ブックタイトル日本結晶学会誌Vol61No1

概要

日本結晶学会誌Vol61No1

走査透過電子顕微鏡像観察による結晶構造解析点線の挿入図は，推定した膜厚と焦点を用いてシミュレーションしたもので，上述のトンネルの中にEu単原子が侵入型不純物として存在していることがわかった．ドーパントを計測・解析するためには，高いSN比だけではなく，試料内部でのプローブの伝搬を知る必要がある．β-Si 3N 4構造に入射したプローブがどのように伝搬するかをシミュレーションした結果を図8に示そう．原子コラムがないトンネルの位置に電子を入射した場合（図8b），プローブは真空中と同様にそのまま広がっていくが，原子コラムのある位置に入射させると（図8a），原子コラムに沿って伝搬していく（チャンネリング）．各原子はプローブを収束する働きを有しており，アトミックフォーカサーとも呼ばれる．入射電子のプロファイルよりも，伝搬しているプローブのほうが半値幅が小さいことに注意しよう．このシミュレーション結果から推定できるように，ドーパントが侵入型か置換型によって，ドーパントの検出の可否や，信号強度の深さ依存性などが変わってくる．球面収差補正装置の実用化は高分解能観察を可能としたが，収束角の増大により焦点深度が短くなるため，定量解析のためにシミュレーションがますます重要になっているとも言える．単原子レベルのADF像計測は，次項に述べるグラフェ22ンなどのナノ材料）あるいは，ナノ材料に吸着した単原子・クラスターの観察にも有効であり，それらは既報にゆずることとしたい．23）,24）4.4 Incoherent imaging近似からの逸脱これまでADF像における結晶構造の観察は，incoherentimaging近似を前提に述べてきた．基本となる式（1）の装置関数（プローブ形状）は，結晶中の位置や試料膜厚には依存しないが，しかし実際には図8で述べたように，その形状や伝搬は入射位置や膜厚に応じて変化する．また，Pennycookらの報告では，ADF検出器の検出範囲の内角は比較的大きかった（s＞1［A－1］）．ADF検出器の内角が小さくなると，例えば局所的な歪みなどによっても強度が変化する．25）われわれは原子配列によっては，輝点の位置が原子コラムから逸脱することや，例えば中心対称性を有する結晶が試料傾斜によってあたかも中心対称性を失っているように見えることを実験やシミュレーションで報告した．26）Incoherent imaging近似は優れた近似であるが，ピコメートルオーダーの原子位置同定を目的とした場合には近似の限界を超えていると考えるべきであろう．5．定量的なADF像観察図7β-SiAlON中のEuドーパントの計測．（Single Eu dopantobservation using STEM.）（a）BF像，（b）ADF像．点線の枠内はシミュレーション結果．矢印の部分にEu単原子ドーパントがある．5.1定量計測のために必要な計測手法ADF像の強度は，入射した電子のうちADF検出器で検出される割合（％）として定量化される．シミュレーションにおいては当初から散乱確率としてSTEM像計算結果は与えられていたが，実験結果を定量的に解析するようになったのはLaBeauとStemmerによる報告が最初であろう．27）ADF像の定量化が容易でないのは，微弱なADF散乱電子を検出するハードウエアに一因がある．図9に図8β-Si 3N 4中のプローブの伝搬のシミュレーション結果．（Simulation results of the incident probe propagation atdifferent positions onβ-Si 3N 4 structure.）（a）Siの原子コラム上と（b）原点（原子がない）にプローブを入射した場合の，伝搬の様子．日本結晶学会誌第61巻第1号（2019）図9ADF像観察システムの模式図．（Schematic drawingof ADF detection system.）19