使用多帧原位谱成像实现剂量分割

简介

原位分析的核心在于捕获样品随着时间或加载外场刺激的变化而产生的变化。以往，在电子显微表征中，成像是追踪原位变化的主要方法。但是，诸如电子能量损失谱（EELS）成像等谱学成像（SI）工具也越来越多的得到运用。然而，传统的光耦合 CCD 和 CMOS 传感器的读出噪音阻碍了原位 EELS 谱成像（EELS-SI）在监测对化学态敏感但信号微弱的芯损失事件中的应用。随着在 EELS 中运用了直接探测 [1]，由于其只受到泊松统计的限制，使用芯损失吸收边的原位 EELS-SI 变得更加可行，并为以高空间和时间分辨率监测键合和化学态的灵敏变化打开了大门。因此，剂量分割的 EELS-SI 可以作为多帧数据采集的标准模式，能够对样品漂移进行矫正，在采集后再剔除受异常影响的帧，并仅对样品处于原始状态下的帧进行加和。Gatan 的 eaSI™ 技术使这一方法成为可能，它实现了硬件之间的同步并简化了设置和采集连续多帧谱成像以及在线漂移矫正的工作流程。

在本篇应用指南中，我们将使用电子能量损失近边结构（ELNES）来监测碳酸钙样品在电子辐照下的化学态变化，并提出其中的还原机理。

实验

本研究使用市售碳酸钙（CaCO₃）作为模型系统，因为其发生还原和质量损失的总剂量阈值已经得到了很好的表征 [2,3]。碳酸钙纳米颗粒分散在蒸馏水中，并滴铸到 25 nm 厚的 SiN 膜上。在 JEOL F200 上，以 200 kV 的加速电压和 96 pA 的探针束流采集 STEM 谱像。使用 DualEELS 采集谱像，像素驻留时间为 0.004 秒/像素（低能损为 0.001，高能损为 0.003 秒）。使用 1 nm 的像素大小，4 x 4 亚像素阵列扫描，防止探针在临近亚像素之间重叠（探针直径小于 2 Å）。亚像素扫描将剂量分散到整个像素上，而不仅仅是像素的中心。使用Gatan DigitalMicrograph^® 3.6中新发布的原位 SI 功能，分别保存每个扫描帧。本例中使用 ZLP-lock 实时应用能量漂移校正，但也可以在后处理中对整个 SI 堆栈进行校正。也可以使用连续扫描和漂移校正对空间漂移进行校正，或在数据后处理中进行。所有的 EELS 谱像均在室温（25 ℃）下采集。

CaCO₃ 颗粒的投影面积随着总剂量的增加而减少，如图 1a 所示。从内嵌的 ADF 像中不难发现，随着总剂量的增加，颗粒的形态也发生了变化，CaCO₃ 颗粒从具有多面棱边的立方体形状变成了具有圆角棱边的椭圆形状。在图 1b 中，颗粒的相对厚度也随着剂量的增加而减小。与图 1a 中观察到的投影面积的减少一起，证实了体积和质量损失是通过其组分的升华（辐射分解）发生的。

图 1. a) 投影面积与电子剂量的关系。图中嵌入的 ADF 像采集自曲线上不同总剂量点。b) 使用 DigitalMicrograph 中 EELS 工具面板计算得到的相对厚度分布图。

