[論文レビュー] The origin of atomic displacements in HAADF images of the tilted specimen

Jie Cui, Yu-Feng Yao+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2017

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、歪れ補正付き走査型透過電子顕微鏡（STEM）における試料の傾きが、カチオンとアノンの異なる散乱断面積のため、高角度アンナラルドット・ダークフィールド（HAADF）像に人工的な原子のずれを引き起こすことを特定した。シミュレーションと実験により、傾きが見かけ上の分極化アーチファクトを引き起こすことが確認され、重い原子が軽い原子に対して相対的にずれて見える。これは、材料の構造的分析において、考慮されなければ誤解を招く可能性がある。

ABSTRACT

The effects of the tilt of the crystallographic orientation with respect to an incident electron probe on high-angle annular dark field (HAADF) imaging in aberration-corrected scanning transmission electron microscopy (STEM) have been investigated with experiments and simulations. A small specimen tilt can lead to unequal deviations of different atom species in the HAADF image and result in further relative displacement between anions and cations. Simulated HAADF images also confirm that the crystal tilt causes an artifact in atom polarization as well. The effect is derived from the scattering ability of different atoms.

研究の動機と目的

• 歪れ補正付きSTEMにおける結晶学的傾きがHAADF-STEM像に与える影響を調査すること。
• 試料が傾いている場合のHAADF像におけるカチオンとアノン間の見かけ上の原子のずれの原因を特定すること。
• これらのずれが実際の構造的特徴であるのか、試料の幾何学的要因に起因する像形成アーチファクトであるのかを明確にすること。
• 傾き下での異なる原子種の散乱断面積の差に根ざした物理的説明を提供すること。
• 実際の構造的特徴と傾きに起因するアーチファクトを区別することで、原子スケール像の正確な解釈を支援すること。

提案手法

• 歪れ補正付き電子顕微鏡を用いた、傾いている試料の実験的HAADF-STEM像の撮影。
• さまざまな試料の傾き角度における電子散乱の原子論的シミュレーション。
• シミュレートされた画像と実験的画像の比較により、観察されたずれの妥当性を検証すること。
• 斜めに入射するビーム下でのカチオンとアノンの散乱断面積の差の分析。
• 傾き角度および原子番号の差に応じた相対的ずれの大きさの定量的評価。
• 散乱の非対称性と画像面上での見かけの原子のずれを結びつける理論的モデルの使用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 傾いている試料のHAADF-STEM像において、カチオンとアノンの間で見かけの原子のずれが生じる原因は何か？
• RQ2 試料の傾きがHAADF像における原子の相対的位置にどのように影響を与えるか？
• RQ3 観察されたずれは、実際の構造的特徴であるのか、電子散乱の幾何学的要因に起因するアーチファクトであるのか？
• RQ4 原子の散乱断面積の差が、傾き下でどの程度ずれのアーチファクトを増幅させるか？
• RQ5 シミュレーションおよび理論的モデルを用いて、これらのアーチファクトを予測・補正できるか？

主な発見

• 試料の傾きにより、カチオンとアノンの間で人工的な相対的ずれがHAADF-STEM像に生じる。これは、両者の散乱断面積の差に起因する。
• このずれの効果は、例えば重いカチオンと軽いアノンのような原子番号の差が大きい原子対で顕著に現れる。
• シミュレーションにより、このアーチファクトは、歪んだ幾何学における電子の非対称的散乱に起因し、実際の原子のずれとは無関係であることが確認された。
• ずれの大きさは、傾き角度が大きくなるほど、および隣接原子間の原子番号の差が大きくなるほど増大する。
• この効果は体系的かつ予測可能であり、傾きと原子種が分かれば補正可能であることが示唆された。
• 本研究の発見は、原子分解能STEMにおける誤解の重要な要因を明らかにし、定量的材料分析において考慮すべき不可欠な要因である。