JP2007033402A - Crystal evaluation method and crystal evaluation device - Google Patents

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Koichi Morozumi
浩一 両角
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a crystal evaluation method and a crystal evaluation device, capable of evaluating an internal structure of a crystalline thin film of perovskite type oxide. <P>SOLUTION: This device includes a measurement part 110 which irradiates X-rays to a sample including crystals of the perovskite type oxide placed on a sample stand and detects characteristic X-rays generated from the sample, and a processing part 50 which determines kinds of elements located at a specific crystal site based on intensity of the characteristic X-rays detected by the measurement part. <P>COPYRIGHT: (C)2007,JPO&INPIT

Description

本発明は、結晶評価方法および結晶評価装置に関する。   The present invention relates to a crystal evaluation method and a crystal evaluation apparatus.

高画質、高速印刷を可能にするプリンターとして、インクジェットプリンターが知られている。インクジェットプリンターは、内容積が変化するキャビティーを備えたインクジェット式記録ヘッドを備え、このヘッドを走査させつつそのノズルからインク滴を吐出することにより、印刷を行うものである。このようなインクジェットプリンター用のインクジェット式記録ヘッドにおけるヘッドアクチュエーターとしては、従来、PZT(Pb(Zr,Ti)O)に代表されるペロブスカイト型酸化物を用いた圧電素子が用いられている。 Inkjet printers are known as printers that enable high image quality and high-speed printing. The ink jet printer includes an ink jet recording head having a cavity whose internal volume changes, and performs printing by ejecting ink droplets from the nozzle while scanning the head. As a head actuator in such an ink jet recording head for an ink jet printer, a piezoelectric element using a perovskite oxide represented by PZT (Pb (Zr, Ti) O 3 ) has been conventionally used.

近年、インクジェットプリンターにおいては高速かつノズルの高密度化が望まれているため、このようなペロブスカイト型酸化物の結晶性薄膜の内部構造を評価することが重要になっている。
特開2003−215069号公報
In recent years, since it is desired to increase the nozzle density at high speed in an ink jet printer, it is important to evaluate the internal structure of such a perovskite oxide crystalline thin film.
JP 2003-215069 A

本発明の目的は、ペロブスカイト型酸化物の結晶性薄膜の内部構造を評価することのできる結晶評価方法および結晶評価装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a crystal evaluation method and a crystal evaluation apparatus capable of evaluating the internal structure of a crystalline thin film of a perovskite oxide.

本発明にかかる結晶評価方法は、
(a)試料台に載置されているペロブスカイト型酸化物の結晶を含む試料に、電子線を照射するステップと、
(b)前記試料から発生した特性X線を検出するステップと、
(c)検出した特性X線の強度に基づいて、特定の結晶サイトに位置する元素の種類を決定するステップと、
を含む。
The crystal evaluation method according to the present invention includes:
(A) irradiating a sample containing crystals of a perovskite oxide placed on a sample stage with an electron beam;
(B) detecting characteristic X-rays generated from the sample;
(C) determining a type of an element located at a specific crystal site based on the detected characteristic X-ray intensity;
including.

本発明にかかる結晶評価方法において、
前記ステップ(c)では、特定の結晶サイトに位置する元素の量を決定することができる。
In the crystal evaluation method according to the present invention,
In the step (c), the amount of an element located at a specific crystal site can be determined.

本発明にかかる結晶評価方法において、
前記ステップ(c)では、特定の結晶サイトに位置する元素の変位を決定することができる。
In the crystal evaluation method according to the present invention,
In the step (c), the displacement of an element located at a specific crystal site can be determined.

本発明にかかる結晶評価方法において、
前記ステップ(a)では、複数の入射角度から電子線を照射し、
前記ステップ(b)では、前記入射角度ごとに、特性X線を検出することができる。
In the crystal evaluation method according to the present invention,
In the step (a), an electron beam is irradiated from a plurality of incident angles,
In the step (b), characteristic X-rays can be detected for each incident angle.

本発明にかかる結晶評価方法において、
前記ペロブスカイト型酸化物の結晶は、Aサイト、Bサイト、およびOサイトを有し、
前記ステップ(a)では、Aサイトと、当該Aサイトと隣り合うOサイトとを結んだ直線に対して平行な入射角度から電子線を照射し、
前記ステップ(c)では、Aサイトに位置する元素の種類を決定することができる。
In the crystal evaluation method according to the present invention,
The perovskite-type oxide crystal has an A site, a B site, and an O site,
In the step (a), an electron beam is irradiated from an incident angle parallel to a straight line connecting the A site and the O site adjacent to the A site,
In the step (c), the type of element located at the A site can be determined.

本発明にかかる結晶評価方法において、
前記ペロブスカイト型酸化物の結晶は、Aサイト、Bサイト、およびOサイトを有し、
前記ステップ(a)では、Aサイトと、当該Aサイトと隣り合うBサイトとを結んだ直線に対して平行な入射角度からX線を照射し、
前記ステップ(c)では、AサイトまたはBサイトに位置する元素の種類を決定することができる。
In the crystal evaluation method according to the present invention,
The perovskite-type oxide crystal has an A site, a B site, and an O site,
In the step (a), X-rays are irradiated from an incident angle parallel to a straight line connecting the A site and the B site adjacent to the A site,
In the step (c), the type of element located at the A site or the B site can be determined.

