| dc.description.abstract | For å forbedre nøyaktigheten til kvantitativ energispredningsspektroskopi (EDX) på transmisjonselektronmikroskoper (TEM), har tilnærminger for å bestemme zeta-faktorer blitt utviklet og deretter brukt for kvantifisering på en JEOL 2100 og en JEOL 2100F. For JEOL 2100 ble zeta-faktor-metoden brukt for første gang. zeta-faktor-metoden kan oppnå langt bedre kvantifiseringsnøyaktighet enn den vanligere tilnærmingen, som er å bruke Cliff-Lorimer-metoden med k-faktorer spesifisert av kommersiell EDX-programvare. Disse k-faktorene blir vanligvis regnet ut teoretisk, og kan ha feil på så mye som 15-20 %. Det er andre viktige fordeler ved zeta-faktor-metoden, for eksempel samtidig beregning av tykkelse, muligheten for absorpsjonskorreksjon, og muligheten for å bestemme zeta-faktorer fra standarder bestående av ett element i stedet for spesielle forbindelser.
En forutsetning for zeta-faktor-metoden er at elektronstrålestrømmen må være kjent. I dette prosjektet har elektronstrålestrømmen blitt målt indirekte ved å bruke en "charge-coupled device" (CCD) brukt for avbildning. Ved å bruke et skript i DigitalMicrograph ble elektronstrålestrømmen på JEOL 2100 analysert og verifisert til å være stabil nok for nøyaktig bestemmelse av zeta-faktorer. For å estimere elektronstrålestrømmen burde målinger utføres før og etter EDX-data blir tatt opp. Videre har eksperimentelle innstillinger som påvirker målingene blitt evaluert, og retningslinjer for måling av elektronstrålestrøm har blitt laget.
For å bruke zeta-faktor-metoden må zeta-faktorer være kjent for hvert element som skal kvantifiseres. zeta-faktorer med feilledd har blitt bestemt for Ga Ka og As Ka. Effekter som påvirker zeta-faktorer har blitt studert. Det ble oppdaget at helningen til prøveholderen forårsaket konsistente avvik i zeta-faktorer på grunn av skyggelegging under en kritisk vinkel, og at zeta-faktorer var uavhengige av helningen når skyggelegging var fraværende. Videre ble det oppdaget at zeta-faktorene varierer når prøven var orientert nærme en soneakse. For fremtidige zeta-faktor-bestemmelser anbefales det å unngå soneakser, og å bruke en helningsvinkel på prøveholderen som er godt over den kritiske vinkelen der skyggelegging starter.
Til slutt ble eksperimentelt bestemte zeta-faktorer verifisert ved å bruke zeta-faktor-metoden på nanotråder og nanopartikler med kjent sammensetning. Zeta-faktorene ble funnet å gi tilsvarende eller bedre resultater enn Cliff-Lorimer-metoden i alle studerte tilfeller. For å forbedre kvantifiseringsnøyaktigheten ytterligere ble to modifiserte tilnærminger demonstrert. Den første tilnærmingen er interne zeta-faktorer, som betyr at standarden brukt for zeta-faktor-bestemmelser ligger innenfor det analyserte området. Det ble demonstrert at interne zeta-faktorer gir tilsvarende eller bedre resultater enn zeta-faktorer bestemt fra en kalibreringsøkt. Det anbefales sterkt å bruke interne zeta-faktorer i de tilfeller det er mulig. I den andre tilnærmingen ble en ukjent zeta-faktor, i dette tilfellet Sb La, funnet ved å utnytte kunnskap om sammensetningen til systemet som helhet. Den indirekte bestemte zeta-faktoren ble verifisert på en testprøve bestående av GaSb.
