[論文レビュー] Measurement Error in Atomic-Scale STEM-EDS Mapping of a Model Oxide Interface

Steven R. Spurgeon, Yingge Du+1 more|arXiv (Cornell University)|Oct 11, 2016

Electronic and Structural Properties of Oxides参考文献 24被引用数 14

ひとこと要約

本研究は、モデルペロブスカイト酸化物界面における原子スケールのSTEM-EDSマッピングにおける測定誤差を調査し、サンプル厚さとイオン化端の選択が定量的評価に顕著に影響することを示している。デローカライゼーションおよび電子チャネリングにより、完全に鋭い界面であっても、2–5ユニットセルにわたる人工的な混合が生じる。したがって、正確な解釈のためには超薄いサンプルとマルチスライスシミュレーションが不可欠である。

ABSTRACT

With the development of affordable aberration-correctors, analytical scanning transmission electron microscopy (STEM) studies of complex interfaces can now be conducted at high spatial resolution at laboratories worldwide. Energy-dispersive X-ray spectroscopy (STEM-EDS) in particular has grown in popularity, since it enables elemental mapping over a wide range of ionization energies. However, the interpretation of atomically-resolved data is greatly complicated by beam-sample interactions that are often overlooked by novice users. Here we describe the practical factors---namely, sample thickness and the choice of ionization edge---that affect the quantification of a model perovskite oxide interface. Our measurements of the same sample in regions of different thickness indicate that interface profiles can vary by as much as 2-5 unit cells, depending on the spectral feature. This finding is supported by multislice simulations, which reveal that on-axis maps of even perfectly abrupt interfaces exhibit significant delocalization. Quantification of thicker samples is further complicated by channeling to heavier sites across the interface, as well as an increased signal background. We show that extreme care must be taken to prepare samples to minimize channeling effects and argue that it may not be possible to extract atomically-resolved information from many chemical maps.

研究の動機と目的

• 複雑な酸化物界面における原子スケールSTEM-EDSマッピングの測定誤差を特定および定量すること。
• サンプル厚さとイオン化端の選択が、界面領域の見かけ上の幅および組成に与える影響を調査すること。
• デローカライゼーションおよび電子チャネリングが、完全に鋭い界面であっても人工的な混合を引き起こすことを実証すること。
• 正確な化学的定量を保証するため、超薄いサンプル調製およびマルチスライスシミュレーションの重要性を強調すること。
• ビーム-サンプル相互作用および機器由来のアーティファクトを考慮しないまま化学マップを直接解釈しないよう研究者に警告すること。

提案手法

• 異なる局所的厚さを有する30 nmのLa0.88Sr0.12CrO3/SrTiO3(001)ヘテロ構造から、原子分解能STEM-EDSマップを取得した。
• La Lα、Sr Lα、Ti Kα、Cr Kαの複数のX線放出端を用いて、界面を横断する元素プロファイルを測定し、厚さおよび端に依存する影響を評価した。
• 結晶構造内の電子プローブのデローカライゼーションおよびチャネリング効果をモデル化するため、マルチスライスシミュレーションを実施した。
• 厚い領域および薄い領域からの実験的ラインプロファイルを、完全に鋭い界面のシミュレートプロファイルと比較した。
• ピーク面積フィッティングおよびバックグラウンド正規化を用いて、原子列ごとの界面幅（δ）および信号デローカライゼーションを定量した。
• 熱的および弾性的に散乱した電子が、イオン化信号分布およびバックグラウンド強度に与える影響を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 サンプル厚さは、原子スケールSTEM-EDSマッピングにおける界面領域の見かけ上の幅にどのように影響するか？
• RQ2 異なるX線イオン化端（例：L端対比K端）は、信号デローカライゼーションおよび測定誤差にどの程度寄与するか？
• RQ3 電子プローブのチャネリングおよびデローカライゼーションは、実際の混合が存在しない状況でも、化学マップをどのように歪めるか？
• RQ4 モデルペロブスカイト界面において、ビーム-サンプル相互作用が引き起こす人工的混合の大きさはどの程度か？
• RQ5 マルチスライスシミュレーションは、STEM-EDS定量における測定アーティファクトをどの程度正確に予測および是正できるか？

主な発見

• 完全に鋭い界面であっても、サンプル厚さおよびイオン化端の選択に応じて、STEM-EDSによる界面幅は2–5ユニットセルの範囲で変動する。
• Sr LαおよびLa Lα信号のデローカライゼーションにより、最大0.60 ± 0.03 nm（2ユニットセル以上）の見かけ上の混合が生じるが、Ti KαおよびCr Kα信号はほとんど広がりを示さない。
• 低エネルギー端（La Lα、Sr Lα）のバックグラウンド強度は、厚いサンプルではピーク信号最大値の75％に達し、測定の不確実性を増加させる。
• 信号デローカライゼーションにより、Aサイトカチオン（La、Sr）の10–15％の信号が、実際の相互拡散が存在しない状況でも隣接するBサイト位置で検出される。
• 重い原子（例：Sr、La）に沿った電子チャネリングが、ピーク面積定量に顕著な歪みを引き起こし、バックグラウンドを増加させる。
• SrおよびLa Lα端では、薄い領域の界面幅は0.20 nmであるのに対し、厚い領域では0.54–0.60 nmにまで増加し、顕著な人工的幅広がりが確認された。