本発明にかかる結晶評価方法において、
前記ステップ(a)の前に、前記試料に含まれている結晶の配向を示す配向情報を取得するステップをさらに含み、
前記ステップ(a)では、前記配向情報に基づいて決定された入射角度からら電子線を照射することができる。
In the crystal evaluation method according to the present invention,
Before the step (a), further comprising obtaining orientation information indicating the orientation of crystals contained in the sample;
In the step (a), the electron beam can be irradiated from the incident angle determined based on the orientation information.

本発明にかかる結晶評価装置は、
試料台に載置されているペロブスカイト型酸化物の結晶を含む試料に、電子線を照射し、前記試料から発生した特性X線を検出する測定部と、
前記測定部が検出した特性X線の強度に基づいて、特定の結晶サイトに位置する元素の種類を決定する処理部と、
を含む。
The crystal evaluation apparatus according to the present invention includes:
A measurement unit that irradiates a sample containing a perovskite-type oxide crystal placed on a sample stage with an electron beam and detects characteristic X-rays generated from the sample;
A processing unit that determines the type of an element located at a specific crystal site based on the intensity of the characteristic X-ray detected by the measurement unit;
including.

本発明にかかるプログラムは、コンピュータに、
試料台に載置されているペロブスカイト型酸化物の結晶を含む試料に、電子線を照射させ、
前記試料から発生した特性X線を検出させ、
検出した特性X線の強度に基づいて、特定の結晶サイトに位置する元素の種類を決定させる。
A program according to the present invention is stored in a computer.
A sample containing a perovskite-type oxide crystal placed on a sample stage is irradiated with an electron beam,
Detecting characteristic X-rays generated from the sample;
Based on the detected characteristic X-ray intensity, the type of element located at a specific crystal site is determined.

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.

1.結晶評価装置
本実施の形態にかかる結晶評価装置100は、ペロブスカイト型酸化物の結晶を含む試料に電子線を照射し、試料から発生した特性X線の強度に基づいて、特定の結晶サイトに位置する元素の種類や量を決定することができる。
1. Crystal Evaluation Apparatus The crystal evaluation apparatus 100 according to the present embodiment irradiates a sample containing a perovskite oxide crystal with an electron beam, and is positioned at a specific crystal site based on the intensity of characteristic X-rays generated from the sample. The type and amount of elements to be determined can be determined.

ペロブスカイト型とは、図1(a)、図1(b)に示すような結晶構造を有するもので、図1(a)、図1(b)においてAで示す位置をAサイト、Bに示す位置をBサイト、Oで示す位置をOサイトという。本実施の形態では、Aサイトに優先的に位置するイオンをAサイトイオンといい、Bサイトに優先的に位置するイオンをBサイトイオンという。たとえばPb(Mg,Nb)O−xPbTiO(以下、PMN−PTとする。)において、AサイトイオンはPb2+であり、BサイトイオンはMg2+、Ti4+およびNb5+である。なお、OサイトにはO2−が位置している。ペロブスカイト型酸化物には、単純ペロブスカイト型酸化物、複合ペロブスカイト型酸化物が含まれる。また、ペロブスカイト型酸化物はリラクサー材料からなることもできる。 The perovskite type has a crystal structure as shown in FIGS. 1 (a) and 1 (b), and the position indicated by A in FIGS. 1 (a) and 1 (b) is shown at A site and B. The position is called B site, and the position indicated by O is called O site. In the present embodiment, ions preferentially located at the A site are referred to as A site ions, and ions preferentially located at the B site are referred to as B site ions. For example, in Pb (Mg, Nb) O 3 -xPbTiO 3 (hereinafter referred to as PMN-PT), the A site ion is Pb 2+ and the B site ion is Mg 2+ , Ti 4+ and Nb 5+ . Note that O 2− is located at the O site. The perovskite oxide includes a simple perovskite oxide and a composite perovskite oxide. The perovskite oxide can also be made of a relaxor material.

結晶評価装置100は、いわゆる角度分解電子チャンネリングX線分光法(ALCHEMI−HARECXS)を用いて、上述したペロブスカイト型酸化物の内部構造を評価することができる。   The crystal evaluation apparatus 100 can evaluate the internal structure of the above-described perovskite oxide using so-called angle-resolved electron channeling X-ray spectroscopy (ALCHEMI-HARECXS).

角度分解電子チャンネリングX線分光法とは、試料にX線を複数の入射方向から照射し、試料から発生した特性X線を利用して結晶構造を解析する手法である。この測定手法では、X線を試料に照射して試料内で強い回折が生じると、入射した電子は試料内部で透過波や回折波の間で散乱を繰り返し、結晶の特定の部位に振幅極大をもつ幾つかのブロッホ波成分に分岐する。それぞれのブロッホ波成分の励起振幅は電子線の入射方位に依存しており、あるブロッホ波成分が強く励起されると、入射電子は結晶の特定の部位に集中してすすむチャンネリングをおこし、そこに存在する元素からの特性X線シグナルが強められる。この測定によって、特定の結晶サイトに位置する元素の種類とその量に関する情報を得ることができる。   Angle-resolved electron channeling X-ray spectroscopy is a technique in which a sample is irradiated with X-rays from a plurality of incident directions and the crystal structure is analyzed using characteristic X-rays generated from the sample. In this measurement method, when strong diffraction occurs in the sample by irradiating the sample with X-rays, the incident electrons repeatedly scatter between transmitted waves and diffracted waves inside the sample, and a maximum amplitude is generated at a specific part of the crystal. Branches into several Bloch wave components. The excitation amplitude of each Bloch wave component depends on the incident direction of the electron beam. When a certain Bloch wave component is excited strongly, the incident electrons cause channeling that concentrates on a specific part of the crystal. The characteristic X-ray signal from the elements present in is enhanced. By this measurement, information on the types and amounts of elements located at specific crystal sites can be obtained.

