[论文解读] 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 14

一句话总结

本研究调查了在模型钙钛矿氧化物界面的原子尺度STEM-EDS映射中测量误差的影响，表明样品厚度和电离边选择显著影响定量结果。非局域化效应和电子束通道效应即使在界面完全陡峭的情况下，也会导致最多2–5个晶胞的人工混合作用，因此需要使用超薄样品和多层模拟才能准确解释。

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.

研究动机与目标

• 识别并量化复杂氧化物界面原子尺度STEM-EDS映射中的测量误差。
• 研究样品厚度和电离边选择如何影响界面区域的表观宽度和成分。
• 证明即使在完全陡峭的界面中，非局域化和电子束通道效应也会产生人工混合作用。
• 强调对超薄样品制备和多层模拟的迫切需求，以确保化学定量的可靠性。
• 提醒研究人员在未考虑束-样相互作用和仪器伪影的情况下，避免对化学映射进行直接解读。

提出的方法

• 从具有不同局部厚度的30 nm La0.88Sr0.12CrO3/SrTiO3(001)异质结构中获取原子分辨率STEM-EDS映射。
• 利用多种X射线发射边（La Lα、Sr Lα、Ti Kα、Cr Kα）测量界面处的元素分布，以评估厚度和边依赖性效应。
• 通过多层模拟建模晶体结构中电子探针的非局域化和通道效应。
• 将厚区和薄区的实验线形剖面与理想陡峭界面的模拟剖面进行比较。
• 通过峰值面积拟合和背景归一化，量化原子柱间的界面宽度（δ）和信号非局域化程度。
• 评估热散射和弹性散射电子对电离信号分布和背景强度的影响。

实验结果

研究问题

• RQ1 样品厚度在原子尺度STEM-EDS映射中如何影响界面区域的表观宽度？
• RQ2 不同X射线电离边（如L边与K边）在多大程度上导致信号非局域化和测量误差？
• RQ3 电子束探针的通道效应和非局域化在无实际混合作用的情况下，如何扭曲化学映射？
• RQ4 在模型钙钛矿界面中，束-样相互作用引入的人工混合作用的量级是多少？
• RQ5 多层模拟在多大程度上能够预测并校正STEM-EDS定量中的测量伪影？

主要发现

• 即使在完全陡峭的界面中，通过STEM-EDS测得的界面宽度也会因样品厚度和电离边选择而变化2–5个晶胞。
• Sr Lα和La Lα信号的非局域化导致表观混合作用达0.60 ± 0.03 nm（超过2个晶胞），而Ti Kα和Cr Kα信号的展宽可忽略不计。
• 在厚样品中，低能边（La Lα、Sr Lα）的背景强度可达到峰值信号最大值的75%，从而增加测量不确定性。
• 信号非局域化导致A位阳离子（La、Sr）约10–15%的信号被检测到相邻B位位置，即使无实际扩散。
• 电子束向界面处较重原子（如Sr、La）的通道效应显著扭曲峰面积定量并增加背景强度。
• 对于Sr和La Lα边，表观界面宽度从薄区的0.20 nm增加到厚区的0.54–0.60 nm，表明存在显著的人工展宽。