ブックタイトル日本結晶学会誌Vol55No6

概要

日本結晶学会誌Vol55No6

低角散乱電子を用いた軽元素の実空間観察図2各種酸化物結晶の原子分解能HAADFおよびABFSTEM観察例.（Simultaneous HAADF and ABF STEMimages of oxide crystals.）（a）,（b）：SrTiO 3［110］；（c）,（d）：TiO 2［001］；（e）,（f）：Al 2O 3［1-210］.は原子番号に強く依存（Z-コントラスト）する.高角散乱電子のみを結像に利用する本手法では,電子散乱能の小さい軽元素原子からの信号はきわめて弱く,特に重元素原子と混在する場合,軽元素原子からの信号は重元素原子からの信号により見えにくくなる.したがって, HAADF法は軽元素原子観察には不向きな手法であると考えられてきた.一方, ABF法では検出器の外角をプローブ収束角と同程度に小さく設定し,検出器内角をその半分程度にすることで,明視野領域の透過散乱電子を選択的に検出するよう設定する.この方法により観察した各種酸化物結晶の実験像を図2b, d, fに示す.比較のため同時検出したHAADF像も図2a, c, eに示す. 2)図中に示した結晶構造モデルおよびシミュレーション結果からも明らかなように,HAADF像においては,結晶中の酸素原子コラムの信号はほかの原子コラムのコントラストに比べてきわめて弱い.一方ABF像では, HAADF像とは反対に原子コラム位置が暗コントラストで結像されるものの,酸素原子コラム位置にも明瞭な暗コントラストが生成しており,酸素原子コラムおよびほかの原子コラム位置をそれらのコントラストから直接同定できる.次に,このようなABF像コントラストのデフォーカス,試料厚依存性をほかの手法と比較して検証するために,SrTiO 3［110］に対して系統的な像シミュレーションを行った結果を図3に示す. 3)検出領域は（a）明視野（BF）：0～4 mrad,（b）ABF：11～22 mrad,（c）HAADF：81～日本結晶学会誌第55巻第6号（2013）図3 SrTiO 3を［110］方向から観察した原子分解能STEM像の検出角度依存性のシミュレーション.（Detection angle dependence on atomic-resolution STEMimages of SrTiO 3 observed from［110］direction.）（a）BF：0～4 mrad,（b）ABF：11～22 mrad,（c）HAADF：81～228 mrad.228 mradである.プローブの収束半角は22 mrad,加速電圧200 kVとして計算を行った. BF像では,像コントラストがデフォーカス量および試料厚に強く依存し,条件によっては原子位置のコントラストが明暗反転することがわかる.これはSTEMとTEMの相反性から, BF STEMでは通常のHRTEMと同様のデフォーカス－試料厚依存性を示すことに対応する.つまり, BF像のみから原子位置を議論するためには, HRTEMと同様にスルーフォーカスによる系統的な像観察およびシミュレーションとの比較が不可欠であるといえる.一方, HAADF像では,広範囲のデフォーカスおよび試料厚変化に対して原子位置が常に明コントラストで結像される.つまり,明コントラストの位置から原子コラム位置を直接同定することが可能である.しかし, O原子コラムに関しては特に試料が薄い領域でその強度が弱い. ABF像では, Sr, Ti-O, O原子コラムがいずれもバックグラウンドに対して暗コントラストを呈し,そのコントラストはおおむね原子コラムの構成元素の種類に依存する（ただし,その依存性は常に一定ではない）.重要なことは,非常に広範囲の試料厚さにわたって常に原子コラム位置が暗いコントラストで結像される点である. HAADF像に比べてABF像はデフォーカス量に対するコントラスト依存性がやや強いといえるが,正焦点近傍±3 nm程度までは試料厚が変化してもほぼ同様のコントラストを示す.したがって, ABF像で正焦点近傍にフォーカスを合わせることができれば,像コントラストから軽元素原子コラム位置を直接同定できることになる.363