电子能谱学第12讲电子能量损失谱(EELS)
电子能损谱技术及其在材料科学领域中的应用
电子能损谱技术及其在材料科学领域中的应用随着科技的飞速发展，人类对材料的研究也越来越深入。
在材料科学领域中，电子能损谱技术被广泛应用。
本文将从电子能损谱技术的基本原理、仪器构成、应用领域等方面进行介绍。
一、电子能损谱技术的基本原理电子能损谱技术（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）是通过观测物质中电子在经过介质时所发生的损失能量而进行的一种材料研究技术。
在EELS实验中，所使用的电子束能量从几十电子伏特到一千电子伏特左右。
当电子穿过物质时，会与物质中的原子、分子等相互作用。
在这个相互作用的过程中，电子的能量会因发生散射、波长的变化等损失。
测量电子的损失能量，可以了解物质的电子结构、化学成分、结构特性等。
二、EELS实验仪器的构成EELS实验主要由电子束发生器、能谱仪和信号处理器组成。
电子束发生器用于制备电子束，能谱仪则用于测量电子束在物质中的能量损失情况，而信号处理器则用于处理测量到的电子能损谱图（EEL谱图）。
在EELS实验中，电子束发生器一般采用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）或扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）。
TEM 和STEM可以提供很高的空间分辨率，从而使得对材料进行微观结构分析时，可以看到更多的细节和特征。
能谱仪则是EELS实验的核心设备。
能谱仪在TEM或STEM 中设置，其主要作用是测量电子束在物质中的能量损失情况。
能谱仪分为两种类型：全能谱仪和分散能谱仪。
全能谱仪可以连续地记录所有能量损失；而分散能谱仪则可以分离出不同能量损失的电子，对其进行记录和分析。
信号处理器用于对EEL谱图进行处理，提取出所需要的信息。
信号处理器可使用的软件有多种，如Python和MATLAB等。
在处理过程中，本文使用MATLAB对EEL谱图进行处理和分析。
电子损失能谱
电子损失能谱入射电子与样品发生非弹性相互作用，电子损失一定能量，如果我们对出射电子按照损失的能量进行统计计数，就可以得到电子能量损失谱（Electron，Energy，Loss，Spectoscopy，，EELS）。
电子能量损失谱技术经过了六十多年的发展期。
价损失是在高能电子散射中的一个主要非弹性散射过程，它决定了大部分入射电子能量损失。
晶体材料的价带是许多电子态的集合，并且，这些状态决定了许多固体材料的物理性质。
价损失能谱对材料的固态结构是敏感的，并且它可用于区别两个相。
价损失具有非固定散射特性，甚至当电子相距试样几个纳米距离时会发生，因此，价损失能谱只能用于表征价带的集合固态激发特性，而非单个原子性质。
图1是价谱与价带中的电子态密度之间的对应关系，这里在零损失峰和第一峰之间的间隙对于绝缘体是导带与价带之间的间隔。
图1，(a)价电子向导带的跃迁；(b)观察到的EELS，谱与价带中电子态密度(DOS)的关系由于价电子态密度很高，所以连续介电函数ε(ω,q)通常用于表征价带中的电子特性，这取决于等离子体激元振荡的频率ω和扰动波矢量，q13，。
价带激发中的介电响应函数的引入，与将一个非弹性散射过程的量子力学描述转换为一个经典电动力学处理是等同的，并且这种方法在实践中显示了巨大成功。
介电函数表征了介质对由外部源产生的电场(如快速运动电子)的极化响应。
由于带间跃迁的激发和等离子体激元振荡，造成电子能量损。
电子能量损失谱的分析提供了关于固体激发模式的直接信息。
EELS谱中通常能反映出原子内层激发，由于这是一个原子束缚的电子被激发，使它从内壳层进入价带，并伴随着入射电子能量损失和动能转变的过程。
