[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究发现，在像差校正扫描透射电子显微镜（STEM）中，样品倾斜会导致高角度环形暗场（HAADF）像中出现人为的原子位移，这是由于阳离子和阴离子的散射截面存在差异所致。模拟与实验结果证实，倾斜会引起表观极化伪影，较重原子相对于较轻原子表现出位移，若在材料表征中未加以考虑，可能误导结构分析。

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.

研究动机与目标

• 研究晶体取向倾斜对像差校正STEM中HAADF-STEM成像的影响。
• 识别在样品倾斜时，HAADF像中阳离子与阴离子之间出现表观原子位移的根源。
• 阐明这些位移是真实的结构特征，还是由样品几何形状引起的成像伪影。
• 基于不同原子种类在倾斜条件下的差异散射截面，提供物理解释。
• 通过区分真实结构特征与倾斜引起的伪影，指导原子尺度图像的准确解读。

提出的方法

• 使用像差校正电子显微镜对倾斜样品进行实验HAADF-STEM成像。
• 对不同样品倾斜角度下的电子散射进行原子尺度模拟。
• 将模拟与实验的HAADF图像进行对比，以验证观察到的位移。
• 分析倾斜入射电子束下阳离子与阴离子的差异散射截面。
• 定量评估相对位移大小随倾斜角和原子序数的变化关系。
• 利用理论模型将散射各向异性与图像平面上的表观原子位移联系起来。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在倾斜样品的HAADF-STEM像中，阳离子与阴离子之间会出现表观原子位移？
• RQ2 样品倾斜如何影响HAADF像中原子的相对位置？
• RQ3 所观察到的位移是真实结构特征，还是电子散射几何引起的伪影？
• RQ4 原子散射截面的差异在倾斜条件下在多大程度上加剧了位移伪影？
• RQ5 能否通过模拟与理论建模预测并校正这些伪影？

主要发现

• 样品倾斜会导致HAADF-STEM像中阳离子与阴离子之间出现人为的相对位移，这是由于它们的散射截面不同所致。
• 该效应在原子序数对比度较大的系统中最为显著，例如重阳离子与轻阴离子。
• 模拟结果证实，该伪影源于倾斜几何条件下电子的非对称散射，而非真实的原子位移。
• 位移量随倾斜角增大以及相邻原子间原子序数差异增大而增加。
• 该效应具有系统性和可预测性，若已知倾斜角和原子种类，可进行校正。
• 研究结果揭示了原子分辨STEM中一个关键的误判来源，必须在定量材料分析中予以考虑。