選択領域回折

選択領域（電子）回折（略してSADまたはSAED）は、透過型電子顕微鏡（TEM）を使用して通常実行される結晶学実験技術です。これは、最も一般的な実験技術の 1 つとして主に材料科学と固体物理学で使用される電子回折の特殊なケースです。特に適切な分析ソフトウェアを使用すると、SAD パターン（SADP）を使用して結晶の方向を決定したり、格子定数を測定したり、その欠陥を調べたりすることができます。

透過型電子顕微鏡では、数百キロ電子ボルトのエネルギーに加速された電子の平行ビームが薄い結晶サンプルに照射されます。これらのエネルギーでは、サンプルが十分に薄くなれば（通常 100  nm未満）、サンプルは電子に対して透明になります。波動粒子二重性により、高エネルギー電子は数千分の一ナノメートルの波長を持つ物質波として動作します。相対論的波長は次のように与えられます。

${\displaystyle \lambda ={\frac {hc}{\sqrt {eV(2m_{0}c^{2}+eV)}}},}$

ここで、はプランク定数、は電子の静止質量、は素電荷、は光速、は電子を加速する電位（加速電圧とも呼ばれる）です。^[1]たとえば、加速電圧が 200 kV の場合、波長は 2.508 pm になります。^[2]${\displaystyle h}$${\displaystyle m_{0}}$${\displaystyle e}$${\displaystyle c}$${\displaystyle V}$

結晶中の原子間の間隔は結晶格子の約 100 倍大きいため、電子は結晶格子上で回折され、回折格子として機能します。回折により、一部の電子は特定の角度で散乱され(回折ビーム)、他の電子は方向を変えずにサンプルを通過します (透過ビーム)。回折角度を決定するには、原子格子に垂直に入射する電子ビームを平面波と見なすことができます。平面波は各原子によって球面波として再透過されます。建設的干渉により、ブラッグ条件によってほぼ与えられる角度で回折ビームの数から球面波が生成されます。${\displaystyle \theta _{n}}$

${\displaystyle d\sin \theta _{n}=n\lambda ,}$

ここで、整数は回折次数であり、は原子間の距離（図のように原子が 1 列のみであると仮定した場合）またはビームに平行な原子面間の距離（実際の 3D 原子構造の場合）です。有限サンプルの場合、この式は近似的にしか正しくありません。 ${\displaystyle n}$${\displaystyle d}$

顕微鏡の磁気レンズによって偏向された後、最初は平行だったビームの各セットは後焦点面で交差し、回折パターンを形成します。透過したビームは光軸で交差します。回折されたビームは光軸から特定の距離（ビームを回折する平面の面間距離に対応）と特定の方位角（ビームを回折する平面の方向に対応）で交差します。これにより、SADに典型的な明るいスポットのパターンを形成できます。^[3]

SAD は、ユーザーが回折パターンを取得するサンプル領域を選択できるため、「選択型」と呼ばれます。この目的のために、サンプル ホルダーの下に選択領域アパーチャがあります。これは、ビームに挿入できるいくつかの異なるサイズの穴がある金属シートです。ユーザーは適切なサイズのアパーチャを選択し、選択領域に対応するビームの部分のみが通過するように配置できます。したがって、結果として得られる回折パターンは、アパーチャによって選択された領域のみを反映します。これにより、多結晶材料の微結晶などの小さなオブジェクトを幅広い平行ビームで調査できます。

得られる回折像の特性は、ビームが 1 つの単結晶によって回折されるか、多結晶材料などのように配向の異なる多数の結晶によって回折されるかによって異なります。単結晶の回折図は、明るいスポットの規則的なパターンを示します。このパターンは、逆結晶格子の 2 次元投影として見ることができます。寄与する結晶がさらに多い場合、回折像は個々の結晶の回折パターンの重ね合わせになります。最終的に、この重ね合わせには、考えられるすべての結晶面システムの回折スポットが考えられるすべての方向で含まれます。これらの条件では、次の 2 つの理由から、同心円状の回折図になります。

1. さまざまな平行な結晶面の間には離散的な間隔があるため、回折条件を満たすビームは、透過ビームから離散的な距離にのみ回折スポットを形成できます。
2. 結晶面にはあらゆる方向があり、そのため、透過ビームの周囲に 360 度方位範囲全体で回折スポットが形成されます。