使用DigitalMicrograph 3.6中的原位工具面板，现在可以对原位谱成像进行空间对齐、裁剪和求和，以研究增加样品剂量对碳酸钙样品的影响。先前的研究表明，随着电子剂量的增加，CaCO₃ 颗粒的平均组分会发生变化 [2]。结合原位谱成像的新功能，Continuum^® 的收集效率提高和 K3^® 相机的灵敏度，现在可以在离散的总剂量下收集元素分布图。此举提供了将局部成分变化与形态变化相关联的能力。在图 2 中，谱成像在一系列离散的总剂量值下提取，能够观察到明显的形态变化。元素分布图是从 C K、O K 和Ca L_2,3 边得到的。在 C 和 O 分布图中观察到最显著的特征是面密度变化(对比度下降)，而 Ca 分布图的整体强度保持不变。在图 2a 和 2b 中，蓝色箭头突出显示的 ADF 像中对比度较暗的区域，在空间上对应着 C、O 和 Ca 密度的降低。ADF 像和元素分布图中强度的降低可能是由于空洞的非均匀成核，并能够观察到随着剂量的增加，空洞在颗粒中的生长。这种空洞形成的不均匀性可能源于成核阈值较低的缺陷 [2]。在元素分布图中观察到粒子形态的变化不均匀地发生。在图 2c 和 2d 中，圆形边缘已经在粒子的顶部、左侧和右侧形成，然而，在粒子的底部仍然存在一个小平面，以红色箭头突出显示。随着剂量的增加，ADF 和元素分布图中的小平面向着颗粒中心收缩。在总剂量为1.41 x 10⁶ e^-/A² 后，颗粒变为椭圆形。先前的研究假设 CaCO₃ 还原为CaO 的过程是各向同性的，首先从颗粒的边缘开始，再向中心演变 [2]。然而，图 2 中的元素分布图和 ADF像显示 CaCO₃ 的还原是各向异性的。在图 2e 的最终元素分布图中，Ca分布图的轮廓被投影到 O 和 C 分布图上（品红色虚线）。C 信号的投影面积为 3046 nm² (±116 nm²)，而 O 和 Ca 信号的投影面积分别为 4019 nm² (±128 nm²)和 4335 nm² (±130 nm²)。这印证了CaCO₃ 是通过 C 和 O 的损失而发生的辐射性还原。在空气中 CaCO₃ 的热分解过程中观察到 CO₂ 的形成，最终还原产物为 CaO [3]。然而，在图 2e 中，碳的投影面积比 O 的投影面积小 30%。这表明，在辐射分解过程中，与 O 相比，C 的损失浓度更高，或者形成了 CaO 的多孔网络，并伴随着残留的碳酸盐相。后者与之前的研究结果更加一致，在 STEM BF 像中观察到 CaCO₃ 颗粒还原过程中形成了孔隙 [2]。通过对图 2e 中 C 元素分布图的进一步观察，可以观察到细微的强度（密度）变化，这表明剩余的 C 中形成了多孔网络。

图 2. STEM ADF 像和对应的元素分布图，计算自 C K、O K 和 Ca L_2,3 边。ADF 像和对应的元素分布图按照总积累剂量按列分组 (a-e)。在 a 和 b 列中的蓝色箭头突显了一个空洞的成核和生长。在 c 和 d 列中的红色箭头突显了一个平面的消失。在 e 中，氧和碳分布图中的虚线轮廓表示了钙分布图的颗粒轮廓。

在图 3 中，从初始 (图 2a) 和最终 (图 2e) 元素分布图中提取浓度分布。浓度曲线是从跨越颗粒的一个区域中提取的，由图 3 中嵌入的 ADF 像中的蓝色箭头标识。在初始元素分布中，化学计量偏离了标称 CaCO₃ (图 3a)。测量到 O 与 Ca 的比值为 2.2:1 (名义上为 3:1)，而与 C 的比值为 3.2:1 (名义上为 3:1)。与标称值的差异可能部分是由于样品合成过程中的变化，但主要是由于电子束损伤造成的。图 3b 中提取的颗粒最终状态的浓度曲线显示，O-Ca 比接近1:1。相比之下，O-C 比值增加到 5:1。Ca 密度的增加和 O 密度的减少与先前观察到的在辐射分解过程中形成 CaO 的研究相符。颗粒中部的 O 密度略高于颗粒边缘，进一步说明存在残余的类 CaCO₃ 相，颗粒尚未完全还原。

图 3. (a) 从图 2a 初始元素分布图中提取的浓度曲线，(b) 从图 2e 中提取的终态元素分布。内嵌的 ADF 像中蓝色箭头显示了颗粒中浓度曲线的提取位置。

