[論文レビュー] A Synchrotron in the TEM: Spatially Resolved Fine Structure Spectra at High Energies

James L. Hart, Andrew C. Lang+4 more|arXiv (Cornell University)|Sep 13, 2019

Electron and X-Ray Spectroscopy Techniques被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、従来は自己走線加速器を用いたX線分光法に限られていた12 keVまでのエネルギー分解能を達成する走査型透過電子顕微鏡（STEM）における空間的に分解能のある電子エネルギー損失分光法（EELS）を示している。これにより、自己走線測定と同等の信号対雑音比（SNR）が達成された。高度なEELS装置を用いることで、周期律表の最初の三周期を越える元素のコア損失スペクトルにおける微細構造をナノスケールでマッピング可能となり、従来のEELSに見られる重大な制限を克服した。

ABSTRACT

Fine structure analysis of core electron excitation spectra is a cornerstone characterization technique across the physical sciences. Spectra are most commonly measured with synchrotron radiation and X-ray spot sizes on the {\\mu}m to mm scale. Alternatively, electron energy loss spectroscopy (EELS) in the (scanning) transmission electron microscope ((S)TEM) offers over a 1000 fold increase in spatial resolution, a transformative advantage for studies of nanostructured materials. However, EELS applicability is generally limited to excitations below ~2 keV, i.e., mostly to elements in just the first three rows of the periodic table. Here, using state-of-the-art EELS instrumentation, we present nm resolved fine structure EELS measurements out to an unprecedented 12 keV with signal-to-noise ratio rivaling that of a synchrotron. We showcase the advantages of this technique in exemplary experiments.

研究の動機と目的

• 従来の約2 keVの限界を超えて、走査型透過電子顕微鏡（STEM）における空間的に分解能のある電子エネルギー損失分光法（EELS）のエネルギー範囲を拡張すること。
• 周期律表の最初の三周期を越える元素のコア励起状態を調べる上での従来のEELSの制限を克服すること。
• TEMにおける高感度・高エネルギー分解能EELSが、自己走線を用いたX線分光法と同等の性能を示せることを実証すること。
• 微細構造特徴を用いたコア損失スペクトルを活用し、複雑なナノ構造材料の詳細なナノスケールの化学的・電子的構造解析を可能にすること。

提案手法

• 走査型透過電子顕微鏡（S/TEM）における最新の電子エネルギー損失分光法（EELS）装置の活用。
• 最大12 keVまで拡張された動的範囲を備えた高エネルギー分解能の高度な電子分光計の実装。
• 高輝度電子源と最適化された分光計の幾何配置を用いて、信号対雑音比（SNR）を最大化。
• 関心対象の材料に対してナノスケールの横方向分解能を有する空間的分解能EELSマッピングの適用。
• スペクトルの忠実度を向上させ、高エネルギー域での微細構造解析を可能にする高度なデータ取得および処理技術の採用。
• 自己走線放射源からの測定値と比較することで、スペクトル品質の妥当性を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 走査型透過電子顕微鏡（TEM）における電子エネルギー損失分光法（EELS）は、自己走線を用いたX線分光法に限られていた12 keVまでの高エネルギー域で、高分解能の微細構造解析を達成できるか？
• RQ2 最新のS/TEM装置を用いた高エネルギーEELSにおける実現可能な信号対雑音比（SNR）はどの程度か？また、自己走線測定と比較してどうなるか？
• RQ3 ナノスケールの空間分解能と高エネルギー域の微細構造解析をEELSでどの程度組み合わせられるか？
• RQ4 高エネルギー域（最大12 keV）におけるコア損失端のスペクトル特徴は、ナノ構造材料内の局所的な電子的および化学的構造とどのように相関するか？
• RQ5 TEMにおけるEELSは、周期律表の最初の三周期を越える元素について、信頼性があり定量的な微細構造解析を提供できるか？

主な発見

• 著者らは、走査型透過電子顕微鏡（TEM）を用いて、従来のEELSで一般的な2 keVの限界を大幅に超える12 keVまでの空間的に分解能のある微細構造EELSスペクトルを成功裏に取得した。
• TEMで得られた高エネルギーEELSスペクトルの信号対雑音比（SNR）は、自己走線を用いたX線分光法と同等であり、信頼性の高い微細構造解析が可能となった。
• 本技術により、遷移金属や希土類元素を含む、通常のEELSでは対象外となる重い元素を含む材料における電子状態および化学状態のナノスケールマッピングが可能となった。
• スペクトルの品質と分解能のおかげで、高エネルギー域におけるコア損失端の微細な電子遷移および化学シフトの同定が可能になった。
• 代表的な実験では、酸化物やインタメタルヒドライド化合物など、ナノスケールの空間分解能で微細構造特徴を解像可能な能力が示された。
• 本結果により、TEMが高エネルギー微細構造分光法において「自己走線に類似した」光源として機能できること、高い空間分解能とスペクトル分解能を併せ持つことが確立された。