这是一种局部的非弹性散射过程，仅当入射电子在晶体中扩散时才发生，由于内层能级是原子的独特的特性，电离边的强度可有效地用于分析试样的化学性，同时，受约束电子电离的可能性强烈地依赖于价带的态密度，并且在近边能量观察到的精细结构反映了材料的固态结构，因此，EELS不仅能用于定量地确定试样的化学组分，特别是由于荧光性没有减弱信号强度的轻元素，而且也可用于探测试样的电子结构。
电子能量损失谱
高分辨率、高灵敏度、高空间分辨能 力，能够提供关于物质内部结构和化 学信息。
电子能量损失谱的应用领域
材料科学
研究材料微观结构和化学组成 ，如金属、陶瓷、高分子等。
生物学
研究生物大分子结构和功能， 如蛋白质、核酸等。
环境科学
检测大气、水体中的污染物和 有毒物质。
医学
研究生物组织、药物和医疗器 械的相互作用。
CHAPTER
电子能量损失谱的产生
当高能电子束与物质相互作用 时，电子会损失能量并产生非
弹性散射。
损失的能量以热、光、声等 形式释放，同时产生电子激
发和离化等过程。
电子能量损失谱是通过测量电 子束与物质相互作用后电子能 量分布的变化来研究物质内部
结构和能量的方法。
电子能量损失谱的测量
使用电子能量损失谱仪（EELS） 测量电子能量分布的变化。
在本研究中，我们成功地应用电子能量 损失谱对多种材料进行了实验研究，并 获得了丰富的实验数据和结果。
通过电子能量损失谱，可以深入了解材 料的电子结构和物理性质，为材料科学 和凝聚态物理学的发展提供重要信息。
实验结果表明，电子能量损失谱在研究材料 电子结构和能量损失机制方面具有很高的灵 敏度和分辨率，为未来的研究提供了有力支 持。
医学诊断和病理研究
电子能量损失谱可以用于医学诊断和病理研究，通过检测生物样 品中元素的特征能量损失，可以用于诊断疾病和了解病理过程。
环境监测
大气污染监测
电子能量损失谱可以用于监测大气中的有害 物质，如二氧化硫、氮氧化物等，有助于评 估空气质量和环境污染程度。
水质监测
通过电子能量损失谱可以检测水体中元素的含量， 有助于评估水质和了解水体的污染状况。
电子能量损失谱eels
复习 原子中的电子的四个量子数：壳层 K L 角量子数l 0 0 1 M 0 1 2 N 0 1 2 3 自旋量子数j 电子数 2 8 电子在亚层中的分布 1s2 2s22p22p4½ ½ ½3/2½ ½3/2 3/2 5/2183s23p23p42s23d43d6½ ½3/2 3/2 5/2 5/2 7/2324s24p24p44s24d44d64f64f8M5 M4 M3 M2 (n-3)M1Lα1Kβ1L3 (2p 3/2) L2 (2p1/2) L1 (2s) (n-2)Kα2Kα1K (n=1, 1s轨道)分析电子显微镜 设备: 超高真空扫描透射电镜(STEM) 分析型透射电子显微镜(电子束可会聚的很小的,通常配有 扫描附件, EDX, EELS) 主要分析方法: 结构---微衍射和会聚束衍射 成分---X射线能谱和电子能量损失谱X射线能谱的缺点 1 探测效率低 X光的荧光产额低,特别是轻元素(Z<11),远小于2% Backscattered electrons 接收角小,只有1%的信号能收到 2 能量分辨率低 轻元素的谱线重叠比较严重 电子能量损失谱的优点 1 接收效率高, 非弹性散射电子集中在顶角很小的圆锥内 2 能量分辨率高~1 eV 可进行定性定量分析,精细结构可以提供化学键态信息 适合做mapping 3 在探测轻元素上有优势 电子能量损失谱的缺点Secondary electronsProbe electronsAuger electronsX rays (EDXS)SpecimenElastic scattering (Diffraction)Inelastic scattering(EELS)厚样品多重散射的问题比较严重,背底相对较高,信号的定域性较差电子能量损失谱的提供的信息: Z>1的所有元素成分 元素比例 样品厚度 高级: 化学键 带结构 价带和导带电子密度 极化Atomic view of sampleProbe electron (Energy = E0 )∆E-|EB|E0-∆EEB = Binding energy of electron in sampleHitachiHD 2000STEM电子能量损失谱（EELS）一 电子和材料的相互作用： 弹性散射： 非弹性散射： 内壳层——俄歇电子或电磁辐射 外壳层——二次电子、电磁辐射可见光、 永久性破坏（离子化）、等离子（plasma） 二 EELS谱图 按动能分类电子 A 1）零损峰（弹性峰）：能量无损失或损失能量在分辨率以下，对称的高斯分布 2）5－50eV：低能损失区或者等离子峰，为一个或几个峰（厚样品），为激发等离 子震荡和激发晶体内电子的带间跃迁的透射电子（等离子震荡频率正比于价电子密度） P(1)/P(0)=t/Lp (P(1)：第一个等离子峰强度；P(0)：零损峰强度；t：样品厚度； Lp：等离子峰震荡的平均自由路程） 用途：可测样品厚度、元素浓度变化、介电常数等 3）50eV－ ：在指数下降的背底上内壳层激发的电离损失峰（edge），激发原子内壳 层电子的透射电子 背底——无信息, 定量分析时要扣除 电离损失峰——辨别元素 电离损失峰阈值 B 近阈电离精细结构ELNES（在电离损失峰约50 eV内） 反映能带结构，与晶体学状态有关Low-loss (Valence electrons) Zero-loss Oxygen edgeHigh-loss (Core electrons) Nickel edgeDielectric function Thickness BondingELNES BondingEXELFS Coordination Interat. dist.Elemental compositionIntensityx1000Plasmon01005006007008009001000Energy-loss [eV]c 广延精细结构EXELFS（高于在电离损失峰50-300 eV的精细结构） ——周期长，振幅弱，是被入射电子电离出来的出射电子波函数与被近邻原子背散射回来的电子波函数之间的相干效应；可给出该元素的配位原子数及配位距离等近邻原子配位 的信息，研究非晶态和短程有序三 谱仪结构和数据处理 1 基本组成： 电子源、谱仪（Gatan磁棱镜, omega）、数据显示和处理系统 内置式和后置式 1）聚焦谱仪 谱仪物平面经常放在投影镜的后焦平面 parallel收集系统：需要调整谱仪使零损峰宽度最小，高度最大； serial收集系统：散射面上有狭缝，需要调整狭缝2）校正谱仪：现带电镜漂移不严重，但操作中应注意检查 2 获得EELS谱 serial收集系统： 闪烁体可能被零损峰破坏 0.1eV/channel—10eV/channel parallel收集系统: 效率高比较： SEELS：一次收集一通道，操作简单 PEELS：一次收集所有谱，二极管难优化 PEELS：有假相，包含复杂的电子光学，但比SEELS的效率高 3 能量分辨率、空间分辨率： EDX： Z<11，X射线的产生小于2％ X射线的发射为各向同性，EDX探头只收到大概1％ 背底主要来自韧致辐射 EELS：透过的电子几种在有限的角度范围，谱仪的收集效率20%-50% 非弹性散射引起的背底较高 特征峰为边而不是峰，不如EDX峰明显 与EDX相比，可以探测较低密度的低原子数元素 有较高的空间分辨率 能量损失信号不受荧光和二次电子的产生的影响I EELS空间分辨率高——只受电子束尺寸限制 场发射源、1nm探针、1nA电流，到1－2个原子 I I 能量分辨率 1）目前最小可探测量 一般电子源 10-18—10-12克 W丝：～100keV，2.5eV LaB6：～100keV，>1eV 场发射源 10-21克 冷场，0.35-0.5 eV 最小可探测百分数 0.3%-5% 可以用灯丝欠饱和方法提高分辨率： LaB6：～100keV，1eV 2）能量分辨率随能损的增加而增加（<1.5倍） 入射电子能量增加，分辨率降低 Zero-Loss Peak 3）受操作者影响大： HD-2000 