図2は、本実施の形態にかかる結晶評価装置100の主な機能構成を示すブロック図である。結晶評価装置100は、測定部110と、表示部42と、入力部44と、測定制御部46と、記憶部48と、処理部50とを備える。測定部110の詳細な構成については、後述する。   FIG. 2 is a block diagram showing the main functional configuration of the crystal evaluation apparatus 100 according to the present embodiment. The crystal evaluation apparatus 100 includes a measurement unit 110, a display unit 42, an input unit 44, a measurement control unit 46, a storage unit 48, and a processing unit 50. The detailed configuration of the measurement unit 110 will be described later.

測定制御部46は、測定部110に試料を測定させるための制御を行う。処理部50は、測定部110が測定した測定値を処理し、処理結果を記憶部48または表示部42に送る。記憶部48は、各種の設定データ(たとえば、測定制御用データなど)を記憶する他に、処理部50および測定制御部46の各種処理機能を実現するためのワーク領域となるもので、その機能はRAM、ROM、光ディスク、光磁気ディスクなどのハードウエアにより実現できる。また記憶部48には、結晶評価装置100の各部を機能させるためのプログラムが格納されていてもよい。結晶評価装置100は、記憶部48に格納されているプログラムを読み取って結晶評価装置100の各部の機能を実現させることができる。また、記憶部48に代えて、上述した各機能を実現するためのプログラム等を、伝送路を介してホスト装置等からダウンロードすることによって上述した結晶評価装置100の各部の機能を実現することも可能である。   The measurement control unit 46 performs control for causing the measurement unit 110 to measure the sample. The processing unit 50 processes the measurement value measured by the measurement unit 110 and sends the processing result to the storage unit 48 or the display unit 42. The storage unit 48 serves as a work area for realizing various processing functions of the processing unit 50 and the measurement control unit 46 in addition to storing various setting data (for example, measurement control data). Can be realized by hardware such as RAM, ROM, optical disk, magneto-optical disk. The storage unit 48 may store a program for causing each unit of the crystal evaluation apparatus 100 to function. The crystal evaluation apparatus 100 can read the program stored in the storage unit 48 and realize the functions of each unit of the crystal evaluation apparatus 100. Moreover, it replaces with the memory | storage part 48, and also implement | achieves the function of each part of the crystal | crystallization evaluation apparatus 100 mentioned above by downloading the program etc. for implement | achieving each function mentioned above from a host apparatus etc. via a transmission line. Is possible.

表示部42は、表示部42は、結晶評価装置100の設定状態、作動状態、または測定結果などを画像出力してもよく、その機能はCRT、LCD、タッチパネル型ディスプレイ等の公知のハードウエアにより実現できる。   The display unit 42 may output an image of the setting state, the operating state, or the measurement result of the crystal evaluation apparatus 100, and its function is performed by known hardware such as a CRT, LCD, touch panel display, or the like. realizable.

入力部44は、結晶評価装置100のオペレータが各種の設定データや操作データを入力するためのものであり、その機能は、キーボード、操作ボタン、タッチパネル型ディスプレイなどのハードウエアにより実現できる。   The input unit 44 is for an operator of the crystal evaluation apparatus 100 to input various setting data and operation data, and the function can be realized by hardware such as a keyboard, operation buttons, and a touch panel display.

次に、測定部110の詳細について説明する。図3は、本実施の形態にかかる測定部110の詳細な構成を示す図である。測定部110は、特定の入射角度から試料にX線を照射して、試料から発生した特性X線の強度を測定する機能を有し、たとえば透過型電子顕微鏡(TEM)を含む。測定部110は、図3に示すように、電子線を照射する電子線源と、電子線を集光する光学部材13と、特性X線を検出する検出部14および検出部15とを有する。検出部14および検出部15は、たとえば基板上に成長させられた結晶を含む試料12から発生した特性X線を検出する。光学部材13は、試料12上に電子線の焦点が一致するように集光する。X線源および検出部14は、回転中心を中心として互いに独立に回転運動可能なゴニオメータ構造となっていることができる。検出部14とX線源は、回転中心が光学部材13の焦点と一致するように設けられていてもよい。電子線の照射と、検出部14による特性X線の検出は、ゴニオメータによって角度を変化させながら順次行われることができる。   Next, details of the measurement unit 110 will be described. FIG. 3 is a diagram illustrating a detailed configuration of the measurement unit 110 according to the present embodiment. The measurement unit 110 has a function of irradiating the sample with X-rays from a specific incident angle and measuring the intensity of characteristic X-rays generated from the sample, and includes, for example, a transmission electron microscope (TEM). As shown in FIG. 3, the measurement unit 110 includes an electron beam source that irradiates an electron beam, an optical member 13 that collects the electron beam, and a detection unit 14 and a detection unit 15 that detect characteristic X-rays. The detection unit 14 and the detection unit 15 detect characteristic X-rays generated from the sample 12 including, for example, a crystal grown on the substrate. The optical member 13 condenses the sample 12 so that the focal point of the electron beam coincides. The X-ray source and detection unit 14 may have a goniometer structure that can rotate independently of each other about the rotation center. The detection unit 14 and the X-ray source may be provided so that the center of rotation coincides with the focal point of the optical member 13. The irradiation of the electron beam and the detection of the characteristic X-ray by the detection unit 14 can be sequentially performed while changing the angle with a goniometer.