ELNES 可以用来研究局部的电子结构变化，揭示键合和晶体对称性随着剂量的变化。图 4 的堆叠图显示了 C K，Ca L_2,3 和 O K 边 ELNES 在不同的总剂量下的变化。图 4a 中 C K 边随着剂量增加的变化最为细微。初始态的 ELNES 形状呈现为典型的碳酸盐，具有 4 个明显的峰 a-d [5,6]。第一个 289 eV 处的尖峰来自 CO₃^2- 阴离子中向未被占据的 π̽ 轨道的跃迁，而 301 eV 的宽峰来自 CO₃^2- 阴离子中向未被占据的 σ̽ 的跃迁 [6]。σ̽ 峰上的肩 a 和 b 被认为是由 CO₃^2- 团簇周围的已占据的壳层的散射而来 [6]。随着剂量的增加，σ̽ 峰上的肩 a 和 b 首先消失，表明 CO₃^2- 阴离子周围的局域对称性的降低。π̽ 峰强度逐渐减小而 σ̽ 峰逐渐变宽。然而，π̽ 和 σ̽ 都存在于颗粒的最终状态中，这意味着C和O在颗粒中仍然相互键合。在2.38 x 105 e^-/Ų 的剂量后，可以观察到一个非常细微的 π̽ 峰，类似于无定形碳 (c-c键) 的 π̽ 峰，并随着剂量增长发生强度的增加。图顶部为非晶碳膜的 C-K 边，以供参考。

图 4. 从初始、过渡和终态绘制的 a) C K，b) Ca L_2,3，和 c) O K 边的 ELNES。ELNES 是通过对颗粒中间位置的若干个谱求和提取得到的。

在图 4b 中，可以观察到 Ca 的 L₃ 和 L₂ 边的 e_g 和 t_2g 峰之间有 1.26 eV 的能量劈裂，这与从原始 CaCO₃ 样品中采集的 Ca L_2,3 情况一致。随着总剂量的增加，e_g 和 t_2g 之间的劈裂减小，表明晶体场劈裂能发生了变化。Ca L_2,3 边晶体场劈裂对 Ca 离子周围局域对称性的变化非常敏感。Rez 和 Blackwell 展示了在晶体和无定形 CaCO₃ 之间类似的 e_g 和 t_2g 劈裂的减小 [7]。随着剂量的增加，L₃ 和 L₂ 峰向低能方向移动，e_g 和 t_2g 之间的劈裂增加到 1.4 eV，这与从 CaO 中获得的精细结构一致 [3,8]。Golla-Schindler 等人也观察到相同的转变，在 CaCO₃ 还原到无定形/无序相之后，再结晶为晶态的 CaO [5]。

在图 4c 中，O K 边最初有四个明显的 ELNES 峰，标记为 1-4，与之前报道的 CaCO₃ 的 O K ELNES 形状一致 [3]。峰 1 是 O 2p 轨道和 Ca 3d 轨道杂化的结果 [4,9]。该峰随剂量增加一直存在，表明 Ca 在CaCO₃ 到 CaO 的过渡过程中始终与 O 成键。2-4 峰可以归结为 O 2p 轨道与 S 轨道的杂化。该范围内 O K 边的形状由 O 2p 态与Ca 4s和C 2s态的杂化 [9]。随着剂量的增大，峰 2-4 消失，表明CO₃^2- 阴离子中 Ca 的还原和碳的去除。O K 边的最终形状类似于 CaO 中先前观察到的 ELNES [3]。然而，在从 CaO 中获得的 O K ELNES 中先前观察到第三个峰，在图 4c 的终态谱线中没有存在。在终态谱线中没有出现确定的第三峰，表明 CaO 相已经形成，但存在大量的 O 空位。图 4 所示的ELNES 分析是有意使用对整个颗粒区域的谱线求和来进行的，以确定 ELNES 指纹随剂量增加而产生的平均变化。然而，K3 相机的高灵敏度允许从更少的组分的谱线中进行 ELNES 分析。因此，化学相分布图也可以在更高的空间分辨率下生成，从而可以在颗粒的局部范围内研究精细结构的变化。

图 5. 在不同总剂量下测得的 Ca L₃（上一行）和 L₂（下一行）边 t_2g 和 e_g 峰的劈裂能量值。峰位置的测量通过使用高斯函数对每个峰进行拟合得到。每个分布图中的颜色代表峰位差值 (E(e_g)-E(t_2g))，并通过每个分布图右下角的强度索引进行指示。同步采集的 ADF 像用作掩膜以滤除颗粒以外没有 Ca L_3,2 信号的区域。

