EBSDの説明
分析法
アプリケーション
ヒントとコツ
技術
材料の微細構造を明らかにすることで、その加工履歴と結果として得られる材料特性との関連性を確立できます。この特性評価で重要なことは、材料に存在する化合物や結晶相を特定することです。
電子後方散乱回折（EBSD）は、材料中の主相と副相を同定するために日常的に適用されています。加工材料中の金属間化合物、二次相、析出物の同定や、自然界に存在する岩石や隕石中の鉱物集合体の同定が含まれます。また、粒界における二次相の生成調査など、材料中のこれらの結晶相の空間分布や割合の可視化も実行しています。
大半の場合、EBSD は結晶学的な差異に基づいて結晶相を効果的に識別できます。しかし、エネルギー分散型 X 線分光法（EDS）による化学データと EBSD による結晶学的データの組み合わせは、サンプル中の不明な結晶相の特定（結晶相 ID）、微細構造における化学と結晶学の変化の相関、または類似した結晶学を持つ結晶相同士のより効果的な識別に非常に有効であると考えられます。
EBSD と EDS は、走査電子顕微鏡（SEM）において、多くの点で完璧なパートナーです。多くの SEM では、2つの検出器をチャンバーの同じ側に設置できるため、X 線測定と EBSD パターン収集を同時に実行可能です。EDS 検出器を EBSD 検出器の上に設置した理想的なジオメトリを、右の画像に示します。
2つの技術の空間分解能は、ほぼ同じ（EBSD は 10s - 100s nm、EDS は 100s nm - 5 μm）で、最適な分析条件も同様です（ビーム電流 1-20 nA、ビームエネルギー 10-30 keV など）。1990年代半ばに結晶相識別のために EDS と EBSD が初めて組み合わされてから、これらの技術は統合され、以下のタブに主な EDS-EBSD アプリケーションの詳細が記載されています。
SEM チャンバーにおける EDS と EBSD の組み合わせ測定の理想的な検出器ジオメトリの模式図。
EBSD 装置と EDS 装置を統合し、SEM 上の適切なジオメトリに設置すれば、サンプル表面の未知の結晶相にビームを当て、EBSP と EDS のスペクトルを同時に取得可能です。このシステムは、利用可能な結晶構造データベースを検索し、EDS 定量から決定される結晶相の化学的性質と一致するエントリーを探すことができます。候補となる結晶相の短いリストが返されます。その後、このリストに基づいて EBSP のインデックスを作成し、結晶相を特定します。
この方法は、検索対象となる結晶構造データベースに該当する結晶相が掲載されている必要があるため、真の意味での未知の結晶相の同定とは言えません。しかし、実際には市販の結晶相データベースのカバー率は非常に高く、可能性のある相の大部分がリストアップされます。この方法は、サンプル中の相の特定に非常に有効な方法であり、1回の分析に通常1分未満しかかかりません。
結晶相の同定処理によって、六方晶 AlN と同定され、この構造（黄色）が EBSP に完全に適合していることがわかります。
EDS と EBSD の組み合わせによる結晶相の同定例。高温の鋼材には、二次電子顕微鏡像に見られるような第二相粒子が含まれています。SE 画像に見える大きな暗黒粒子から EBSP と X 線スペクトルを同時に取得する様子を、ソフトウェアインタフェースに表示しました。
市販の EBSD 装置の多くは、EDS と完全に統合されています。これにより、ルーチンの EBSD マッピングと同時に、化学データの収集が可能となります。マップの各点で、EBSD パターンの取得中に、X 線が EDS 検出器で検出され、その位置の完全な X 線スペクトルが保存されます。最新世代の大面積シリコンドリフト EDS 検出器（Oxford Instruments UltimMax 検出器など）は、標準的な EBSD ビーム電流（1～20 nA）を使用して分析する場合、100 k カウント/秒（cps）を収集できます。したがって、EBSD の解析速度が最高で5000パターン/秒の場合でも、各解析ポイントで約100本までの X 線を収集可能です。これは高品質の元素マップの作成に十分であり、更に複数のピクセルからの X 線を組み合わせて、その後のオフライン分析で良質のスペクトルが得られます。
EBSD マッピング中に同時に EDS 測定を実行することによる時間的損失がほとんどないことを考えると、常に2つの技術を組み合わせることが標準的な手順であることは理にかなっていると言えます。EDS 測定から得られる追加情報は、EBSD 相分離の検証、他の方法では見逃される可能性のある化学的変化の強調、EBSD マップの特定の領域がうまく指数付けされなかった理由の説明を可能にします。その一例を、変形した火成岩から引用して紹介します。斜長石鉱物の変形マップ（Grain Reference Orientation Deviationマップ使用）は、最大粒を横切る変形と再結晶の狭いバンドを強調しています。また、Na EDS マップから、これらの変形帯は Na の濃縮と相関しており、後期の流体浸透とマイクロフラクチャーに沿った変質によるものと考えられます。この解釈は、同時多発的な EDS による追加情報なしには不可能であったでしょう。
EBSD 結晶相マップ。
Grain Reference Orientation Deviation（GROD）成分を用いた、斜長石（アノーサイト）相の EBSD 変形マップ。
EDS による Na 元素マップ。
2つ以上の結晶相が結晶学的に類似しているため、EBSDだけでは分離できないサンプルも存在します。この現象は、材料科学と地質学的な応用の両方で見られ、微細構造の解釈の問題を引き起こすことがあります。この問題を解決するには、Kikuchi バンド幅の詳細な解析や、データ処理ソフトウェアによる取得後の結晶相の再分類など、複数の方法が存在しますが、ここではこれらの方法について詳しく説明します。しかし、多くの場合、EDS による化学情報を利用した結晶相の分離が最も効果的です。
市販のシステムによって、その方法は微妙に異なりますが、基本的には EBSD 指数付けプロセスで2つの結晶相を区別できない場合、同時 EDS の結果から得られる化学情報を使用します。この処理は、最初の分析中に実行されることもあれば、撮影後に再処理ルーチンの一部として実行されることもあります。右の例は、硬質工具鋼の例ですが、化学的アシストによる指数付けを使用することで、同じ空間群 225 でありながら、単位セル寸法が約 20% 異なる NbC とオーステナイト（Fe-FCC）を正しく識別できることを示しています。
EBSD 指数付けを支援する化学データの使用は、EDS 分析法の低い空間分解能によって制限されることがあります。ビームエネルギーが 20 keV の場合、X 線源の体積は通常 1-2 mm で、EBSD 分析法の有効分解能より約1桁大きいです。したがって、非常に小さなステップサイズの分析では、EBSD 指数付けを補助する EDS 信号を使用すると、相境界に沿って誤識別を引き起こす可能性があるため、注意して適用する必要があります。
耐摩耗工具鋼における化学的アシストによる指数付けの適用例。標準的な EBSD 指数付け（左中央）は、特定の方向（左中央、丸で囲んだ領域）に対して Fe-FCC と NbC を誤識別しています。EBSD 指数付け時（EDS Nb 元素マップに示す）に化学的性質を利用することで、右側のマップに示されるように、正しい相判別が可能になります。サンプル提供：Wen Hao Han（シドニー大学）。
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