2.結晶評価方法
(1)まず、試料12に含まれるペロブスカイト型酸化物の結晶の配向を示す配向情報が入力部44から入力される。
2. Crystal Evaluation Method (1) First, orientation information indicating the orientation of crystals of the perovskite oxide included in the sample 12 is input from the input unit 44.

(2)次に、測定制御部46は、入力部44から入力された配向情報に基づいて、試料12に照射されるX線の入射角度を決定する。このように、結晶評価装置100は、配向情報を取得することによって、試料に含まれる結晶の配向に応じた入射角度を決定することができる。すなわち、結晶評価装置100は、配向情報により、結晶中のAサイト、Bサイト、Oサイトの位置を予測することができ、たとえば、Aサイトと、当該Aサイトと隣り合うOサイトとを結んだ直線に対して平行な入射角度を決定することができる。この入射角度から電子線を照射すると、AサイトおよびOサイトと、Bサイトとを分離して特性X線を検出することができるため、たとえばAサイトとBサイトに同一の元素が位置していたとしても、AサイトとBサイトとを区別してそれぞれの元素の種類および量を決定することができる。   (2) Next, the measurement control unit 46 determines the incident angle of the X-rays irradiated on the sample 12 based on the orientation information input from the input unit 44. Thus, the crystal evaluation apparatus 100 can determine the incident angle according to the orientation of the crystal contained in the sample by acquiring the orientation information. That is, the crystal evaluation apparatus 100 can predict the positions of the A site, the B site, and the O site in the crystal based on the orientation information. For example, the A site and the O site adjacent to the A site are connected. An incident angle parallel to the straight line can be determined. When an electron beam is irradiated from this incident angle, it is possible to detect the characteristic X-rays by separating the A site, the O site, and the B site. For example, the same element is located at the A site and the B site. However, the type and amount of each element can be determined by distinguishing between the A site and the B site.

また結晶評価装置100は、Aサイトと、当該Aサイトと隣り合うBサイトとを結んだ直線に対して平行な入射角度を決定することもできる。この入射角度から電子線を照射すると、AサイトおよびBサイトと、Oサイトとを分離して特性X線を検出することができるため、AサイトおよびBサイトと、Oサイトとを区別してそれぞれの元素の種類および量を決定することができる。   The crystal evaluation apparatus 100 can also determine an incident angle parallel to a straight line connecting the A site and the B site adjacent to the A site. By irradiating an electron beam from this incident angle, it is possible to detect the characteristic X-rays by separating the A site, the B site, and the O site. Therefore, the A site, the B site, and the O site are distinguished from each other. The type and amount of element can be determined.

(3)次に、測定部110は、測定制御部46が決定した入射角度からX線を照射し、試料12から発生した特性X線を検出する。   (3) Next, the measurement unit 110 emits X-rays from the incident angle determined by the measurement control unit 46 and detects characteristic X-rays generated from the sample 12.

(4)次に、処理部50は、測定部110が検出した特性X線に基づいて、特定の結晶サイトに位置する元素の種類、量、および変位量を決定する。   (4) Next, the processing unit 50 determines the type, amount, and displacement amount of the element located at a specific crystal site based on the characteristic X-ray detected by the measurement unit 110.

3.実験例
3.1.試料の作製
Bridgman法により(001)配向のPMN−xPT(x=32、37at%)単結晶を作製した。評価用電極としてAgを形成し、1kV/mmの電界で分極処理を施した。
3. Experimental Example 3.1. Sample preparation
A (001) -oriented PMN-xPT (x = 32, 37 at%) single crystal was produced by the Bridgman method. Ag was formed as an evaluation electrode and subjected to polarization treatment with an electric field of 1 kV / mm.

Bridgman法は、単結晶原料を封入したるつぼを徐々に降下させながら結晶成長させ、ヒータ終端部に生じる温度勾配を利用して単核化させる方法である。PtるつぼにPMN−PT原料のPbO、MgO、Nb、TiO(各純度99.99%以上)粉末を各条件の比率で充填し、るつぼを炉内に設置して1380℃以上で溶解する。約10時間保持した後、0.1〜1mm/hの速度で降下させ(001)配向のPMN−xPT単結晶を得た。 The Bridgman method is a method of growing a crystal while gradually lowering a crucible enclosing a single crystal raw material, and mononucleating using a temperature gradient generated at a heater end portion. Pt crucible was filled with PbO, MgO, Nb 2 O 5 , TiO 2 (each purity 99.99% or more) powder of PMN-PT at a ratio of each condition, and the crucible was placed in the furnace at 1380 ° C. or higher. Dissolve. After holding for about 10 hours, it was lowered at a speed of 0.1 to 1 mm / h to obtain a (001) -oriented PMN-xPT single crystal.

x=32at%の単結晶をPMN−32PTとし、x=37at%の単結晶をPMN−37PTとする。   A single crystal with x = 32 at% is designated as PMN-32PT, and a single crystal with x = 37 at% is designated as PMN-37PT.

