原子分辨率EDS

应用笔记

罗杰·丹尼尔(Roger Daniel),休斯顿·迪库斯(Houston Dycus)和迈克·萨蒙(Mike Salmon)

薄膜生长的进步引起了对在原子尺度上表征结构和化学性质的需求。 在许多情况下,诸如界面突变和成分分离等功能对于理解设备性能很重要。 扫描透射电子显微镜(STEM)提供了一种逐个原子地直接观察材料结构的途径,但是,直到最近的进展,无法收集足够的信号限制了高分辨率光谱学。 在EAG实验室,我们现在能够以原子级执行能量色散X射线光谱(EDX / EDS)。

结果与讨论

沿<110>区域轴取向的InGaAsSb超晶格的原子分辨结构使用HAADF(Z对比度)STEM显示,其强度分布与图1中图像的黄线相对应。每个亮点对应于a的位置。原子列,其强度按比例缩放到列中的平均原子数。 尽管强度随列中的原子序数和原子总数而定,但是在许多情况下,提取组​​成信息仍然很困难。 对于三元或四元系统,可能会在几种情况下发生相同的强度。 例如,In-Ga-Al混合柱可能看起来具有与纯Ga柱相同的强度。

图1:以原子分辨率获得的InGaAsSb超晶格的HAADF(Z对比度)图像。 样品由北卡罗莱纳州A&T提供。

为了解决HAADF图像强度中的歧义,可以使用光谱法通过使用从样品-电子束相互作用生成的X射线来提供带有与存在的每种元素种类相关的信号的信号图。 在前几代EDS检测器中,低信号收集妨碍了原子分辨率下可实现的信号,从而限制了执行原子标度映射的能力。 使用现代技术,可获得的信号大约高出一个数量级,并且现在可以以原子分辨率执行这些技术。

图2显示了在超晶格结构的重复单元上获取的EDS图,其颜色对应于每种元素的类型。 与HAADF图像相反,现在可以清楚地识别出每个不同的层,包括InSb的界面单层,从而消除了与黑白Z对比图像相关的歧义。 如通过图2中的示例所示,EDS阐明了层组成以及样品中的极性。 尽管对于原子分辨的EDS映射,信号是清晰的,但信号速率仍远低于典型的Z对比图像。 因此,EDS测绘对有限的电子束辐射的敏感性有限。

图2:叠加在HAADF(Z对比度)图像上的Ga,As,In和Sb的元素EDS映射。 样品由北卡罗莱纳州A&T提供。

对于具有独特晶格位点的更复杂的结构,可以采用原子分辨率来确定每种原子在晶体中的位置。 例如,钛酸锶(STO)和锰酸镧锶(LSMO)都属于钙钛矿(ABO3)结构,这是一个立方系统,其元素不同,分别占据A和B子晶格。 图3显示了STO / LSMO接口处阳离子的原子分辨元素信号。 通过比较来自第二面板(Sr + Mn)和第三面板(Ti + La)的信号,我们观察到La和Ti物种形成界面层,并且Sr和Mn中信号不足。 3和4面板显示了两层中A和B位置的信号,其中La替换了A子晶格中的Sr,而Mn替换了B子晶格中的Ti。 最后,我们可以形成一个合成图,显示整个界面上的元素分布。

图3:EDS图解析了STO / LSMO界面上的原子结构,左侧具有不同的组合元素图,而示意图在右侧显示了钙钛矿晶体结构。

在许多原子尺度上,缺陷会导致化学偏析。 对于掺杂Mg的GaN的例子,不是Mg在整个材料中均匀分布,而是形成缺陷复合物,导致位错。 图4显示了掺有Mg的GaN样品,其中红色框对应于块状GaN,绿色框表示晶格缺陷。 使用原子分辨的EDS,该缺陷显示出富含Mg且Ga缺乏。如果没有光谱指纹,则无法通过标准的Z对比成像确定样品中Mg的分布。

图4:原子分辨的HAADF图像和EDS图,显示了整体GaN晶体和含Mg的缺陷。 样品由法政大学离子束技术研究中心提供。

在所示的示例之外,该技术广泛适用于晶体材料。 通过本文末尾的参考资料,可以找到几个特定的​​示例。 在许多情况下,晶格具有独特的位置,某些元素优先存在于结构中。 晶格中元素的分布从根本上与属性相关联,并且可以影响感兴趣的区域(例如界面)。

概要

EAG实验室现在能够为EDS提供原子尺度的分辨率。 这些图进一步推动了分析能力,以研究尺寸越来越小的层化学。 通过提高分辨率,可以实现跨界面化学分布的更精确测量。 尽管这些技术可以通过增加原子级光谱的信号来实现,但样品必须比标准的Z对比成像在更长的时间内对电子束具有足够的抵抗力。

要求和限制

  • 结晶物质
  • 耐电子束损坏
  • 最适合原子序号为10或更高的元素
  • 大面积地图会减少每个像素的信号,因此较小的区域会生成具有更好信号的地图

参考文献:

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