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纳米电磁场分析、ePDF及PED增强EELS/EDX

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ꄲ后一个： ADT-3D 三维旋进电子衍射断层扫描软件

纳米电磁场分析

TEM 中的 4D 扫描旋进电子衍射 (4D-SPED) 采集方法目前用于材料分析的多种应用，如取向和相分布以及应变分析。4D-SPED 是 4D-STEM 技术的扩展，它包括用电子束扫描样品结构以观察和记录每个位置的旋进电子衍射图案 (PED)。
4D-SPED 采集与专用数据处理软件一起用于详细表征功能材料中的局部电场/磁场和内建电势。
在扫描样品时，透射电子束在洛伦兹力的作用下受到局部电场而偏转。
局部电场的模转化为透射电子束强度分布的偏移。
电场与光束强度的 CoM（质心）位移有关。0.1-0.4 度的电子束旋进可以用于消除动力学效应并获得噪声较小的 ED 图案，从而提高结果。
电场计算对于研究许多材料和设备的特性具有重要意义，例如晶体管、太阳能电池或传感器、纳米线、电池等。

实验

可以通过使用 0.7-1.5nm(取决于TEM)尺寸范围内的伪平行光束扫描感兴趣的区域来收集数据，使用小的聚光镜光阑(~10μm)以及从 0.5 mrad 到 5 mrad (或更多)变化的会聚角，扫描步长为束斑尺寸或束斑尺寸的一半，以实现尽可能高的空间分辨率(低至 1 nm)。

相机长度经过适当调整，以正确显示透射光束 (000) 位移。

光束会聚角和相机长度是相关参数，令电子束适配探测器窗口。数据可以通过标准 NanoMEGAS 外部 Stingray CCD 收集，也可以通过 NanoMEGAS 专用扫描发生器触发或同步高端直接电子检测器或CMOS 相机（如 Gatan、QD、ASI 探测器）收集。

质心 (CoM) 算法用于计算不同样品区域之间的平均内电位

为了计算电场，第一步是在设置ROI区域（通常为几平方微米大小）后计算原始 (000) 光束的CoM，然后应用背景校正以克服可能存在的扫描光束偏移的影响。

得到的去背景COMx和 COMy 用于获得最终的 CoM magnitude 和 CoM phase，从中可以得到沿不同样品区域的电场分布。

由于动力学效应的降低，旋进显著提高了 CoM 偏移的测量质量。

案例展示：

· 样品：GaAs/AlAs (001) 界面

· 晶格匹配的 GaAs/AlAs (001) 界面用作异质界面模型。

· 马尔堡大学，Kerstin Volz 教授组

· JEOL 2200 FS

· NanoMEGAS Digistar PED 硬件。

· TEM Alpha 3，聚光镜光阑 20μm，光斑尺寸 1

· 2mrad 电子束会聚，PED 频率：1KHz

· 偏离晶带轴：7°

· 能量滤波器开启，步长：2nm

· 扫描区域 1024 x 1024 nm

· 曝光时间：1ms，扫描时间：4 min 27 s

ePDF 电子对分布函数

对材料物理特性的理解和可能的预测取决于对局部原子排列和晶体结构的了解。纳米晶体或非晶态材料的研究可以使用对分布函数 (PDF) 等技术进行，该技术用于通过使用 X 射线、中子或电子衍射 (ED) 源来解决局部原子排列问题。透射电子显微镜 (TEM) 中的 ED 相关 PDF (ePDF) 优于 X 射线 PDF 技术，它允许在非常短的时间内（毫秒而不是使用传统X射线Au或Mo源的数小时）收集 (ED) 图案，研究非常小的局部尺度（纳米级而不是毫米级）纳米晶体材料的排序。ePDF 最近已被用于研究纳米颗粒和非晶态材料，并且已经确定 ePDF 图案与等效 X 射线 PDF 图案匹配良好。然而，基于 ePDF 分析的局部结构信息质量可能会受到影响中存在的动力学效应的影响，而这些动力学效应会影响 ePDF 峰高。在这项工作中，我们应用 ePDF 分析来研究各种非晶态和晶体材料的局部顺序；特别是我们研究了旋进电子衍射（PED）的影响，通过降低动力学电子衍射效应来获得可靠的ePDF局部有序分析。

TEM 中的电子对分布函数 (ePDF)

