हम घटना इलेक्ट्रॉन बीम-कमाल की स्थितियों के तहत इलेक्ट्रॉन-चैनलिंग घटनाओं का लाभ उठाकर अशुद्धियों और उनके रासायनिक राज्यों की साइट अधिभोग का आकलन करने के लिए मात्रात्मक माइक्रोएनालोसिस विधियों की एक सामान्य रूपरेखा प्रदान करते हैं, जो अल्पसंख्यक प्रजातियों, प्रकाश तत्वों, ऑक्सीजन रिक्तियों और अन्य बिंदु/लाइन/प्लानर दोषों से जानकारी को मज़बूती से निकालते हैं ।
क्रिस्टलीय सामग्रियों में इलेक्ट्रॉन-चैनलिंग घटनाओं पर आधारित एक उपन्यास मौलिक और रासायनिक विश्लेषण योजना शुरू की गई है, जहां घटना उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम को एक नमूने पर तय सबमाइक्रोमेट्रिक धुरी बिंदु के साथ हिलाकर रख दिया जाता है। यह विधि हमें मात्रात्मक रूप से साइट अधिभोग और साइट पर निर्भर एक नमूने में कार्यात्मक तत्वों को प्राप्त करने में सक्षम बनाती है, ऊर्जा-फैलाव एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी और इलेक्ट्रॉन ऊर्जा-हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी का उपयोग करके, जो वर्तमान सामग्री विज्ञान के लिए महत्वपूर्ण रुचि है, विशेष रूप से नैनोटेक्नोलॉजी से संबंधित। यह योजना तत्वों के किसी भी संयोजन पर तब भी लागू होती है जब एक्स-रे या न्यूट्रॉन विवर्तन द्वारा पारंपरिक रिएटवेल्ड विश्लेषण कभी-कभी सीमित नमूना आकार और आवधिक तालिका में पड़ोसी तत्वों के करीब बिखरने वाले कारकों के कारण वांछित परिणाम प्रदान करने में विफल रहता है। इस पद्धति लेख में, हम वर्तमान बीम-कमाल के माइक्रोएनालिसिस की बुनियादी प्रयोगात्मक प्रक्रिया और विश्लेषण विधि को प्रदर्शित करते हैं।
अधिकांश वर्तमान औद्योगिक उत्पादों के आकार घटाने की मांग के साथ, सूक्ष्म परिप्रेक्ष्य से सामग्री के भौतिक/रासायनिक गुणों को समझना अधिक से अधिक महत्वपूर्ण हो रहा है, कभी-कभार परमाणु पैमाने पर स्थानिक/इलेक्ट्रॉनिक संरचनाओं के संदर्भ में । उपन्यास गुणों को अक्सर अप्रत्याशित रूप से खोजा जाता है जब परीक्षण और त्रुटि द्वारा सामग्री का संश्लेषण, विभिन्न संख्याओं या प्रकार के तत्वों का चयन करते हैं, हालांकि घनत्व कार्यात्मक सिद्धांत के आधार पर वर्तमान माप तकनीकों और एबी इनिटियो सैद्धांतिक गणनाओं ने समय लेने वाले परीक्षण और त्रुटि प्रयोगों के बिना बेहतर गुणों के साथ उपन्यास सामग्री के डिजाइन को सक्षम किया है। उदाहरण के लिए, कुछ मेजबान परमाणुओं को अन्य तत्वों के साथ प्रतिस्थापित किया जाता है जो संभवतः प्रयोगात्मक या सैद्धांतिक विचारों के परिणामों के रूप में लक्षित संपत्ति में सुधार कर सकते हैं। इस संदर्भ में, प्रायोगिक जानकारी का एक महत्वपूर्ण घटक सामग्री की परमाणु संरचना में प्रत्येक घटक की स्थिति के विस्तृत ज्ञान से लाया जाता है ।