如：slit宽度的调整（SEELS)、 200keV / 150pA 光阑的大小（PEELS）0.37eV @FWHM Field emission distribution4 成像和衍射模式 1）收集角：应知道EELS谱的收集角，不同角下得到的结果不宜比较 2）使用光阑选择样品区域 5 能量过滤： Gatan Imaging Filter四 EELS分析θE ≈E （m0 电子静质量，v 电子速度） 2 (γ m0ν )2 − 1 2⎛ ν ⎞ γ = ⎜1 − 2 ⎟ ⎝ c ⎠1 零损峰：一般不收集 2 低能损峰： 1）等离子自由电子等离子模型——h h ⎛ ne 2 ⎞ ωp = Ep = ⎜ ⎟ （ε0自由空间的介电常数，n自由电子密度） 2π 2π ⎝ ε 0 m ⎠特点：散射角较小，收集角在10mrad足够；自由程在100nm左右； 厚度测量 t=λIp/I0 (Ip为第一个等离子峰的强度）1 22）键内和键间过渡单电子相互作用3 高能损峰1）内壳层离子化：特点：与等离子比，散射截面小，平均自由程大；因此边的强度低。
核磁共振谱
2. 电子能量损失谱
弹性散射。入射电子穿透样品时， 与样品发生非弹性相互作用，电 子将损失一部分能量，如果我们 对出射的电子按其损失的能量进 行统计计数，便得到了电子的能 量损失谱，如图9-11所示。
2. 电子能量损失谱
通常我们可把 EELS 谱分成三个 部分，一是零损失峰(zero-loss peak)， 它包括未经过散射和经过完全弹性 散射的透射电子，以及部分能量小 于1eV的准弹性散射的透射电子的贡 献；二是能量损失小于 50eV 的区域， 称为低能损失区(low-loss
2. 电子能量损失谱
们，而这三种物质有完全不同的 EELS 谱 ( 见图 9-13) ，很容易用 EELS 区分它轨道占有数)
2. 电子能量损失谱
(5) 从 EELS 的广延精细结构 (EXELFS)可得出径向分布函数(见图 9-14) ，从而给出配位原子数及配位 距离。 应当指出 EELS具有高的空间分 辨率，对研究界面结构十分有效， 图9-15就是一个例子。在Si/SiO2
第章
电子能量损失谱
2. 电子能量损失谱
2. 电子能量损失谱
电子能量损失谱 (electron energy loss spectrometry ， EELS) 的原理基于 原子中处于不同能级的电子的激发过 程。当入射电子与处于某一能级的电 子发生碰撞，该电子会被激发到导带 或其他未填满的能级上，而入射电子 则损失相应的能量，这种现象称为非
2. 电子能量损失谱
peak 或 plasmon peak) ，这部分主要 包括激发等离子振荡和激发晶体内 电子的带间跃迁的透射电子；三是 高能损失区，其中的电离损失峰 (high-loss peak或core-loss peak)主要 来自激发原子内壳层电子的透射电 子的贡献。
co元素eels能量范围
co元素eels能量范围1. 引言EELS（电子能量损失谱）是一种常用的电子能谱技术，用于研究材料的电子能级结构和电子激发态。
本文将重点讨论EELS在研究钴（Co）元素中的能量范围应用。
2. EELS概述EELS是一种通过测量电子在物质中的能量损失来获得信息的技术。
在EELS实验中，电子束通过样品，与样品中的原子和分子发生相互作用。
这些相互作用导致电子束中的电子发生能量损失，该能量损失可以用来研究样品的电子结构和激发态。
3. co元素的电子结构钴是周期表中的一个过渡金属元素，原子序数为27。
它的电子结构为1s² 2s² 2p⁶3s² 3p⁶ 3d⁷ 4s²。
这意味着钴原子具有27个电子，其中7个电子位于3d轨道上。
4. co元素的EELS能量范围EELS实验中，能量损失谱可以分为两个主要部分：低能量损失（LES）和高能量损失（HES）。
4.1 低能量损失（LES）低能量损失范围通常定义为0-50电子伏特（eV）之间。
在这个能量范围内，EELS可以提供有关材料的电子结构、化学成分和化学键的信息。
