疑似対称性の補正

多くの結晶構造は、ある一つの結晶学的対称群に属していますが、より高い対称性を持つグループと多くの特徴を共有しています。例えば、石英(SiO2)という鉱物は三方晶ですが、六角形に近い構造を持っています。これは疑似対称性と呼ばれ、電子後方散乱回折(EBSD)分析で大きな問題となります。石英の例で説明すると、画像は石英の典型的な低解像度EBSPと、2つの可能性のある解を<0001>軸を中心に互いに60°回転させたものです。

これらの系統的な指数付けの誤差は、通常、以下のような実験パラメーターを慎重に最適化することで回避することができます。

  • より高品質な EBSP の収集
  • 検出器をサンプルに近づけ、大きな立体角を確保
  • 重要な Kikuchi バンドを確実に検出するために十分なバンドを検出
  • 重要な格子面を含む結晶構造で十分な理論的反射を使用
正しいインデックスと誤ったインデックスを持つ EBSD パターンを示す、三角鉱物である水晶の EBSD 疑対称の例

正しい(上)ソリューションと誤った(下)ソリューションを伴う、典型的な水晶(SiO2)の低分解能 EBSD パターン。誤ったソリューションは、正しいソリューションに対して<0001>軸を中心に60度回転しています(つまり、<m>軸が<a>軸の代わりになっています)。特定の Kikuchi バンド(赤い矢印で示す)の存在により、正しいソリューションを疑似対称性の同等物と区別していることに注意してください。

イルメナイトという鉱物の疑似対称に関連したミスインデックス作成の影響を示す EBSD 方位マップ

岩石サンプル中のイルメナイト(FeTiO3)粒子を示す方位マップ。一部の粒子に見られる市松模様や斑点は、イルメナイトの疑対称によるもので、低三角形(ラウエグループ -3)でありながら、高三角形(-3m)に非常に近いものです。

石英のような材料では、Tru-I クラス指数付けアルゴリズムは、材料の三方晶対称性をうまく解決し、系統的な指数付けミスを最小限に抑えます。しかし、材料によっては、実験パラメーターを最適化しても疑似対称性によって誤差が生じ、左図のような「チェッカーボード」のような方位マップになることがあります。

これらの問題を解決する方法は2つあり、(時間のかかるパターンマッチング技術に頼らない限り)以下のタブにまとめています。

AZtecHKL には、オプションのモジュール(「Pseudosymmetry」)があり、潜在的な疑似対称性の問題についての事前知識を利用して、正しい指数付けが保証されます。このツールは、良質の EBSP と一緒に使うのが最適で、以下のように作動します。

  1. 潜在的な擬似対称性の問題を持つ結晶相について、ユーザーはこの擬似対称性の性質を定義します。これにはいくつかの方法があります。
    1. AZtec 内の定義済み疑似対称関係のいずれかを使用します。
    2. 正解と不正解の間で測定された方位差角と軸を利用して、軸と折り畳みを定義します(つまり、回転対称性)。場合によっては、特定の結晶相の擬似対称性を完全に定義できないことがありますが、それでも大きな利点が得られる可能性があります。
    3. 結晶学のより詳細な分析により、擬似対称性を決定します。これには、必要な対称性の変化(例えば、8つの等価配向を持つ正方晶4/mmmから24の等価配向を持つ立方晶m3mまで、3倍の疑似対称性を定義することができる)を決定し、異なる疑似対称解間のすべての等価配向のリストを参照することにより算出することが可能です。
  1. AZtec では、疑似対称性の定義を反映するようにリフレクタのリストを変更し、指数付け時に疑似対称構造のより高い対称性 (ただし、すべての格子面に対して正しい d 間隔) が使用されるようにします。
  2. 指数付けの際、すべての等価な擬似対称解が決定されます。
  3. 正確性のリファインの使用により、複数の擬似対称解から最適な解を決定し、最終的に結晶相の正しい対称性に対して指数付けが行われます。

この方法には限界があります。EBSPの品質があまりにも低いと(等価な擬似対称構造間の差異を解決する必要があるため)困難です。また、構造間の差異は十分でなければならず、通常少なくとも1~2%の差異が必要です。

このアプローチの有効性を、以下の例で示します。結晶相 γ-TiAl は正方晶ですが、c : a 比がわずか 1.018 と小さく、立方晶に非常に近い構造です。従来の指数付け(左図)では、方位マップは特徴的な市松模様やまだら模様になり、指数付けアルゴリズムが2つ以上の解を区別し難いことを表しています。AZtecで疑似対称性ツールを有効にし、正確性のリファイン指数付けモード(<111>軸3回対称を使用)と組み合わせると、右図のように指数付けははるかに強固になり、この材料の双晶の詳細構造が完全に解明されました。

AZtec の擬対称ツールにより、誤差のない双晶マッピングが可能になったことを示す γTiAl からの EBSD 方位マップ

標準指数付けを使用して収集した γ-TiAl の方位マップの例(左)、および AZtec で正確性のリファインと疑似対称性を定義したものを組み合わせた例(右)

このアプリケーションの詳細については、こちらの詳細なアプリケーションノートをご覧ください。

多くの場合、疑似対称性に関連した指数付けの誤りの程度は比較的軽微で、データ収集が完了した時点で初めて明らかになります。このような場合、データ解析の過程で、疑似対称性誤差をクリーンアップできます。

このプロセスは、AZtecCrystal を使用して、以下の手順で実行できます。

  1. 疑似対称関係(マップ上の正しいソリューションと疑似対称誤差の間の回転角と回転軸)を特定します。これはAZtecCrystal の「測定」ツールを使って実行でき、その関係はデータのクリーンアップルーチンに直接追加されます。
  2. データクリーンアップ表示モードでは、既知の疑似対称関係を定義するか、または定義済みのデータベースからロードします(または、(1)で説明したように、測定ツールを使用して以前の測定に基づいて事前にロードすることも可能です)
  3. 必要に応じて、補正すべき最大領域サイズ(ピクセル単位)を設定します。これは、疑似対称性の指数付け問題と同じ結晶学的関係を持つ双晶ドメインを持つデータセットを修正する場合に関連します。定義された領域より大きいドメインは、指数付けエラーではなく本物の双晶とみなされ、そのまま残ります。
  4. このソフトウェアは、定義された結晶学的関係に基づいて、疑似対称誤差を粒子の残りの部分と一致するように回転させます。

このプロセスは、以下の水晶からのデータセットで実証され、同じ結晶学的関係を持つ本物の双晶の境界を保持しながら、孤立した疑似対称誤差を除去できることを示しています。

高速(1600パターン/秒を超える)で収集された水晶の IPF 方位マップ
ドーフィネ双晶と共に鉱物の石英に見られる軽微なミスインデックス作成を示す EBSD 方位マップ

生データでは、水晶の擬似六方晶構造に起因する孤立した指数付け誤差が一部の粒子に含まれていることがわかります。これらは、孤立したピクセル、または赤い縁取りのあるピクセル群として表示されます(<0001> を中心に 60 度回転していることを示します)。しかし、同じ結晶学的関係を持つ「ドーフィネ双晶」も存在します。

AZtecCrystal を用いた疑似対称誤差除去後の水晶のEBSD 方位マップ

IPF マップは、10 ピクセルを超える領域を持つ双晶ドメインを残し、疑似対称誤差を除去した後のデータを示しています。このプロセスにより、サンプル中の石英粒界の集団とドーフィネ双晶の程度を正確に分析することが可能になります。

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