JEM-2100 Beam-rocking mode option in ASID controlling window
TEMCON JEOL Ltd. Control software for JEM 2100
Thermo NSS software Thermo Fischer Scientific Inc., USA EDS control software
DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Quantitative AnalysisAtomic-siteFunctional DopantsPoint DefectsCrystalline MaterialsElectron-channeling-enhanced MicroanalysisEnergy-dispersive X-ray SpectroscopyElectron Energy-loss SpectroscopyLattice DefectsVacanciesInterstitialsGrain BoundariesTransmission Electron MicroscopySTEMOptical Axis AlignmentBeam RockingCaustic SpotCondenser Aperture

Play Video
PDF
DOI
DOWNLOAD MATERIALS LIST
Cite This Article
Ohtsuka, M., Muto, S. Quantitative Atomic-Site Analysis of Functional Dopants/Point Defects in Crystalline Materials by Electron-Channeling-Enhanced Microanalysis. J. Vis. Exp. (171), e62015, doi:10.3791/62015 (2021).
Download Citation
Reprints and Permissions

View Video

✖

To prove you're not a robot, please enter the text in the image below

CAPTCHA Image
Play CAPTCHA Audio
Refresh Image