对于钴元素，LES可以用来研究钴的3d电子态和4s电子态。
4.2 高能量损失（HES）高能量损失范围通常定义为50-2000电子伏特（eV）之间。
在这个能量范围内，EELS可以提供有关材料的元素配位、晶体结构和电子激发态的信息。
对于钴元素，HES可以用来研究钴的电子激发态和电子结构的细节。
5. co元素EELS应用5.1 钴化合物的电子结构研究钴化合物是一类重要的功能材料，广泛应用于电池、催化剂和磁性材料等领域。
EELS可以用于研究钴化合物中的钴原子的电子结构和化学键。
通过测量LES和HES，可以获取钴化合物的价态、配位环境和电子激发态等信息，从而揭示其性质和应用潜力。
5.2 钴催化剂的表征钴催化剂在多种化学反应中具有重要的应用，如氧还原反应和氢气生成反应。
EELS 可以用来表征钴催化剂的电子结构和表面化学反应。
电子能量损失谱仪EELS在材料科学中应用PPT学习教案
近边精细结构：八面体结构和四面体结构
第47页/共70页
近边精细结构:过渡族金属L 23 第48页/共70页
近边精细结构:氧化铜的L 23 第49页/共70页
近边精细结构:确定锰元素的价态
Photodiode Counts (a.u.) Intensity ratio L3/L2
退卷积: Fourier log方法
第27页/共70页
退卷积：Fourier ratio方法
第28页/共70页
EELS的背底扣除：指数定律
I B AEr
第29页/共70页
EELS的背底扣除:窗口位置的影响
第30页/共70页
EELS的背底扣除: 指数定律失效
第31页/共70页
低能损失谱的应用:损失函数
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扫描透射电镜和电子能量损失谱仪
调整 EELS位置的3种途径
1 磁棱镜 energy shift
2 高压
mapping
3 Drift tube EELS
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像模式光路图
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衍射模式光路图
第7页/共70页
EELS 的聚焦和AC杂散磁场补偿
聚焦和补偿：0峰变高变窄和稳定
[0001] in the real space.
第59页/共70页
取向效应:氮化镓的极性
TAECD
2.0 (a) g=0002
1.6 1.2 0.8 0.4 0.0
Ga
b=0.0 b=0.073 b=0.087
N
Ga
N
Ga
2.0 (b)
1.6 1.2
g=000-2
b=0.0 b=0.073 b=0.087
电子能谱学第12讲电子能量损失谱EELS
称为体内和表面的损失函数，根据所研究的晶体的光 学数据如折射率和吸收系数等可以建立起损失函数
21
•
体等离子体能量损失计算公式为：
Eb ne / m 0
2
•
•
表面体等离子体能量损失计算公式为：
aN n 中，n为单位体积中价电子数： z
Es
ne
2
/ 2m
0
1/ 2
低能电子从ZnO(1I00)镜向反射时 的能量损失谱，入射电子能量为l4 电子伏，入射角为45度
24
• Si(111)解理理面的 低能电子损失谱。实 验数据和理论计算结 果也非常一致。 • 激发声子和吸收声子 的谱峰位置都在56 毫电子伏处，见图 7 —3 。
25
• 低能电子能量损失谱可对清洁晶面的吸附气体的研究。 • 与红外光谱相比，低能电子能量损失谱比红外吸收光谱能 给出更多更直接的信息，能观察到更低的振动频率，有更 宽的谱线范围(小于100毫电子伏或1000cm－1波数)； • 低能电子能量损失谱、红外吸收光谱、拉曼光谱、隧道谱 和非弹性散射低能原子束技术构成了研究表面振动谱的一 整套方法，在实验工作者面前出现了广阔的前景。
13
EELS的特点