SAD 分析は、比較的単純で情報価値が高いため、材料研究で広く使用されています。サンプルを準備して最新の透過型電子顕微鏡で検査すると、デバイスを使用して数秒で通常の回折画像を取得できます。画像が正しく解釈されれば、結晶構造の特定、結晶の方向の決定、結晶特性の測定、結晶欠陥または材料テクスチャの検査に使用できます。分析の過程は、回折図がリング回折パターンまたはスポット回折パターンのどちらを表しているか、および決定する量によって異なります。

コンピュータビジョンアルゴリズムに基づくソフトウェアツールは定量分析を簡素化します。^[4]

SAD が 1 個または少数の単結晶から取得された場合、回折図は明るいスポットの規則的なパターンを描きます。回折パターンは逆結晶格子の 2 次元投影として見ることができるため、パターンを使用して格子定数、具体的には結晶面間の距離と角度を測定できます。格子パラメータは、通常、さまざまな材料とその相ごとに異なるため、検査対象の材料を識別したり、少なくとも候補となる可能性のある材料を区別したりできます。

SADベースの分析は長い間定量的であるとは考えられていませんでしたが、コンピュータツールの登場により精度と再現性が高まり、適切に校正された顕微鏡で面間の距離や角度の正確な測定を日常的に実行できるようになりました。CrysTBoxなどのツールは、サブピクセル精度を実現する自動分析が可能です。^[4]

サンプルが電子ビームに対して傾いている場合、異なる結晶面のセットに対して回折条件が満たされ、異なる回折スポットの配置が得られます。これにより結晶方位を決定でき、たとえば特定の実験に必要な方位を設定したり、隣接する粒子または結晶双晶間の方位差を決定したりするために使用できます。^{[2] [4]}異なるサンプル方向は逆格子の異なる投影を提供するため、個々の投影で失われた3次元情報を再構築する機会を提供します。傾斜の異なる一連の回折図形を取得し、回折トモグラフィー分析で処理して、未知の結晶構造を再構築できます。^[5]

SAD は積層欠陥などの結晶欠陥の分析にも使用できます。

絞りによって選択された照射領域が多くの異なる配向の結晶子をカバーする場合、それらの回折パターンが重なり合って同心円状のリングの画像を形成します。リング回折図は、多結晶サンプル、粉末、またはナノ粒子に典型的です。各リングの直径は、サンプル内に存在する平面システムの面間距離に対応します。個々の粒子やサンプルの配向に関する情報の代わりに、この回折図は、たとえば全体的な結晶性やテクスチャに関する統計情報を提供します。テクスチャのある材料は、滑らかなリングを生成するのに十分な結晶性があるにもかかわらず、リングの円周に沿った不均一な強度分布が特徴です。リング回折図は、ナノ結晶相とアモルファス相を区別するためにも使用できます。^[2]

回折画像に描かれている特徴のすべてが必ずしも望ましいわけではありません。透過ビームは強すぎることが多く、カメラを保護するためにビームストッパーで遮る必要があります。ビームストッパーは通常、有用な情報の一部も遮ります。リングの中心に向かって、背景の強度も徐々に増加し、回折リングのコントラストが低下します。最新の分析ソフトウェアを使用すると、このような不要な画像の特徴を最小限に抑えることができ、他の機能と組み合わせることで画像の読みやすさが向上し、画像の解釈に役立ちます。^[4]

SADPは平行電子照射下で取得されます。収束ビームの場合は、収束ビーム電子回折（CBED）が達成されます。^{[6] [3]} SADで使用されるビームは、広いサンプル領域を照射する幅広ビームです。特定のサンプル領域のみを分析するには、画像平面の選択領域開口部を使用します。これは、狭いプローブに凝縮されたビームを使用してサイト選択性を実現するナノ回折とは対照的です。^{[3] SADは、たとえば高解像度顕微鏡用にサンプルを方向付けたり、}暗視野イメージング条件 を設定したりする場合など、直接イメージングで重要です。

高解像度の電子顕微鏡画像は、フーリエ変換を使用して人工的な回折パターンに変換できます。その後、実際の回折図形と同じように処理して、結晶の方向を決定したり、面間の角度や距離をピコメートル単位の精度で測定したりすることができます。^[7]

SAD はX 線回折に似ていますが、X 線回折では通常、はるかに大きな領域をサンプリングするのに対し、数百ナノメートルほどの小さな領域も検査できるという点で独特です。

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