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電子能量損失譜

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電子能量損失譜（英語：Electron energy loss spectroscopy，縮寫：EELS）是物理學及材料科學等研究領域的重要表徵手段，該技術始於1940年代。在電子能量損失光譜（EELS）中，具有已知動能的電子束入射待測材料後，部分電子與原子相互作用發生非彈性散射，損失部分能量並且路徑發生隨機的小偏轉，這個過程中能量損失的大小經電子能譜儀測量並得以分析解釋。通過研究非彈性散射電子的能量損失分佈，可以得到原子中電子的空間環境信息，從而研究樣品的多種物理和化學性質。
中文名
電子能量損失譜
外文名
Electron energy loss spectroscopy
領    域
物理學

目錄

  1. 1 簡介
  2. 2 歷史
  3. 3 原理
  1. 4 電子能量損失譜與EDX
  2. 5 厚度測量
  1. 6 參閲

電子能量損失譜簡介

電子能量損失譜（英語：Electron energy loss spectroscopy，縮寫：EELS）是物理學及材料科學等研究領域的重要表徵手段，該技術始於1940年代。在電子能量損失光譜（EELS）中，具有已知動能的電子束入射待測材料後，部分電子與原子相互作用發生非彈性散射，損失部分能量並且路徑發生隨機的小偏轉，這個過程中能量損失的大小經電子能譜儀測量並得以分析解釋。通過研究非彈性散射電子的能量損失分佈，可以得到原子中電子的空間環境信息，從而研究樣品的多種物理和化學性質。 [1] 

電子能量損失譜歷史

該技術由 James Hillier 和 R.F. Baker 在1940年代中期開發，但是在隨後的50年沒有得到廣泛應用，直到1990年代由於顯微儀器和真空技術的進步才在研究中更加普及。1990年代中期以來該技術發展迅速，在全世界的實驗室中廣泛使用。 [1] 

電子能量損失譜原理

將要研究的材料置於電子顯微鏡中，用已知動能的電子束轟擊，損失了不同能量的電子數目被記錄為電子損失能譜。電子損失能譜包括了電子與原子相互作用發生非彈性散射的豐富信息，主要可以分為三部分：
  1. 零損失峯（ZLP，zero-loss peak）：未被散射的電子、只發生了彈性散射的電子或能量損失很小的非彈性散射的電子（例如聲子散射）；
  2. 低能損失區：能量損失小於 50 eV，例如等離子體共振、切倫科夫輻射、能帶間躍遷；
  3. 高能損失區：和內層電子相互作用導致的吸收邊（Core-loss edges）、近邊精細結構（Near edge fine structure）和擴展能量損失精細結構（Extended energy loss fine structure）
內層電子的電離適用於檢測材料的元素組分，例如一定數量的電子穿過材料後能量減少了 285 eV，這相當於從碳原子去除一個內層電子所需的能量，從而可以推測樣品中一定存在碳元素。其他的應用包括用低能損失區分析樣品的能帶結構和介電性能，利用零損失峯和總體能譜強度測量樣品厚度等等。 [1] 

電子能量損失譜電子能量損失譜與EDX

EDX（Energy-dispersive X-ray spectroscopy）也可以用與元素分析，尤其善於分辨重元素。與EDX相比，電子能量損失譜對於輕元素分辨效果更好，能量分辨率也好出1-2個量級。由於電子能量損失譜電子伏甚至亞電子伏的分辨率，它可以用於元素價態分析，而這是EDX不擅長的。電子能量損失譜(EELS)也許最適合從碳到3d過渡金屬（從鈧到鋅）的元素分析。對於碳，有經驗的光譜學家可以一目瞭然地瞭解金剛石，石墨，無定形碳和“礦物”碳（例如碳酸鹽中出現的碳）之間的差異。 可以分析3d過渡金屬的光譜以識別原子的氧化態。 [1] 

電子能量損失譜厚度測量

EELS可以用來測量薄膜厚度。不難證明，沒有經歷非彈性散射的電子數目隨樣品厚度指數衰減。而這部分電子的相對數目可以通過計算零損失峯的面積I與整個譜的面積之比I0而獲得。利用公式：{\displaystyle I/I_{0}=\exp {(-t/l)}}，l是非彈性散射長度，與材料特性有關；樣品厚度t因此可以被計算出來。
EELS允許在透射電子顯微鏡中快速和可靠地測量局部厚度。最有效的過程如下：
  • 在-5..200 eV的能量範圍內測量能量損耗譜（更寬更好）。 這種測量快（毫秒），因此可以應用於在電子束下通常不穩定的材料。
  • 分析光譜：（i）使用標準程序提取零損失峯（ZLP）; （ii）計算在ZLP（I0）和整個光譜（I）下的積分。
  • 厚度t計算為mfp*ln(I/I0)。 這裏mfp是電子非彈性散射的平均自由程，最近已經列出了大多數元素固體和氧化物。
這個過程的空間分辨率受等離子體定位限制，約為1 nm，意味着空間厚度圖可以在掃描透射電子顯微鏡中測量，具有~1 nm的分辨率。 [2] 

電子能量損失譜參閲

  • 透射電子顯微鏡
參考資料
  • 1.    Ahn C C (ed.) (2004) Transmission electron energy loss spectrometry in material science and the EELS Atlas, Wiley, Weinheim, Germany, doi:10.1002/3527605495, ISBN 3527405658
  • 2.    Hillier, J.; Baker, R.F. Microanalysis by means of electrons. J. Appl. Phys. 1944, 15 (9): 663–675. Bibcode:1944JAP....15..663H. doi:10.1063/1.1707491.