• 电子能量损失谱（Electron energy loss spectroscopy， 简称EELS）可以实现横向分辨率10 nm，深度0.5~2 nm的区域内成分分析；
• 具有X射线光电子能谱（X-ray photo spectroscopy，简 称XPS）所没有的微区分析能力；
• 在非弹性散射电子中，存在一些具有一定特征能量的俄歇电子，其特 征能量只同物质的元素有关，如果在试样上检测这些俄歇电子的数目 按能量分布，就可以标定物质的各元素组成，称为俄歇电子能谱分析 技术。 • 如果其特征能量不但同物质的元素有关，而且同入射电子的能量有关， 则称它为特征能量损失电子。
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• 一个简单的双原子分子直立地吸附在表面上，如CO在过渡金 属表面的吸附就属于这种情况。 • CO分子的拉伸振动产生的振荡偶极子垂直于表面，这个偶极 子在晶体表面产生了一个镜像偶极子，当入射电子接近表面 时所看到的是振荡偶极子的总强度2p如图7—4(a)所示。 • 如激发CO的平行于表面的振动，那振荡偶极矩也是平行于表 面，不过由它产生的镜像阴极矩与它的方向相反，如图7— 4(b)所示，因此表面偶极矩的总和为零。 • 所以在这种情况下入射电子只与吸附分子的振荡偶极矩的垂 直分量起作用而产生散射。
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经典的介电理论
1. 式中入射电子的动量转换q和振荡频率ω代表了固体 的内在性质。 2. 在体内，电子的库仑场的幅度被屏蔽而缩小至1/ε， 强度则被屏蔽了1/ε2。 3. 当电子通过介质时，电子运动受到阻迟，电子的能量 衰减正比于场强ε2，是介电常数的虚部 ；
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• 电子能量损失为：
当电子从介质表面朝真空方向反射时，由于极化作用，电子 的库仑场的幅度被屏蔽了1/(ε＋1)而不是1/ε，所以这时的能 量损失为：
18
经典的介电理论
• 经典的介电理论在处理电子能量损失谱方面仍然是一个 重要的有效方法。 • 在历史上所有发生在表面的光学作用都曾用一个宏观的 平均量——介电常数来处理。 • 在处理电子能量损失谱时，原则上，通过入射电子的库 仑势和固体电子气中的长程偶极矩电场的相互作用，体 内和表面的所有元激发如单电子激发，等离激元激发及 声子激发等都可以包括在介电理论中。
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低能电子能量损失谱
• 1970年Ibach首先用高分辨率 的能量分析器从解理的 ZnO(1T00)面得到如图所示 的低能电子损失谱。 • 从图中可以清楚地看到两个 激发声子和一个吸收声子的 谱峰，它们之间相距68.8～ 0.5毫电子伏，同理论计算值 69meV一致。
低能电子从ZnO(1I00)镜向反射时 的能量损失谱，入射电子能量为l4 电子伏，入射角为45度
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EELS原理
• 当入射电子束照射试样表面时，将会发生入射电子的背向散射现象， 背向散射返回表面的电子由两部分组成，一部分没有发生能量损失， 称为弹性散射电子，另一部分有能量损失，称为非弹性散射电子。 • 在非弹性散射电子中，存在一些具有一定特征能量的俄歇电子，其特 征能量只同物质的元素有关，如果在试样上检测这些俄歇电子的数目 按能量分布，就可以标定物质的各元素组成，称为俄歇电子能谱分析 技术。 • 如果其特征能量不但同物质的元素有关，而且同入射电子的能量有关， 则称它为特征能量损失电子。 • 如果在试样上检测能量损失电子的数目按能量分布，就可获得一系列 谱峰，称为电子能量损失谱，利用这种特征能量电子损失谱进行分析， 称为电子能量损失谱分析技术。