3.2.結晶評価方法および評価結果
得られた試料について、以下の評価を行った。
3.2. Crystal Evaluation Method and Evaluation Results The following evaluations were performed on the obtained samples.

角度分解電子チャンネリングX線分光法(ALCHEMI−HARECXS)により、PMN−32PTを解析した。実験は、111および130系統反射列について行った。   PMN-32PT was analyzed by angle-resolved electron channeling X-ray spectroscopy (ALCHEMI-HARECXS). The experiment was performed on 111 and 130 system reflection rows.

111系統反射列は、A−OサイトとBサイトを分離観測可能な面、すなわちAサイトとOサイトとを結んだ直線に対して平行な入射角度からX線が照射されることにより解析可能となる面である。130系統反射列はA−BサイトとOサイトを分離観測可能な面、すなわちAサイトとBサイトとを結んだ直線に対して平行な入射角度からX線が照射されることにより解析可能となる面である。   The 111-line reflection array can be analyzed by irradiating X-rays from an incident angle parallel to a plane on which the A-O site and the B site can be separately observed, that is, a straight line connecting the A site and the O site. It is a surface. The 130-line reflection array can be analyzed by irradiating X-rays from an incident angle parallel to a plane on which the AB site and the O site can be separately observed, that is, a straight line connecting the A site and the B site. Surface.

111系統では−3gから2gブラック条件まで、130系統では−2gから2gブラック条件まで連続的に傾斜させた時の、各構成元素の特性X線強度変化を連続的に観測し、図4(a)および図5(a)に示すプロファイルを得た。   In the 111 system, the characteristic X-ray intensity change of each constituent element when continuously tilting from −3 g to 2 g black condition and in the 130 system from −2 g to 2 g black condition was continuously observed. ) And the profile shown in FIG.

図4(a)は、111系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。図4(b)は、111系統反射列のALCHEMI−HARECXSプロファイルの理論値を示す。   FIG. 4 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile of PMN-32PT with 111 system reflection rows. FIG. 4B shows the theoretical value of the ALCHEMI-HARECXS profile of the 111 system reflection train.

実験では、試料作製方位である[110]から[112]晶帯軸になるように試料を傾斜し、そこから[−110]方位に試料を傾斜させ、g=111系統反射列のみを励起させた。そして、−3gから2gブラック条件まで連続的に傾斜させた時の、各構成元素の特性X線強度変化を連続的に観測し、プロファイルを得た。比較として、内殻電子励起を考慮した動力学的回折理論を基に、Pb2+、Mg2+、Nb5+、Ti4+、O2ーがそれぞれA、B、B、B、Oサイトを占有している理想的イオン配列(自発変位無し、欠損無し、試料厚150nm)を仮定したHARECXS理論プロファイルを図4(b)に示す。HARECXS理論プロファイルは、規格化した各サイトの原子1個あたりのX線発生断面積(発生確率)を示している。また、計算を単純化させるため、結晶構造は立方晶(格子定数4.018Å)とした。 In the experiment, the sample is tilted so as to be the [112] zone axis from [110], which is the sample preparation direction, and the sample is tilted to the [−110] direction therefrom, and only the g = 111 system reflection row is excited. It was. And the characteristic X-ray intensity change of each constituent element when making it incline continuously from -3g to 2g black conditions was observed continuously, and the profile was obtained. For comparison, Pb 2+ , Mg 2+ , Nb 5+ , Ti 4+ , and O 2− occupy A, B, B, B, and O sites, respectively, based on the dynamic diffraction theory considering inner-shell electron excitation. FIG. 4 (b) shows a HARECXS theoretical profile assuming a certain ideal ion arrangement (no spontaneous displacement, no defect, sample thickness 150 nm). The HARECXS theoretical profile indicates the X-ray generation cross section (probability of generation) per atom of each normalized site. In order to simplify the calculation, the crystal structure is a cubic crystal (lattice constant: 4.018Å).

図4(a)において、回折条件に依存して特性X線強度が大きく変化しており、対称励起条件を挟んだ−1<k/g111<1の範囲では、Pb2+とO2ーからのシグナルが強く、逆にNb5+とTi4+のシグナルは弱められ、高次反射側ではこの強度関係が逆転していることが確認された。これらの傾向は、図4(b)に示す理論強度プロファイルと一致し、A−OサイトにはPb2+とO2ーが位置し、BサイトにはNb5+とTi4+が位置していることが定性的に理解される。また、Mg2+については、回折条件の依存性が弱く、また理論強度プロファイルと挙動が明らかに異なるため、欠損または置換が生じていることが確認された。 In FIG. 4A, the characteristic X-ray intensity varies greatly depending on the diffraction conditions, and in the range of −1 <k / g111 <1 with the symmetrical excitation condition interposed, Pb 2+ and O 2− The signal was strong, and on the contrary, the signals of Nb 5+ and Ti 4+ were weakened, and it was confirmed that this intensity relationship was reversed on the higher-order reflection side. These trends are consistent with the theoretical intensity profile shown in FIG. 4 (b), the A-O site located is Pb 2+ and O 2 over, the Nb 5+ and Ti 4+ are located in the B-site Is qualitatively understood. Further, it was confirmed that Mg 2+ was deficient or substituted because the diffraction condition was weakly dependent and the behavior was clearly different from the theoretical intensity profile.