在图5中，L₃ 和L₂ 边 e_g 和t_2g 峰值之间的劈裂值以颗粒上位置的函数 (E(e_g)-E(t_2g)) 来进行绘制。采用最小二乘 (LLS) 工具面板对 L₃ 和 L₂ 边的各峰使用高斯函数进行非线性最小二乘拟合以确定峰的位置。最显著的劈裂最初位于颗粒的中心区域，并向边缘方向减小。随着总剂量的增加，e_g-t_2g 劈裂出现了梯度分布。相比于在 ADF 像中仍然观察到平面形貌的右下区域，在图 1 和 2 中 ADF 像中最初观察到圆形边缘的区域，即颗粒顶部和左侧的 e_g-t_2g 分裂较小。当小平面消失时，颗粒右下方部位的劈裂减小，而在颗粒的顶部和左侧增加。最终状态再次显示最大的劈裂位于颗粒的中间区域，L₃ 和 L₂ 峰的eg-t2g 劈裂都向边缘方向减小。这表明从 CaCO3 到中间无序相再到 CaO 的转变是不均匀的。这种局部的精细结构变化不能仅仅通过分析图 4b 中Ca L2,3 边 ELNES 的平均变化来得到。

图 6. 通过 MLLS 拟合 O K （左列）和 C K（右列）边得到的化学相分布图。使用图 4 中绘制的 ELNES 作为拟合的内标参考谱。

采用 DigitalMicrograph 中基于标准谱的多重线性最小二乘 (MLLS) 定量工具生成 C 和 O 的化学相分布图，如图 6 所示。实施了多重散射修正以应对颗粒的厚度变化。图 4 中绘制的 ELNES 作为 C K 和 O K ELNES 的内部标准谱。在图 6 的第一列中，随着剂量的增加，O K ELNES 显示了从碳酸盐相到氧化钙相的转变。在初始状态下，无序相在颗粒的边缘周围被观察到，在更高剂量下这些位置开始出现大的空洞。在过渡态下，颗粒主要呈现为无序相，有部分氧化钙出现。在最终观察状态下，主要观察到氧化钙相。

图 6 中的第二列显示了 C K 边 ELNES 中更微妙的过渡。在初始状态下，只有碳酸盐相存在。随着剂量的增加，可以观察到更多的非晶态相。然而，碳酸盐相从未完全消失。从碳酸盐相中提取的 ELNES 具有较强的拟合权重，这可能是由于在图 4c 中从颗粒的最终状态提取的 ELNES 中观察到较强的 π̽ 和 σ̽ 峰，这表明CO₃^2- 阴离子仍然存在于颗粒中。然而，尚不清楚它们是如何与新的 CaO 相结合的。

结论

通过原位多帧谱成像，并结合 K3 更高的灵敏度，使我们能够以以前无法企及的空间灵敏度来表征辐射分解过程中 CaCO₃ 颗粒的变化。投影面积和厚度随着剂量的增加而减小，表明辐射分解造成的质量损失。随着剂量增加，CaCO₃ 颗粒中 C、Ca 和 O 的分布形态发生变化，浓度（面密度）减小。最显著的成分变化发生在 C 和 O 的损失，它们可能转化为 CO₂ 并在真空中升华。K3 探测器的高灵敏度使我们能够通过 ELNES 分析 C K，Ca L_2,3 和 O K 边来确认从 CaCO₃ 到 CaO 的转变。由于较高的空间采样，观察到 CaCO₃ 的还原是各向异性的，而非从颗粒边缘到核心的各向同性演变。通过分析 Ca L_2,3 边的劈裂，观察到一种中间的无序相，与之前的研究一致 [5]。即使在 CaO 形成后，CO₃^2- 阴离子依旧被观察存在于颗粒中。这一点不同于以往的研究所认为的一旦 CaO 形成，C 就会完全转化为 CO₂ [5]。之前通过明场 TEM 和 STEM 发现，还原后的 CaCO₃ 颗粒形成了多孔结构。根据这些先前的结果和本研究中观察到的情况，颗粒的最终状态很可能是 CaO 晶体的多孔网络与残余碳酸盐相的混合。

参考文献

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