Orientation effects on energy dispersive spectroscopy in TEM

Abstract

Energispredningsspektroskopi (EDX) er den mest brukte metoden for ̊a bestemme et ma-terials komposisjon p ̊a nanometer-skala ved transmisjonselektronmikroskoper(TEM). Re-sultatene p ̊avirkes av hvordan den innkommende elektronstr ̊alen treffer prøven relativ tilprøvens orientering. N ̊ar en krystall er orientert til en sone-akse vil en effekt kjent som”Channeling” forekomme, dette kan p ̊avirke forholdet mellom antall røngtenstr ̊aler pro-dusert fra ulike elementer. Dette kan gi feil i EDX kvantifiseringen. I denne oppgaven harorienteringen av en prøves effekt p ̊a EDX blitt utforsket. Python kode har blitt utviklet oginkorporert for ̊a kunne kvantifisere Channeling effekten og for ̊a bestemme okkupasjonsbrøken av et urenhets(doping) element.III/V nanotr ̊ader (GaAs/GaAsSb) ble undersøkt ved hjelp av forskjellige oppsett, for ̊aevaluere den relative orienteringens effekten. Tre ulike oppsett ble brukt for ̊a undersøkeorienterings effektene rundt en channeling sone-akse. 1) rotere prøven rundt sone-aksen.2) ha en prøve som bøyer seg. 3) ̊a endre vinkelen p ̊a den innkommende elektronstr ̊alen.For det første oppsettet ble det brukt 4 detektorer. For oppsett 2 og 3 ble det brukt 1 de-tektor. I det første oppsettet ble det observert at omr ̊ader for GaAs (zincblende) ZB og(wurtzite)WZ hadde ulik oppførsel rundt [110] sone-aksen. WZ hadde en tydelig chan-neling effekt rundt sone aksen med en channeling effekt p ̊a15%, i motsetning hadde ZBstrukturen størst variasjon i komposisjon for orienteringer vekk fra sone-aksen med enchanneling effekt p ̊a8%. variasjoner mellom detektorene ble observert og roteringen avprøven ble gjort relativt røft. Ved høy konsentrasjon av et urenhets element (15at%) bleen klar channeling effekt observert for ZB, denne channelingen var tydelig asymmetriskog indikerer channeling i ulike atom rekker, avhengig av orienteringen.For oppsett 2 var bøyningen av nanotr ̊aden mer gradvis og store komposisjons forskjellerble bare observert nær tr ̊adens ender. Nanotr ̊aden ble delt inn i tre seksjoner og det bleobservert at detektorens relative posisjon til røntgenstr ̊alenes opprinnelses punkt ville re-sultere i en channeling effekt av ulike størrelser(fra5%til15%).For oppsett 3 var det mer kontroll over den relative vinkelen mellom krystallen og deninnkommende elektronstr ̊alen. Finere komposisjons variasjon ble observert. Channelingeffekten ble m ̊alt opp til15%over sone aksen. Det var tydelig at referanse punktet varsvær viktig n ̊ar det kom til ̊a kvantifisere channeling effekten. ALCHEMI ga ganske braresultarer for dette oppsettet for 1 av 2 referanse spektrum. Absorbsjon ga store utslag im ̊alt channeling, ved ̊a skifte de elementale røntgenstr ̊ale forholdene.iii ALCHEMI og statistisk ALCHEMI ble funnet up ̊alitelige for store kvanta av et urenhetselement, dette er sannsynligvis grunnet et ikke neglisjerbart bidrag til de gjennomsnittligeperiodiske potensialet til en krystall. M ̊alinger hvor ALCHEMI og statistisk ALCHEMIga fysiske meningsfulle svar ble funnet, men visse aspekter ved ALCHEMI prosedyrenble funnet svært flyktige. N ̊ar man tenker ̊a bruke ALCHEMI metoden burde dette gjøresmed forsiktighet.

Energy Dispersive Spectroscopy(EDX) is the most used technique to determine the com-position at the nanometer-scale by Transmission electron microscopy. The results areaffected by how the electron beam hits the specimen relative to its orientation. When acrystal is oriented to a zone axis an effect known as channeling occurs which can alter theratios between the emitted X-rays from different elements elements. This can introduceerrors in the EDX quantification. In this thesis the orientation effects on EDX have beenaddressed. Python code has been developed and incorporated to quantify the channelingeffect and to determine the occupation fraction of an impurity atom.Using III/V nano wires (GaAs/GaAsSb), different setups have been used to evaluate sys-tematically the effect of the relative orientation. Three setups have been utilized to achieveto examine the orientations effects around a channeling zone axis. The techniques toachieve a deviation from the zone axis were 1) physically tilting the specimen around achanneling zone axis. 2) Having a bending specimen. 3) changing the incident angle ofthe electron beam.For configuration 1 a set-up with 4 detectors was used. For configuration 2 and 3 a singledetector setup was used. In the first set-up it was found that the channeling an area ofGaAs ZB and WZ displayed different behavior around [110] zone axis. WZ had a clearchanneling effect on the zone axis with a recorded channeling effect of15%, whilst theZB structure exhibited the largest difference in composition at off zone orientations, witha recorded channeling effect of8%. Variations between the detectors are observed andthe tilts done were rather corse. At high amounts (15at%) of an impurity element a clearchanneling effect was observed for a ZB, this channeling was asymmetric indicating thatchanneling occurd in a specific atomic row.For case 2 bending was more gradual and significant compositional variations were onlyobserved near the ends of the wire. The nanowires length was divided into three sections,and it was observed that the detectors position relative to the area of excitation would re-sult in different strengths (from5%to15%) of channeling.For case 3 there was more control of the relative angle between the beam and the crys-i tal, and finer compositional variations was observed. Channeling up to15%was observedover the zone axis, it was found that the effect of channeling was highly dependant uponthe reference spectra. Atom location by channeling-enhanced micro-analysis(ALCHEMI)provided decent results for this case for one of two reference spectra. Absorption wasfound to influence the measured channeling effect, by giving an increased difference inthe measured elemental X-ray ratios.ALCHEMI and statistical ALCHEMI was found to be unreliable for large quantities ofan impurity element, likely due to a non negligible contribution to the average periodicpotential of the crystal. Cases where ALCHEMI and statistical ALCHEMI gave physicalmeaningfull results were found, but certain aspects of the proceedure were found to bevolatile. When utilizing the method of ALCHEMI it should be done with care.