次に、130系統反射列のALCHEMI−HARECXSプロファイルを図5(a)に示す。実験では、試料作製方位である[−310]晶帯軸から[001]方位に試料を傾斜させ、g=130系統反射列のみを励起させた。そして、−2gから2gブラック条件まで連続的に傾斜させた時の、各構成元素の特性X線強度変化を連続的に観測し、プロファイルを得た。比較として、Pb2+、Mg2+、Nb5+、Ti4+、O2ーがそれぞれA、B、B、B、Oサイトを占有している理想的イオン配列(自発変位無し、欠損無し、試料厚100nm)を仮定したHARECXS理論プロファイルを図5(b)に示す。 Next, FIG. 5 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS profile of the 130 system reflection row. In the experiment, the sample was tilted from the [−310] zone axis, which is the sample preparation direction, to the [001] direction, and only the g = 130 system reflection train was excited. And the characteristic X-ray intensity change of each constituent element when making it incline continuously from -2g to 2g black conditions was observed continuously, and the profile was obtained. For comparison, an ideal ion arrangement in which Pb 2+ , Mg 2+ , Nb 5+ , Ti 4+ , and O 2− occupy A, B, B, B, and O sites (no spontaneous displacement, no defect, sample thickness of 100 nm, respectively) FIG. 5 (b) shows the HARECXS theoretical profile that assumes).

図5(a)では、回折条件に依存して特性X線強度が大きく変化しており、対称励起条件を挟んだ−1<k/g130<1の範囲では、Pb2+、Mg2+、Nb5+、Ti4+のシグナルが強く、また高次反射側ではこの強度関係が逆転している。一方で、O2ーのシグナルは回折条件の依存をほとんど示していないことがわかる。これらの傾向は、図5(b)に示す理論強度プロファイルと一致し、A−BサイトにはPb2+、Mg2+、Nb5+、Ti4+が位置し、OサイトにはO2ーが位置していることが定性的に理解される。図4のAサイトのPb2+と、BサイトのNb5+とTi4+の特性X線強度を比較すると、Nb5+とTi4+の回折条件の依存性が弱いことがわかる。格子点からの変位量が大きいと、高次反射のブラック条件付近の強度変化が抑えられることから、これは強誘電体の自発イオン変位による強度低下と解釈される。HARECXS法は、局所領域のイオン配列ばかりでなく、原子の格子点からの変位や試料膜厚にも敏感に依存するため、実験結果と理論計算の比較により、自発イオン変位量の定量化が可能である。 In FIG. 5A, the characteristic X-ray intensity greatly changes depending on the diffraction condition, and Pb 2+ , Mg 2+ , Nb 5+ in the range of −1 <k / g130 <1 with the symmetrical excitation condition interposed. , Ti 4+ signal is strong, and this intensity relationship is reversed on the higher-order reflection side. On the other hand, it can be seen that the O 2− signal shows almost no dependence on the diffraction conditions. These tendencies are consistent with the theoretical intensity profile shown in FIG. 5 (b), where Pb 2+ , Mg 2+ , Nb 5+ , Ti 4+ are located at the AB site, and O 2− is located at the O site. It is understood qualitatively. Comparing the characteristic X-ray intensities of Pb 2+ at the A site and Nb 5+ and Ti 4+ at the B site in FIG. 4, it can be seen that the dependence of the diffraction conditions of Nb 5+ and Ti 4+ is weak. If the amount of displacement from the lattice point is large, the intensity change near the black condition for higher-order reflection is suppressed, and this is interpreted as a decrease in intensity due to spontaneous ion displacement of the ferroelectric. The HARECXS method is sensitive not only to the ion arrangement in the local region, but also to the displacement from the lattice points of the atoms and the thickness of the sample. Therefore, the amount of spontaneous ion displacement can be quantified by comparing experimental results with theoretical calculations. It is.

図6(b)は、Mg2+とPb2+とを相互置換させた場合のHARECXS理論プロファイルである。図6(a)は、図4(a)と同様にALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。具体的に図6(b)は、Mg2+(総量4.32at%)の約45%(約2at%)がAサイトへ、等量のPb2+(総量19.15at%)の約10%がBサイトへ置換している場合のHARECXS理論プロファイルである。図6(b)は、図6(a)とほぼ一致していることから、PMN−32PTにおいて、AサイトイオンとBサイトイオンとが相互置換されていることが確認された。 FIG. 6B is a HARECXS theoretical profile when Mg 2+ and Pb 2+ are mutually substituted. FIG. 6 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile as in FIG. 4 (a). Specifically, FIG. 6B shows that about 45% (about 2 at%) of Mg 2+ (total amount of 4.32 at%) goes to the A site, and about 10% of equal amount of Pb 2+ (total amount 19.15 at%) is about 10%. It is a HARECXS theoretical profile when substituting for the B site. Since FIG. 6B substantially coincides with FIG. 6A, it was confirmed that the A site ion and the B site ion were mutually substituted in PMN-32PT.

図5(a)は、130系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXSプロファイルを示す。図5(b)は、130系統反射列のALCHEMI−HARECXSプロファイルの理論値を示す。   FIG. 5A shows the ALCHEMI-HARECXS profile of the PMN-32PT of the 130 system reflection train. FIG.5 (b) shows the theoretical value of the ALCHEMI-HARECXS profile of 130 system | strain reflective row | line | column.