使用对分布函数 (PDF) 分析，可以了解纳米晶体和非晶态材料中的局部原子序，使用 TEM 显微镜中的 X 射线、中子或电子衍射。

在下例中，使用 Libra (120 kv) TEM 显微镜 (IIT Pisa) 生成在 2k x 2k CCD 相机上记录的高质量 ED 图案。NanoMEGAS 的 PED 设备 (Digistar) 安装在透射电镜上。

ePDF 原理示意图。G(r)-r曲线图上的峰位表示原子间距，峰的面积积分代表配位数。

使用 ePDF 进行局部结构研究的优势

（顶部）多晶材料的 ePDF 图，显示长程有序的各种原子间距离（峰高）

（底部）非晶材料的 ePDF 图，显示局部有序在约 5 Å 处消失

NanoMEGAS 的 PED Digistar 和（右上）纳米晶金薄膜的电子衍射 PDF 和（右下）相同材料的 X 射线 PDF。ePDF 和 X 射线 PDF 非常相似。

TEM 中的 ePDF 比 X 射线 PDF 更具优势，它允许在非常小的局部尺度（纳米而不是毫米）上研究纳米晶材料的排序，并允许在非常短的时间内收集 ED 图案（使用传统的 X 射线 Au 或 Mo 源需要数毫秒而不是数小时）。

利用 ePDF 结合 TEM 研究非晶态材料的局部有序性

蛋白石矿物可以是纳米晶或无定形的，由 SiO₂（方石英和鳞石英）在极短范围内随机堆积而成。用120 kv TEM 拍摄的蛋白石晶体的 ED 图案（左上）及其相应的ePDF 图案显示7 Å以外的长程有序性不强（蓝色箭头）。红色箭头对应 1.535 Å（Si-O）、2.589 Å（O-O）、4.153 Å（Si-O/O-O）和 4.736 Å（O-O/Si-O/Si-Si）原子间距离。

用于相分布分析的 ePDF

为了确定 NaYF₄ 纳米颗粒上是否存在立方相或六方相，对粉末 NaYF₄ 多晶 ED 图案进行了 ePDF 分析；将 ePDF 峰与立方相和六方相的计算原子间位置进行比较后，ePDF 相关分析显示所研究的相主要是六方相。

带有旋进电子衍射的 ePDF

（a）非晶态蛋白石 ED 花样（未应用旋进）和（b）具有 2º 旋进角（c）没有和（d）具有各种旋进角的蛋白石 ED 线扫描相应的蛋白石 ePDF 图案，没有和具有各种 PED 角度；与 0 º PED 相比，2º PED 角的 ePDF 图案没有任何差异。

虽然 ED 中存在的动力学效应会影响 ePDF 峰的高度，但不会影响与精确原子间距离相对应的位置。

使用已知可以减少动态相互作用的进动电子衍射 (PED) 来评估其对 ePDF 峰高的影响。

（a）NaYF₄ 纳米粒子 ED 图案（未施加旋进）和（b）具有 2º 旋进角；（c）没有和具有各种旋进角的 NaYF4 ED 图案线扫描（d）相应的没有和具有各种 PED 角度的 ePDF 图案；尽管 PED 对 ED 图案没有明显影响，但具有 2º PED 角度的 ePDF 显示所有 ePDF 峰高与 0º PED 相比有显著增加。

案例研究：利用 ePDF 旋进电子衍射实现可靠的局部有序性（配位数）

为了精确量化 PED 对 NaYF₄ ePDF 图案的影响，比较了实验获得的 2.36 Å（Na/Y-F 键）ePDF 峰周围的总面积（有旋进和无旋进时获得）。相应表格中显示的结果非常有希望，因为表明使用旋进电子衍射可以获得从 ePDF 峰中提取的相邻原子数（配位数）的非常可靠的信息。

从 ED 图案获得的 ePDF（含和不含 PED），箭头显示 2.36 Å 处的峰值。表格显示实验（含和不含 PED）与理论配位数

使用 TEM 进行 ePDF（电子对分布函数）分析是一种非常有效的技术，可用于研究局部晶体顺序（例如纳米颗粒和非晶态材料），并有助于识别纳米晶相。动力学衍射的存在会影响 ED 强度和 ePDF 峰高，但不会影响与原子间距离相对应的 ePDF 位置。我们的工作表明，PED 应用会显著影响 ePDF 峰高（NaYF4纳米晶体的情况），并可获得有关局部配位数的非常可靠的信息。这些结果可能会鼓励在 TEM 中更广泛地使用旋进电子衍射和 ePDF 组合来研究纳米颗粒和无序材料。

PED增强EELS / EDX 谱