収束電子回折

収束ビーム電子回折(CBED) は、電子の収束ビームまたは発散ビーム (円錐電子ビーム) を使用して材料を研究する 電子回折技術です。

CBEDは1939年にコッセルとモーレ​​ンシュテットによって初めて導入されました。^[1] 1970年代の電界放出電子銃（FEG） ^[2] 、走査透過電子顕微鏡（STEM）、エネルギーフィルタリングデバイスなどの開発により、プローブの直径を小さくし、収束角を大きくすることが可能になり、CBEDはさらに普及しました。 1970年代には、CBEDはグッドマンとレンプフー^[3]、バクストン^{[4]によって}点群と空間群の対称性の決定に使用され、1985年からは田中らによって結晶構造の研究にCBEDが使用されました。^{[5] [6] [7] [8] [9]}

CBED を使用すると、次の情報を取得できます。

• 結晶格子のパラメータ^[10] 、サンプルの厚さ^[11]
• ひずみ分布^[12]
• 積層欠陥^[13] 、転位^[14]、 粒界^[15]、三次元変形、格子変位^[16]などの欠陥
• 結晶対称性情報 - CBEDディスクに現れる対称性を調べることで、点群^[17]と空間群の決定が行われます。^{[18] [19]}
• 非晶質試料から得られたCBEDパターン（ロンチグラム）の解析を通じて、分解能を制限する電子プローブの異常を診断する。^[20]

• CBED ディスクの位置はブラッグピークの位置と同じであり、おおよそ次の関係で与えられます。

$${\displaystyle 2d_{hkl}\sin \theta _{\rm {B}}=n\lambda ,}$$ ここで、は結晶面間の距離、はブラッグ角、は整数、はプローブ電子の波長です。 ${\displaystyle d_{hkl}}$${\displaystyle (h,k,l)}$${\displaystyle \theta _{\rm {B}}}$${\displaystyle n}$${\displaystyle \lambda}$

• ビーム収束半角- はC2アパーチャによって制御されます。プローブビーム収束半角はミリラジアンのオーダーで、0.1˚から1˚の範囲です。^[21]収束半角が小さい場合、CBEDディスクは互いに重なり合いませんが、収束半角が大きい場合はディスクが重なり合います。^[22]${\displaystyle \alpha}$${\displaystyle \alpha}$
• CBEDディスクの直径はビーム収束半角によって決まります。${\displaystyle \alpha}$

$${\displaystyle D={\frac {4\pi }{\lambda }}\sin \alpha .}$$

• デフォーカス：プローブビームのクロスオーバーと試料の位置の間の距離はデフォーカス距離と呼ばれます。試料は軸に沿って移動できます。デフォーカス距離では、CBEDパターンに直接空間情報と逆空間情報の両方が表示されます。^[23]${\displaystyle \Delta f}$${\displaystyle z}$${\displaystyle \Delta f}$${\displaystyle z}$