एक्स-रे और/या न्यूट्रॉन विवर्तन विधियों का पारंपरिक रूप से और व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया जाता है क्योंकि रिएटवेल्ड विश्लेषण1,2 तकनीकों पर आधारित संरचनात्मक विश्लेषण अच्छी तरह सेस्थापित किया गया है और जनता के लिए खुला है, लेकिन उच्च प्रवाह एक्स-रे स्रोतों (जैसे, सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधाओं) और आधुनिक न्यूट्रॉन स्रोतों के विकास के कारण भी, जो सामान्य शोधकर्ताओं के लिए आसानी से सुलभ हैं । हालांकि, इन तकनीकों को सजातीय संरचनाओं के साथ नमूनों की आवश्यकता होती है, और उन्हें संरचनात्मक कारकों का उपयोग करके विवर्तित चोटी की तीव्रता के प्रयोगात्मक और सैद्धांतिक सेटों के बीच रिटवेल्ड फिट की भी आवश्यकता होती है। इस प्रकार विभिन्न तत्वों के बीच अंतर करना मुश्किल हो सकता है यदि उनके संरचनात्मक कारक एक दूसरे के करीब हैं, जैसे कि आवधिक तालिका में पड़ोसी तत्वों के एक्स-रे विवर्तन में।
अधिकांश वर्तमान उन्नत सामग्रियों में, रचनाओं, वर्षा, अनाज के आकार और अशुद्धियों को नैनोमीटर पैमाने पर वांछित भूमिका को अधिकतम करने के लिए समायोजित और अनुकूलित किया जाता है। इसका मतलब यह है कि इन सामग्रियों को नैनोमीटर पैमाने पर लक्षण वर्णन या यहां तक कि उप-नैनोमीटर पैमाने पर यह जांच करने की आवश्यकता होती है कि क्या वे डिजाइन के रूप में संश्लेषित हैं। इस संदर्भ में, ट्रांसमिशन इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी (TEM) और संबंधित विश्लेषणात्मक तकनीकों का उपयोग करके इसे सबसे अच्छा हासिल किया जा सकता है।
इन दशकों में स्कैनिंग TEM (STEM) के हाल ही में नाटकीय विकास, विशेष रूप से विचलन सुधार प्रौद्योगिकियों के आधार पर, एक अत्याधुनिक तकनीक में तेजी आई है एक सामग्री की संरचना और एक परमाणु पैमाने पर इसके मौलिक वितरण प्रकट करने के लिए3,4। हालांकि, इस विधि के लिए क्रिस्टलीय सामग्री को कम क्रम वाले क्षेत्र धुरी के समानांतर और माप के दौरान उपकरण की चरम स्थिरता के लिए स्थापित करने की आवश्यकता होती है, जो एक खामी है। इसलिए, हम एक वैकल्पिक विधि प्रदर्शित करते हैं जिसके लिए ऐसी कोई सीमाएं, विपथन सुधार, या यहां तक कि क्षेत्र उत्सर्जन इलेक्ट्रॉन बंदूक की आवश्यकता नहीं है।
एक क्रिस्टलीय सामग्री में इलेक्ट्रॉन चैनलिंग तब होती है जब कोई घटना इलेक्ट्रॉन बीम विशेष परमाणु विमानों या स्तंभों के साथ प्रचारित होती है, जो क्रिस्टल अक्षों के संबंध में घटना उच्च ऊर्जा इलेक्ट्रॉन बीम की दिशा पर निर्भर करती है, जहां ब्रैग प्रतिबिंब का एक उपयुक्त सेट और एक TEM में प्रत्येक प्रतिबिंब की उत्तेजन त्रुटि का चयन किया जाता है। इलेक्ट्रॉन चैनलिंग का उपयोग करने वाली साइट-विशिष्ट ऊर्जा-फैलाव एक्स-रे (EDX या कभी-कभी पारंपरिक ईड्स) विश्लेषण तकनीक को अशुद्धियों5, 6द्वारा मेजबान परमाणु स्थलों के अधिभोग का मूल्यांकन करने के लिए मोड़ा हुआ इलेक्ट्रॉन माइक्रोएनालिसिस (अल्केमिया) विधि द्वारा परमाणु स्थान कहाजाताहै। इस विधि को अधिक जटिल और मात्रात्मक रूप से विश्वसनीय दृष्टिकोण तक बढ़ाया गया है, जिसे उच्च कोणीय-रिज़ॉल्यूशन इलेक्ट्रॉन-चैनलिंग एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी (HARECXS) कहा जाता है, ताकि अशुद्धता/डोपैंट