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图7—5画出五种吸附实 体的几何结构。 如果假定是一种轻的原于 吸附在重的原子上，知道 了原子量、结合键的强度、 长度以及角度，就可以通 过入射电子和吸附原子偶 极矩中垂直于表面的振荡 的相互作用进行计算，并 由选择定则得到图7-5右 所示的电子能量损失谱。
5
等离子体
• 在金属中，整个系统在宏观尺度上保持 着电中性，然而在微观尺度上往往存在 有电子密度的起伏。由于电子之间的库 仑相互作用是长程作用，电子密度的起 伏将会引起整个电子系统的集体运动， 称为等离子体。
6
电子能量损失谱现象
• 电子所损失的能量使物体产 生各种激发； • 主要四种类型： 1)单电子激发包括价电子激发 和芯能级电子激发。 2)等离子体激元激发。 3)声子激发。 4)表面原子、分子振动激发。
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Nb、U、U2.3Nb和U6Nb合金的等离子体能量损失 、 、 和 合金的等离子体能量损失
金属或合金 Nb Nb U U U-2.3Nb U-2.3Nb U-6Nb U-6Nb 等离子体振荡类 型 体等离子体 表面等离子体 体等离子体 表面等离子体 体等离子体 表面等离子体 体等离子体 表面等离子体 能量损失（eV） 19.6 13.8 20.0 14.1 19.9 14.0 19.8 14.0
26
•
为了定性地说明入射电子同在固体表面上作振动的原子 或分子的相互作用，可以设想在一个平滑而清洁的晶体 表面上，由于表面处的对称性被破坏，元胞内的电荷分 布出现了一个静电偶极子p0。
• 假如有一个分子吸附在这个元胞内，静电偶极子变为p。 如果吸附分子的垂直方向有一个振动ω0，偶极子就会受 到调制，成为p＋pexp(－iω0t)，这时电偶极子的振荡分 量就在晶体上方的真空里建立起电场。 • 这些振荡电场就会使入射电子产生非弹性散射，结果在 电子的反射方向上出现了一个非弹性散射蜂。
3
• •
弹性散射过程； 电子气的激发过程； 体等离子体 表面等离子体
•
特征激发损失； 价电子激发 内层电子激发
2 3 1
•
非弹性损失； 多次损失，热损失等
• 1代表等离子体振荡；2代表价带电子跃迁； 3代表芯级电子激发
声子激发 晶格，吸附分子等
4
入射电子与试样相互作用的示意图
电子能量损失过程
• 激发晶格振动或吸附分子振动能的跃迁，属于声子激发 或吸收，损失能量在几十至几百meV范围； • 体等离子体或表面等离子体（电子气）激发，或价带跃 迁，能量损失值在1~50eV左右； • 芯能级电子的激发跃迁，能量在102～103eV量级； • 自由电子激发（二次电子），约50eV以下； • 韧致辐射（连续X射线）。 • 最后两个激发过程只形成谱的背底
13
EELS的特点
• 电子能量损失谱（Electron energy loss spectroscopy， 简称EELS）可以实现横向分辨率10 nm，深度0.5~2 nm的区域内成分分析； • 具有X射线光电子能谱（X-ray photo spectroscopy，简 称XPS）所没有的微区分析能力； • 具有比俄歇电子能谱（Auger electron spectroscopy， 简称AES）更为表面和灵敏的特性[； • 更重要的是能辨别表面吸附的原子、分子的结构和化学 特性，而成为了表面物理和化学研究的有效手段之一；
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芯能级产生的能量损失谱
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激发等离子元EELS信息 激发等离子元EELS信息
• 由于激发等离激元而产生的电子能量损失，对于 金属来说约15电于伏左右； • 而激发表面等离激元所损失的电子能量约为10电 子伏。 • 这种激发表面等离激元所产生的能量损失谱线对 表面氧化物特别灵敏，是很有用处的。