• 従来の（C）TEM-CBED：CTEM-CBEDでは、ブリルアンゾーン全体の強度分布を得るために、異なる形状のコンデンサーアパーチャが使用されます。^[24]
• 大角度 (LA)CBED: (LA)CBED は 1˚ から 10˚ の大きな入射角で実行されます。LACBED では、ブラッグ角で決まる直径よりも大きな直径を持つ、重なり合わないディスクを得ることができます。LACBED I では、検出器上で一度に 1 つの選択された CBED ディスクを取得できます。^[25] LACBED II では、中間レンズの焦点条件をわずかに変更することで、明視野パターンと暗視野パターンを同時に取得でき、蛍光スクリーン上で重なり合うことはありません。^[26] LACBED の欠点は、大きくて平らな試料が必要になることです。
• 4D-STEM: 4D-STEMでは、収束プローブビームが2Dアレイ内の試料上でラスタースキャンされ、アレイの各位置で2D回折パターンが得られ、4Dデータセットが生成されます。取得後、プティコグラフィーなどのさまざまな位相技術を使用することで、透過関数と誘導位相シフトを回復できます。^[27]一部のアプリケーションでは、4D-STEMはSTEM-CBEDと呼ばれます。^[28]
• ビームロッキング（BR）-CBED：この技術では、試料の上に設置されたロッキングコイルで入射ビームを揺らすことで、仮想収束ビームを生成します。試料上のビームの直径は数マイクロメートルであるため、この方法により、強い収束ビームの影響を受けやすい材料でもCBEDが可能になりました。さらに、照射される試料領域が大きく、ビームの密度電流が低いため、試料の汚染はわずかです。^{[29] [30]}
• BR-LACBED: この技術では、試料上のロッキングコイルに加えて、プロジェクターレンズの下にロッキングコイルが配置され、優先ビームをSTEM検出器に導くために使用されます。入射ビームがロッキングされるたびに、2番目のコイルが同時に駆動され、ビームが常にSTEM検出器に当たるようになります。^[31]
• 信号処理とBR-CBED: BR-CBEDのコントラストを高めるために、 CBEDパターンの特定の周波数帯域をフィルタリングするバンドパスフィルタを使用することができます。これら2つの技術を組み合わせることで、パターンに現れる対称性がより明確になります。^[32]
• CB-LEED（低エネルギー電子回折）：収束プローブを使用して単一エネルギーでロッキングカーブを分析する。^[33]この方法の利点は、LEED回折スポットをCBLEEDディスクにマッピングすること、回折パターンは試料の局所領域に由来し、局所的な構造情報を抽出できること、^[34]表面のマッピング、小さな原子変位の感度向上などである。^[35]
• プティコグラフィーは、出射電子波の位相を復元する技術です。再構成は、位相と振幅の両方の情報を含む実空間画像を返す反復位相回復アルゴリズムを適用することによって行われます。電子プティコグラフィーを使用することで、2018年にJiangらはMoS ₂の原子分解能0.39Åの画像が報告され、最高分解能の顕微鏡の新しい世界記録を樹立しました。^{[36] [37]}
• マイクロ回折、ナノ回折：文献では、収束ビームで取得される電子回折パターンを指すためにいくつかの用語が使用されています。そのような用語には、CBED、マイクロ回折、ナノ回折などがあります。CBED技術が、非常に小さな領域からの格子構造や面間隔などの従来の回折情報を取得するために使用される場合、マイクロ回折という用語が使用されます。^[38]一方、ナノ回折という用語は、非常に小さなプローブ（直径< 1 nm以下）が使用される場合に使用されます。^{[39] [40]}

プローブ用の収束ビームの直径は平行ビームの場合よりも小さいため、CBEDパターンの情報のほとんどは、他の方法では到達できない非常に小さな領域から得られます。たとえば、平行ビーム照明が使用される選択領域電子回折（SAED）では、選択できる最小領域は100 kVで0.5 μmですが、CBEDでは100 nm未満の領域に到達できます。^[41]また、CBEDパターンから得られる情報量は、SAEDパターンから得られる情報量よりも多くなります。とはいえ、CBEDにも欠点があります。焦点を合わせたプローブは汚染を生成し、局所的な応力を引き起こす可能性があります。しかし、これは過去には大きな問題でしたが、現在では、高真空条件により、数分から数時間で試料のクリーンな領域をプローブできるはずです。もう1つの欠点は、収束ビームが試料の選択した領域を加熱または損傷する可能性があることです。^[42] 1939年以来、CBEDは主に厚い材料の研究に使用されてきました。

最近、CBEDはグラフェン^[43]やその他の2D単層結晶やファンデルワールス構造の研究に応用されました。2D結晶の場合、CBEDディスクの強度分布は結晶内の原子配列に直接関係しているため、CBEDパターンの解析は簡素化されます。CBEDを使用することで、ナノメートル解像度での変形の取得、二層結晶の層間距離の再構築などが行われました。^[44]