अधिभोग का निर्धारण किया जा सके । यह सैद्धांतिक सिमुलेशन 7 के साथ प्रयोगात्मक बीम-कमाल घटता की तुलना करके महसूस कियाजाताहै। इस तकनीक को आगे उच्च कोणीय-रिज़ॉल्यूशन इलेक्ट्रॉन-चैनलिंग इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (HARECES) तक बढ़ाया जाता है, जो ईडीएक्स8के बजाय इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रा (ईएलएस) को रिकॉर्ड करता है। यह विभिन्न परमाणुवातावरण9,10,11में किसी दिए गए तत्व की साइट-विशिष्ट स्थानीय रासायनिक राज्यों के बारे में जानकारी प्रदान करता है। ऐसे मामलों में जहां प्रत्येक मेजबान तत्व एक क्रिस्टलीय साइट पर कब्जा कर रहा है, एक साधारण रैखिक प्रतिगमन और प्रयोगात्मक डेटासेट के लिए कई सूत्रों का आवेदन मात्रात्मक रूप से किसी भी सैद्धांतिक सिमुलेशन के बिना डॉप्ड अशुद्धियों की साइट अधिभोग निर्धारित करता है।
निम्नलिखित वर्गों में, हम जेल JEM2100 स्टेम प्रणाली के लिए विशिष्ट विधि की विस्तृत प्रक्रियाएं प्रदान करते हैं क्योंकि यह स्पष्ट रूप से स्टेम ऑपरेशन मेनू में बीम-कमाल मोड से सुसज्जित है। अन्य माइक्रोस्कोप के उपयोगकर्ताओं के लिए, कृपया इस लेख के चर्चा अनुभाग के अंतिम पैराग्राफ में विवरण का उल्लेख करें।
प्रोटोकॉल में महत्वपूर्ण कदम घटना कमाल बीम है कि धुरी बिंदु है, जो निर्दिष्ट कदम 2.2-2.3 में वर्णित क्षेत्र में स्थिर है के साथ एक छोटा सा अभिसरण कोण है सही संरेखित करने की क्षमता है । लगभग 2 एमआरएडी से बड़ा नहीं होने के अभिसरण अर्ध-कोण के साथ एक कोलिमेटेड घटना बीम का उपयोग किया गया था। 400 एनएम का बीम आकार और 1 माइक्रोन का व्यास वर्तमान हार्डवेयर सिस्टम में कंडेनसर अपर्चर #4 (व्यास में 10 माइक्रोन) और #3 (30 माइक्रोन) स्थापित करके चुना जा सकता है।
वर्तमान विधि के फायदे यह हैं कि (i) कोई उन्नत स्टेम उपकरण जैसे कि विपथन-सही स्टेम या यहां तक कि क्षेत्र उत्सर्जन इलेक्ट्रॉन बंदूक भी आवश्यक नहीं है; (ii) 64 × 64 पिक्सल 2 के स्कैन क्षेत्र के लिए कई नमूना अंक (उदाहरण के लिए~4,000अंक) स्वचालित रूप से उच्च दक्षता के साथ एकत्र किए जा सकते हैं, विश्लेषक पक्ष पर पारंपरिक स्टेम स्पेक्ट्रल इमेजिंग प्रक्रिया का संचालन करते समय, और (iii) ईडीएक्स, ईएलएस और कैथोडोल्यूमिनेसेंस जैसे कई स्पेक्ट्रोस्कोपिक तरीकों को एक ही एकीकृत प्रणाली में समवर्ती रूप से संचालित किया जा सकता है, जो मल्टीमॉडल विश्लेषण13को सक्षम बनाता है।
चूंकि प्रयोगात्मक आईसीपी को सैद्धांतिक सिमुलेशन द्वारा ठीक से भविष्यवाणी की जा सकती है, इसलिए विधि को न केवल उन मामलों पर लागू किया जा सकता है जहां रुचि के क्रिस्टल में एक डॉपेड तत्व14के लिए कई आवधिक परमाणु साइटें होती हैं। इसके अलावा एक्सटेंशन चल रहे हैं, जैसे कि रिक्ति सांद्रता और मेजबान तत्वों15के संबद्ध विस्थापन का पता लगाने के लिए, और यहां तक कि सिरेमिक की अनाज सीमाओं के साथ अलग डोपैंट्स के आदेश। वर्तमान विधि एक महत्वपूर्ण वैकल्पिक तकनीक प्रदान कर सकती है जो विपथन-सही स्टेम का उपयोग करके परमाणु स्तंभ-बाय-कॉलम विश्लेषण के विपरीत अपेक्षाकृत मोटे नमूनों पर लागू होती है, जिसके लिए बहुत पतली उच्च गुणवत्ता वाले नमूनों (< 10 एनएम) की तैयारी की आवश्यकता होती है।