Tilnærmingen til elektronstrømstrålemålinger, Python-kode for prosessering av EDX-data, samt zeta-faktorer som har blitt bestemt i denne studien, har blitt demonstrert å gi gode resultater sammenlignet med Cliff-Lorimer-metoden. Allikevel kreves det videre arbeid før zeta-faktor-metoden kan brukes på en like enkel måte som Cliff-Lorimer-metoden. Zeta-faktorer må bestemmes for flere elementer. zeta-faktorer for manglende elementer kan finnes ved estimering basert på eksperimentelt bestemte zeta-faktorer og en modell for Z-avhengigheten til zeta-faktorer. På denne måten kan et fullstendig sett av tabulerte zeta-faktorer bestemmes. Videre kan alternativer til å bruke en CCD for indirekte elektronstrømmålinger undersøkes. Hvis dette blir gjort, kan zeta-faktor-metoden bli en metode som er lett å bruke, og som samtidig gir bedre kvantitativ nøyaktighet enn det Cliff-Lorimer-metoden gjør i dag. | |
| dc.description.abstract | To improve the accuracy of quantitative energy-dispersive spectroscopy (EDX) on transmission electron microscopes (TEM), approaches for determining zeta-factors have been developed and subsequently applied on a JEOL 2100 and a JEOL 2100F. For the JEOL 2100, the zeta-factor method was used for the first time. The zeta-factor method can achieve a much higher quantification accuracy than the usual approach of using the Cliff-Lorimer method with k-factors specified by commercial EDX software. These k-factors are normally calculated from first principles and can have an error of as much as 15-20 %. There are other important advantages to the zeta-factor method, such as simultaneous thickness determination, the possibility of performing absorption correction, and the possibility of determining zeta-factors from pure-element standards instead of special compounds.
A main pre-request of the zeta-factor method is that the beam current needs to be known. In this project, the beam current has been measured indirectly by using the charge-coupled device (CCD) used for imaging. Using a DigitalMicrograph script, the beam current on the JEOL 2100 was analyzed and verified to be stable enough for accurate zeta-factor measurements. In order to estimate the beam current, measurements should be done before and after EDX data collection. Furthermore, experimental settings affecting the measurements have been evaluated, and guidelines for consistent beam current measurements have been made.
In order to apply the zeta-factor method, zeta-factors must be known for every element to be quantified. Zeta-factors with error terms have been determined for Ga Ka and As Ka. Effects which influence the zeta-factors were studied. The stage tilt was found to cause consistent deviations in the zeta-factors due to shadowing effects beyond a critical angle, and the zeta-factors were independent of stage tilt if shadowing was absent. Furthermore, zeta-factors were found to vary when the sample was oriented close to a zone axis. For future zeta-factor determinations, it is recommended to avoid zone axes and to tilt the stage well beyond the critical angle where shadowing starts.
Finally, the experimentally determined zeta-factors were verified by applying the zeta-factor method to nanowires and nanoparticles with known composition. The zeta-factors were found to give similar or better results than the Cliff-Lorimer method in all studied cases. To further improve the quantification accuracy and practical use of the zeta-factor method, two refined approaches were demonstrated. The first approach is internal zeta-factors, which means that the standard to determine zeta-factors is within the analyzed area. Internal zeta-factors were demonstrated to give similar or better results than zeta-factors found in a calibration session. It is highly recommended to use internal zeta-factors in the cases where it is possible. In the second approach, a not yet determined zeta-factor, here Sb La, was found by using preknowledge on the overall composition. The indirectly determined zeta-factor was verified on a GaSb test sample.
The beam current measurement approach and the developed Python code for processing EDX data, as well as zeta-factors determined in this study, have been demonstrated to perform well compared with the Cliff-Lorimer method. However, more work is needed before the zeta-factor method can be used as conveniently as the Cliff-Lorimer method. Zeta-factors need to be determined for more elements. The zeta-factors of missing elements can be found by estimation based on the experimentally determined zeta-factors and a model of the Z-dependence of zeta-factors. This way, a complete set of tabulated zeta-factors can be obtained. Furthermore, alternatives to using the CCD for indirect beam current measurements can be investigated. If this is done, the zeta-factor method should be an easy-to-use method, with better quantitative accuracy than the Cliff-Lorimer method today. | |