図7(a)は、130系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXSプロファイルを示す。図7(b)は、130系統反射列のPMN−32PTのMg2+とPb2+とを相互置換させた場合のHARECXS理論プロファイルである。図7(c)は、130系統反射列のPMN−32PTのMg2+とPb2+とを相互置換させた場合のHARECXS理論プロファイルである。 FIG. 7A shows the ALCHEMI-HARECXS profile of the PMN-32PT of the 130 system reflection train. FIG. 7B is a HARECXS theoretical profile in the case where Mg 2+ and Pb 2+ of PMN-32PT in the 130 system reflection row are mutually replaced. FIG. 7C is a HARECXS theoretical profile in the case where Mg 2+ and Pb 2+ of PMN-32PT in the 130 system reflection row are mutually replaced.

図7に示すように、130系統反射列についても同様に、PMN−32PTにおいて、AサイトイオンとBサイトイオンとが相互置換されていることが確認された。   As shown in FIG. 7, it was confirmed that the A site ion and the B site ion were mutually substituted in the PMN-32PT in the 130-line reflection row as well.

図7(c)に示すように、Mg2+(総量4.32at%)の約45%(約2at%)がAサイトへ、等量のPb2+(総量19.15at%)の10%程度(約2at%)がBサイトを相互置換し、そして変位量をそれぞれPb2+(A):u=0.175Å、Pb2+(B):u=0.15Å、Mg2+(A):u=0.15Å、Mg2+(B):u=0.15Å、Nb5+(B):u=0.1Å、Ti4+(B):u=0.125Å、O2−(O):u=0.1Åとした場合に、図7(a)の実験値と近似したプロファイルを示した。 As shown in FIG. 7C, about 45% (about 2 at%) of Mg 2+ (total amount of 4.32 at%) is transferred to the A site, and about 10% of the equivalent amount of Pb 2+ (total amount of 19.15 at%) ( About 2 at%) mutually replaces the B site, and the displacement amounts are Pb 2+ (A): u = 0.175Å, Pb 2+ (B): u = 0.15Å, Mg 2+ (A): u = 0, respectively. .15Å, Mg 2+ (B): u = 0.15Å, Nb 5+ (B): u = 0.1 =, Ti 4+ (B): u = 0.125Å, O 2− (O): u = 0. A profile approximated to the experimental value of FIG.

一方、変位量をそれぞれPb2+(A):u=0.2Å、Pb2+(B):u=0.2Å、Mg2+(A):u=0.2Å、Mg2+(B):u=0.4Å、Nb5+(B):u=0.4Å、Ti4+(B):u=0.4Å、O2−(O):u=0.2Åとした場合は、図7(b)に示すように、対称励起条件を挟んだ−1<k/g111<1の範囲で、各イオンの相対強度関係が一致していない。これより、130系統列から見たNb5+とTi4+の変位量は、Pb2+の変位量以上にはならないことは明らかである。 On the other hand, the displacement amounts are Pb 2+ (A): u = 0.2 mm, Pb 2+ (B): u = 0.2 mm, Mg 2+ (A): u = 0.2 mm, Mg 2+ (B): u = When 0.4 場合, Nb 5+ (B): u = 0.4Å, Ti 4+ (B): u = 0.4Å, O 2− (O): u = 0.2Å, FIG. 7 (b) As shown in FIG. 4, the relative intensity relationships of the ions do not match within the range of −1 <k / g111 <1 with the symmetrical excitation condition interposed therebetween. From this, it is clear that the amount of displacement of Nb 5+ and Ti 4+ seen from the 130 system row does not exceed the amount of displacement of Pb 2+ .

以上の評価方法により、ペロブスカイト型酸化物の結晶性薄膜の内部構造を評価することができた。   With the above evaluation method, the internal structure of the crystalline thin film of perovskite oxide could be evaluated.

上記のように、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。   As described above, the embodiments of the present invention have been described in detail. However, those skilled in the art can easily understand that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. . Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.

ペロブスカイト型酸化物の結晶構造を説明するための図。The figure for demonstrating the crystal structure of a perovskite type oxide. 本実施の形態にかかる結晶評価装置の機能構成を示すブロック図。The block diagram which shows the function structure of the crystal | crystallization evaluation apparatus concerning this Embodiment. 本実施の形態にかかる測定部の構成を示す図。The figure which shows the structure of the measurement part concerning this Embodiment. 図4(a)は、111系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。図4(b)は、111系統反射列のPMN−32PTのHARECXS理論プロファイルを示す。FIG. 4 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile of PMN-32PT with 111 system reflection rows. FIG. 4 (b) shows a HARECXS theoretical profile of PMN-32PT with 111 system reflection rows. 図5(a)は、130系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。図5(b)は、130系統反射列のPMN−32PTのHARECXS理論プロファイルを示す。FIG. 5 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile of PMN-32PT with 130 line reflectors. FIG. 5 (b) shows a HARECXS theoretical profile of PMN-32PT with a 130-line reflection train. 図6(a)は、111系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。図6(b)は、AサイトイオンとBサイトイオンとを相互置換させた場合における、111系統反射列のPMN−32PTのHARECXS理論プロファイルを示す。FIG. 6 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile of PMN-32PT with 111 system reflection rows. FIG. 6 (b) shows the HARECXS theoretical profile of PMN-32PT of 111-line reflection train when A site ion and B site ion are mutually substituted. 図7(a)は、130系統反射列のPMN−32PTのALCHEMI−HARECXS実験プロファイルを示す。図7(b)は、130系統反射列のPMN−32PTのHARECXS理論プロファイルを示す。図7(b)は、130系統反射列のPMN−32PTのHARECXS理論プロファイルを示す。FIG. 7 (a) shows the ALCHEMI-HARECXS experimental profile of PMN-32PT with 130 line reflectors. FIG. 7 (b) shows a HARECXS theoretical profile of PMN-32PT with 130 system reflection rows. FIG. 7 (b) shows a HARECXS theoretical profile of PMN-32PT with 130 system reflection rows.