ईडीएक्स के बजाय टेम-ईएलएस (हरेसेस) का उपयोग करके एटम साइट-चयनात्मक इलेक्ट्रॉनिक राज्य विश्लेषण8,9,10, 11संभव है। स्वचालित माप के लिए, HREM रिसर्च इंक16द्वारा आपूर्ति किए गए गैटन माइक्रोस्कोप सुइट पर चलने वाले बीम कंट्रोलिंग सॉफ्टवेयर ‘क्यूईड’ में ‘अल्केमी विकल्प’ का उपयोग करने की सिफारिश की जाती है। HARECES माप में, यह सुनिश्चित करना आवश्यक है कि प्रेषित बीम ईएलएस डिटेक्टर स्थिति से दूर है और बीम झुकाव अनुक्रम8में व्यवस्थित पंक्ति के लंबवत है।
इस विधि की एक सीमा घटना इलेक्ट्रॉन बीम का न्यूनतम बीम आकार है, जो न्यूनतम मापा क्षेत्र को लगभग 400 एनएम तक सीमित करता है। यह TEM लेंस प्रणाली के विचलन के कारण है जिसमें धुरी केंद्र एक छोटे बीम आकार के लिए बीम त्रिज्या से आगे बढ़ता है, जिसे भविष्य में बीम भटकने के लिए क्षतिपूर्ति करने के लिए TEM विक्षेपक लेंस वर्तमान सेटिंग को संशोधित करके संशोधित किया जा सकता है।
यदि उपयोग किए गए माइक्रोस्कोप में बीम-रॉकिंग मोड नहीं है, तो क्यूईड सॉफ्टवेयर का उपयोग करके एक बहुत ही ऑपरेशन प्राप्त किया जाता है, जो सीमा को भी संबोधित करता है, क्योंकि सॉफ्टवेयर नैनो-बीम मोड में भी चलती धुरी बिंदु को सुधार सकता है। FEI कंपनी द्वारा निर्मित एस/TEMs के लिए (अब थर्मो फिशर साइंटिफिक का हिस्सा), TIA पटकथा, ओपन सोर्स कोड एक पीसी के माध्यम से सभी एस/ईएम कार्यों और संलग्न डिटेक्टरों का प्रबंधन कर सकते हैं । लगातार घटना बीम झुकाव के साथ अनुक्रमिक EDX/EELS डेटा अधिग्रहण TEM इमेजिंग और विश्लेषण मंच13पर चल रहे पटकथा कार्यक्रम TIA का उपयोग कर प्रदर्शन किया गया ।
The authors have nothing to disclose.
इस काम को आंशिक रूप से किबन-केंक्यू ए (नंबर 26249096), अभिनव क्षेत्रों “नैनो सूचना विज्ञान” (नंबर 25106004) पर वैज्ञानिक अनुसंधान के लिए अनुदान-सहायता द्वारा समर्थित किया गया था, और जापान सोसाइटी ऑफ द प्रमोशन ऑफ साइंस से वाकेट-केंक्यू बी (नंबर 26870271) थे।
Electron Energy-Loss Spectrometer | Gatan Inc. | Enfina1000 | Parallel EELS detector |
Energy dispersive X-ray detector | JEOL Ltd. | SD30GV | EDS silicon drift detector |
Gatan Microscope Suite (GMS) | Gatan Inc. | ver. 2.3. | Integrated software platform for controling cameras, detectors, S/TEM and data analysis |
QED | HREM Research Inc. | for GMS 2.3 32bit | beam controlling software, running on the Gatan Microscope Suite |
scanning transmission electron microscope | JEOL Ltd. | JEM-2100 | Beam-rocking mode option in ASID controlling window |
TEMCON | JEOL Ltd. | Control software for JEM 2100 | |
Thermo NSS software | Thermo Fischer Scientific Inc., USA | EDS control software |