[논문 리뷰] Measurement Error in Atomic-Scale STEM-EDS Mapping of a Model Oxide Interface

Steven R. Spurgeon, Yingge Du외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 11.

Electronic and Structural Properties of Oxides참고 문헌 24인용 수 14

한 줄 요약

이 연구는 모델 퍼보스카이트 산화물 인터페이스의 원자 척도 STEM-EDS 맵핑에서의 측정 오차를 조사하며, 샘플 두께와 이온화 에지 선택이 정량화에 중대한 영향을 미친다는 것을 입증한다. 국소화와 전자 채널링은 완전히 갑작스러운 인터페이스에서도 2–5 단위 세포에 이르는 인위적 혼합을 유도하며, 정확한 해석을 위해서는 초박박한 샘플과 다중슬라이스 시뮬레이션을 필요로 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 복잡한 산화물 인터페이스의 원자 척도 STEM-EDS 맵핑에서 발생하는 측정 오차를 특정하고 정량화하는 것.
• 샘플 두께와 이온화 에지 선택이 인터페이스 영역의 명시적 너비와 조성에 미치는 영향을 조사하는 것.
• 국소화와 전자 채널링이 실제로 혼합되지 않은 완전히 갑작스러운 인터페이스에서도 인위적 혼합을 유도할 수 있음을 입증하는 것.
• 신뢰할 수 있는 화학 정량화를 보장하기 위해 초박박한 표본 제작과 다중슬라이스 시뮬레이션의 필수성을 강조하는 것.
• 빔-표본 상호작용과 기기적 잡음 요인을 고려하지 않은 채 화학 맵을 직접 해석하는 것에 대해 연구자들에게 경고하는 것.

제안 방법

• 다양한 국소 두께를 가진 30 nm 두께의 La0.88Sr0.12CrO3/SrTiO3(001) 이종구조체에서 원자 해상도 STEM-EDS 맵을 확보하였다.
• 다양한 X선 방출 에지(La Lα, Sr Lα, Ti Kα, Cr Kα)를 사용하여 인터페이스를 관통하는 원소 프로파일을 측정하여 두께 및 에지 의존성 영향을 평가하였다.
• 결정 구조에서 전자 프로브의 국소화와 채널링 효과를 모델링하기 위해 다중슬라이스 시뮬레이션을 수행하였다.
• 두꺼운 영역과 얇은 영역에서의 실험적 선형 프로파일을 이상적으로 갑작스러운 인터페이스의 시뮬레이션 프로파일과 비교하였다.
• 피크 면적 피팅과 배경 정규화를 통해 원자 격자에 따른 인터페이스 너비(δ)와 신호 국소화를 정량화하였다.
• 열적 및 탄성 산란 전자들이 이온화 신호 분포와 배경 강도에 미치는 영향을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 샘플 두께가 원자 척도 STEM-EDS 맵핑에서 인터페이스 영역의 명시적 너비에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 다른 X선 이온화 에지(L-에지 대비 K-에지 등)가 신호 국소화와 측정 오차에 어느 정도 기여하는가?
• RQ3 전자 프로브 채널링과 국소화가 실제로 혼합되지 않은 상태에서도 화학 맵을 어떻게 왜곡시키는가?
• RQ4 모델 퍼보스카이트 인터페이스에서 빔-표본 상호작용으로 인해 유도되는 인위적 혼합의 크기는 얼마인가?
• RQ5 다중슬라이스 시뮬레이션은 STEM-EDS 정량화의 측정 오류를 예측하고 수정하는 데 어느 정도의 정도로 기여하는가?

주요 결과

• 완전히 갑작스러운 인터페이스에서도 샘플 두께와 이온화 에지에 따라 STEM-EDS로 측정된 인터페이스 너비는 2–5 단위 세포 범위에서 변동된다.
• Sr Lα 및 La Lα 신호의 국소화로 인해 최대 0.60 ± 0.03 nm(2 단위 세포 이상)의 명시적 혼합이 관측되며, Ti Kα 및 Cr Kα 신호는 최소한의 넓어짐을 보인다.
• 낮은 에너지 에지(La Lα, Sr Lα)의 배경 강도는 두꺼운 샘플에서 피크 신호 최대치의 75%에 도달하여 측정 불확도를 증가시킨다.
• 신호 국소화로 인해 A-위치 양이온(La, Sr)의 약 10–15%가 실제로 확산되지 않은 상태에서도 인접한 B-위치에 감지된다.
• 더 무거운 원소(Sr, La)로의 전자 채널링은 피크 면적 정량화에 심각한 왜곡을 유도하고 배경 강도를 증가시킨다.
• Sr 및 La Lα 에지에서 두꺼운 영역에서는 인터페이스 너비가 얇은 영역의 0.20 nm에서 0.54–0.60 nm로 증가하여 상당한 인위적 넓어짐이 있음을 나타낸다.