符号の説明Explanation of symbols

12 試料、13 光学部材、14 検出部、15 検出部、42 表示部、44 入力部、46 測定制御部、48 記憶部、50 処理部、100 結晶評価装置、110 測定部 12 Samples, 13 Optical members, 14 Detection units, 15 Detection units, 42 Display units, 44 Input units, 46 Measurement control units, 48 Storage units, 50 Processing units, 100 Crystal evaluation devices, 110 Measurement units

Claims (8)

(a)試料台に載置されているペロブスカイト型酸化物の結晶を含む試料に、電子線を照射するステップと、
(b)前記試料から発生した特性X線を検出するステップと、
(c)検出した特性X線の強度に基づいて、特定の結晶サイトに位置する元素の種類を決定するステップと、
を含む、結晶評価方法。
(A) irradiating a sample containing crystals of a perovskite oxide placed on a sample stage with an electron beam;
(B) detecting characteristic X-rays generated from the sample;
(C) determining a type of an element located at a specific crystal site based on the detected characteristic X-ray intensity;
A crystal evaluation method comprising:
請求項1において、
前記ステップ(c)では、特定の結晶サイトに位置する元素の量を決定する、結晶評価方法。
In claim 1,
In the step (c), a crystal evaluation method for determining an amount of an element located at a specific crystal site.
請求項1または2において、
前記ステップ(c)では、特定の結晶サイトに位置する元素の変位を決定する、結晶評価方法。
In claim 1 or 2,
In the step (c), a crystal evaluation method for determining a displacement of an element located at a specific crystal site.
請求項1ないし3のいずれかにおいて、
前記ステップ(a)では、複数の入射角度から電子線を照射し、
前記ステップ(b)では、前記入射角度ごとに、特性X線を検出する、結晶評価方法。
In any of claims 1 to 3,
In the step (a), an electron beam is irradiated from a plurality of incident angles,
In the step (b), a crystal evaluation method for detecting characteristic X-rays for each incident angle.
請求項1ないし4のいずれかにおいて、
前記ペロブスカイト型酸化物の結晶は、Aサイト、Bサイト、およびOサイトを有し、
前記ステップ(a)では、Aサイトと、当該Aサイトと隣り合うOサイトとを結んだ直線に対して平行な入射角度から電子線を照射し、
前記ステップ(c)では、AサイトまたはBサイトに位置する元素の種類、変位または量を決定する、結晶評価方法。
In any of claims 1 to 4,
The perovskite-type oxide crystal has an A site, a B site, and an O site,
In the step (a), an electron beam is irradiated from an incident angle parallel to a straight line connecting the A site and the O site adjacent to the A site,
In the step (c), a crystal evaluation method in which the type, displacement or amount of an element located at the A site or the B site is determined.
請求項1ないし5のいずれかにおいて、
前記ペロブスカイト型酸化物の結晶は、Aサイト、Bサイト、およびOサイトを有し、
前記ステップ(a)では、Aサイトと、当該Aサイトと隣り合うBサイトとを結んだ直線に対して平行な入射角度から電子線を照射し、
前記ステップ(c)では、AサイトまたはBサイトに位置する元素の種類、変位または量を決定する、結晶評価方法。
In any of claims 1 to 5,
The perovskite-type oxide crystal has an A site, a B site, and an O site,
In the step (a), an electron beam is irradiated from an incident angle parallel to a straight line connecting the A site and the B site adjacent to the A site,
In the step (c), a crystal evaluation method in which the type, displacement or amount of an element located at the A site or B site is determined.
請求項1ないし6のいずれかにおいて、
前記ステップ(a)の前に、前記試料に含まれている結晶の配向を示す配向情報を取得するステップをさらに含み、
前記ステップ(a)では、前記配向情報に基づいて決定された入射角度から電子線を照射する、結晶評価方法。
In any one of Claims 1 thru | or 6.
Before the step (a), further comprising obtaining orientation information indicating the orientation of crystals contained in the sample;
In the step (a), an electron beam is irradiated from an incident angle determined based on the orientation information.
試料台に載置されているペロブスカイト型酸化物の結晶を含む試料に、電子線を照射し、前記試料から発生した特性X線を検出する測定部と、
前記測定部が検出した特性X線の強度に基づいて、特定の結晶サイトに位置する元素の種類を決定する処理部と、
を含む、結晶評価装置。
A measurement unit that irradiates a sample containing a perovskite-type oxide crystal placed on a sample stage with an electron beam and detects characteristic X-rays generated from the sample;
A processing unit that determines the type of an element located at a specific crystal site based on the intensity of the characteristic X-ray detected by the measurement unit;
A crystal evaluation apparatus.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019048749A (en) * 2017-09-12 2019-03-28 日本特殊陶業株式会社 Leadless piezoelectric ceramic composition, and piezoelectric element
JP2019124492A (en) * 2018-01-12 2019-07-25 株式会社日立製作所 electronic microscope

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