通过电子通道增强型微分析对晶体材料中功能掺杂剂/点缺陷的原子位点进行定量分析

这种新型的元素与化学分析方案可利用能量色散X射线光谱和电子能量损失光谱，对样品中杂质或掺杂元素的位点依赖性信息进行定量分析。该技术相较于目前其他分析方法更为简便、低成本且定量结果可靠，且无需使用尖端设备。该方法不仅适用于单晶中掺杂元素的分析，还可广泛应用于与空位、间隙原子及晶界相关的晶格缺陷局部结构分析。

演示该实验步骤的是来自我实验室的讲师 Masahiro Ohtsuka。为进行透射电子显微镜观察，将薄膜样品装载到双倾透射电镜样品 holder 上，并将该 holder 插入配备有扫描模式和能量色散X射线探测器的透射电子显微镜中。在完成常规的透射电镜电子束对中程序后，单击附件“扫描图像显示”以切换至STEM模式。

进行光轴对准时，先点击“摆动”（Rocking），然后点击“光斑”（Spot）以停止光束摆动。当摆动停止后，将样品移出视野范围，并使用放大倍率箭头按钮将光束摆动范围设置为小于正负两度。顺时针旋转亮度旋钮至极限位置，然后逆时针调节物镜粗聚焦旋钮，使系统处于欠焦状态。

在荧光观察屏上会出现一个散焦光斑。按下“亮倾斜”按钮，使用偏转器旋钮将散焦光斑移至荧光屏中心。按下“标准聚焦”按钮，并逆时针旋转亮度旋钮，直至荧光屏上出现另一个散焦光斑。

按下 F3，使用偏转器旋钮将光斑移至屏幕中央。然后重复上述已演示的光学对准步骤，直至即使切换透镜状态，光束位置仍保持在中心。为使入射光束准直，首先顺时针旋转光圈旋钮，插入第三大的聚光镜光圈，然后使用附带的两个螺丝手动调节其位置，使其位于光轴中心。

结合使用亮度调节旋钮、偏转线圈旋钮和聚光镜消像散器，调节聚光镜消像散器，直至电子束形状实现同轴聚焦。按下高压摇摆器（High Tension Wobbler），调节亮度旋钮，使加速电压变化时电子束尺寸的波动最小化，从而将电子束会聚角调整至最小。再次按下高压摇摆器以停止高压摇摆功能。

设置支点时，根据制造商的说明启动维护模式，然后选择 JEOLS、扫描/聚焦和扫描控制。单击校正和扫描后，使用偏转器和物镜聚焦微调旋钮，使电子束在摆动时的位移最小化。然后使用 Z 轴控制键调整样品与支点的高度，使样品在荧光屏上聚焦清晰。

为了进行最终的束流对准以获得样品的电子沟道花样，将样品的兴趣区域移回中心位置，然后单击“扫描”以开始束流摆动。手动顺时针旋转环形暗场探测器圆筒，并插入探测器。在按住 PLA 键的同时调节偏转器旋钮，将探测器位置设定在电子束位置的中心，并检查 STEI-DF。

将出现电子沟道花样。调节亮度和对比度以优化花样的观察效果，必要时轻微转动亮度调节旋钮，以获得最清晰的对比度。为采集能量色散X射线光谱，在束流摆动模式下，采用谱成像方法，作为X和Y方向上电子束倾斜角度的函数，以显示指定元素的元素强度分布。

为了获得离子通道花样，使用线扫描功能对系统排列的一行衍射斑进行一维倾斜测量。电子通道花样预览中将出现黄色箭头，以标示测量范围。当获得足够的数据统计量时，停止测量。

在这些代表性图像中，分别展示了钛酸钡在100和110晶带轴附近的钡L、钡Kα以及氧Kα的实验电子通道图和电离通道图。此处还可观察到，掺铕钇的钙锡氧化物样品在100晶带轴附近的钙K、锡L、氧K、铕L和钇L的电子通道图与电离通道图。本分析中，铕的电离通道图更接近钙K图，而钇L图则更接近锡L图。这些数据表明，铕和钇的占位可能存在偏置，与预期相符。

表中列出了所有样品中杂质的占位情况及杂质浓度。如所观察到的，对于单独掺杂铕的锡酸钙，铕在钙位和锡位上的占据程度相等，这与X射线衍射的Rietveld分析结果一致。相比之下，在共掺杂样品中，铕和钇在钙位和锡位上的占据比例分别为约七比三和四比六，表现出显著的选择性占据，这与预期相符，同时在当前实验精度范围内保持了电荷中性条件。

仔细观察电子束与样品的边缘以确定最佳的聚焦状态非常重要，尽管最后仍可进行微调。如果您的透射电子显微镜（TEM）不具备束流摆动模式，可使用名为 QED 的软件插件，该插件可在 Gatan Microscopy Suite 上运行，实现相同的功能。