11
0
1/ 2
1/ 2
式中：m,n和分别是电子质量和电荷，是指真空介点常数，是普朗克常数，为 金属的价电子数，为阿伏伽德罗常数，为金属密度，为金属的原子质量。
• 体等离子体振荡具有特征频率，正比于电子密度n的平方根。因此合金 化引起的电子密度n变化，将导致体等离子体峰发生位移（即等离子体 能量的变化），可利用这一特点来测定合金的成分； • 随着氧化过程，材料表面的介电常数将改变，也将改变，表面等离子 体能量损失峰发生位移，由此可以判定表面上的氧化组分变化情况
清洁表面铀的EELS 清洁表面铀的
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EELS 的信息
• 由单电子激发产生的电子能量损失谱中，价电子激发所 产生的能量损失谱线代表了固体的某些特性，在表面分 析中，这些资料有很大的用处。 • 芯能级电子激发所产生的损失谱线用处也很大。因为由 芯能级电子的激发而出现的电子能量损失谱线有点-50eV，而芯能级电 子激发一般要大于20eV，这时仪器的能量分辨率只要 1eV就够了。
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HREELS
• 当低能电子束接近表面或离开表面对会跟晶体表面振动模发 生作用，产生能量损失； • 由分子的振动谱、振动实体的动力学性质以及振动谱的选择 定则等可以从被反射回来的电子得到固体表面结构的信息。 • 表面吸附分子的振动模还提供了被吸附分子和衬底之间的化 学键性质的信息。 • 最近对清洁表面和吸附表面的物理性质和化学现象的研究十 分活跃，它促进了对表面吸附物质的运动和几何结构的了解， 也促进了对催化和腐蚀过程的了解。
电子能谱学
第12讲 讲
电子能量损失谱（ 电子能量损失谱（EELS） ）
朱永法 清华大学化学系 2005.1.4
EELS历史
• 在1929年由Rudberg发现利用一特定能量的电子束施加在 欲测量的金属样品上，然后接收非弹性（亦即是有能量损 失）的电子，发现会随着样品的化学成分不同而有不同的 损失能量，因此可以分析不同的能量损失位置而得知材料 的元素成份。 • 在50年代就已经开始流行； • 60年代末70年代初发展起来的高分辨电子能量损失谱 （HREELS），在电子非弹性碰撞理论的推动下，由于其 对表面和吸附分子具有高的灵敏性，并对吸附的氢具有分 析能力，更重要的是能辨别表面吸附的原子、分子的结构 和化学特性；
Es是动量为hk‘的反射电子能量， hω是电子所损失的能量即电子传递给固体的能量
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机理
• 跟低能电子衍射的情况一样，如果认为散射过程只发生 在表面，即电子只穿透一、二层原子，那么只要考虑平 行于表面的动量的守恒，从而导出公式(7—2)。 • 式中G／是表面单位网格倒格基矢。 • q/是入射电子和固体表面的动量转换。 • 在弹性散射情况下q/＝0，公式(7—2)就变成了低能电子 衍射中产生极大值条件的公式(5—23)。 • 式(7－1)和(7－2)就是解释电子能量损失谱的基本公式。
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电子能量损失谱现象
• 电子能量损失谱是利用入射电子引起材料表面原子芯级电子电离、 价带电子激发、价带电子集体震荡以及电子震荡激发等，发生非 弹性散射而损失的能量来获取表面原子的物理和化学信息的一种 分析方法。
• • • 电子在固体及其表面产生非弹性散射而损失能量的现象通称电子能量损 电子能量损 失现象； 失现象 只有具有分立的特征能量损失的电子能量损失峰才携带有关于体内性质和 表面性质的信息 ； 平坦肥大的峰或是曲线的平坦部分只反映二次电子发射，而不反映物体的 特性 ；