STEM EELS Spectrum Imaging

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透射电子显微镜(TEM)—上海交大分析测试中心

透射电子显微镜(TEM)—上海交大分析测试中心

Shanghai Jiao Tong University
磁透境的像差
球差
¾ 透镜对离轴 远电子比离轴近的电子有更强的会聚能力,因而在高斯 面上,一个物点的象不再是一个点,而是一个圆盘,半径为:
Δri = MCs ⋅ α 3
or
Δrs = C s ⋅ α 3
v v v Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø Ø
Shanghai Jiao Tong University
透射电子显微镜的成像原理
电子 探针仪 入 射 电 子 扫描电 子 显微镜
电子与物质相互作用产生的信息
X射线 衍射仪 X射线 韧致辐射 阴极发光 俄歇电子
二次电子 背反射电 子 吸改电子 衍射电子 电子 衍射仪
试 样
透射电子
俄歇 电子谱 仪
透射电 子显微 镜
Shanghai Jiao Tong University
透射电子显微镜的成像原理
电子光学原理简述
• 从功能和工作原理上讲,电子显微镜和光学显微镜 是相同的。其功能都是将细小物体放大到肉眼可以 分辨的程度;工作原理都遵从射线的Abbey成象原 理。
Abbey成象原理
透射电子显微镜构造、工作原 理及其应用 梁加淼
Tel: 34206175-101 Email: jmliang@
上海交通大学分析测试中心透射电镜室
Shanghai Jiao Tong University
纳米碳管的发现
HREM image showing one end of a multi‐ walled carbon nanotube.
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Shanghai Jiao Tong University

EELS的测试原理和应用

EELS的测试原理和应用

EELS的测试原理和应用1. 什么是EELS能量损失谱(Energy Loss Spectroscopy, EELS)是一种扫描透射电子显微镜(STEM)技术的应用,通过测量材料中透射的电子能量损失,获取材料的化学成分和电子结构信息。

EELS通常用于分析材料中的元素组成、电子能带结构、化学键的特征等。

2. EELS的原理EELS的原理基于电子能量损失与材料中原子、电子间相互作用的关系。

当透射电子穿过材料时,与材料中原子发生散射,损失一部分能量。

通过测量电子的能量损失,可以推断材料中的元素类型和电子能带结构。

EELS主要分为共振和非共振两种模式。

共振模式通过选择特定的能量损失进行测量,可以提高测量的灵敏度和分辨率。

非共振模式则采用全能量范围进行测量,对材料中的元素进行定性和定量分析。

3. EELS的应用3.1 材料分析EELS广泛应用于材料科学领域,可以用于分析材料的组成、界面结构、晶格畸变等。

通过测量电子的能量损失,可以获得材料中元素的电子结构信息,进而分析材料的物理和化学性质。

3.2 纳米颗粒表征由于EELS具有高空间分辨率和高能量分辨率的优点,因此在纳米颗粒的表征中得到了广泛应用。

通过EELS技术可以分析纳米颗粒的表面化学组成、晶格结构以及表面等离子体共振等特性。

3.3 生物医学研究EELS可用于生物医学研究中,通过测量生物样品中电子的能量损失,可以获得样品中元素组成、化学键结构以及生物分子的能带结构等信息。

因此,EELS可以用于研究生物分子的结构和功能。

3.4 界面电子学EELS可以用于研究材料的界面电子学性质,通过分析界面处电子的能量损失,可以探测界面的结构和元素组成。

这对于理解界面特性和设计新型材料具有重要意义。

3.5 稀土元素分析由于稀土元素的特殊性质,传统的分析方法往往难以准确测量稀土元素的含量。

而EELS可以通过测量电子的能量损失,定量分析含有稀土元素的材料。

因此,EELS在稀土元素研究中得到广泛应用。

TEM

TEM

纳米Au团簇 Au10面体 Au20面体 Au10面体 Au fcc结构
石墨烯起着催化作用
35
高分辨像的应用实例
非晶SiO2
非晶SiO2
Si3N4 陶瓷中的晶界和三叉晶界
36
纳米材料表征
FePt-CdS-Au 异质纳米结构的 形成过程
FePt
FePt-CdS
FePt-CdS-Au
37
调制结构的研究
磁畴结构的表征
洛伦兹电子显微方法;
电子全息。
2015/11/6
4
Structure of TEM
Electron optics system (1) illumination system (2) imaging system (3) image viewing and recording
TEM
5 、透射电子显微镜的基本功能
透射电子显微镜的基本结构 透射电子显镜成像 电子衍射(ED) 高分辨(HRTEM) 扫描透射电子显微镜(STEM)/高角环形暗 场像(HAADF) 电子能量损失谱(EELS)

2015/11/6 1
透射电子显微镜在材料研究中发挥的作用
1. 位错的观察证实了位错理论的正确性。(衍衬像)
9
Type of TEM contrast

Amplitude contrast
mass-thickness contrast diffraction contrast (most often used)


Phase contrast

high resolution image

Z contrast
2015/11/6

XEDS-EELS-class-report

XEDS-EELS-class-report


K(a,b)
277
282
Measured edges (eV)
1st Edge
2nd Edge
~ 277
~ 292
3rd Edge ~ 318
O-k
525
531
~532
~ 538
~ 565
Table. 2. Experimentally measured X-Ray energy emission and absorption edges along with the
Experimental (keV) 0.51 0.74 0.93 4.51 4.97 6.41 6.93 8.05 8.92
Reported (keV) 0.525 0.776 0.93 4.508 4.931 6.398 6.924 8.04 8.904
Corresponding lines O Kα Co Lα Cu Lα Ti Kα Ti Kβ Fe Kα Co Kα Cu Kα Cu Kβ
1600
1400
1200
1000
800
600
பைடு நூலகம்
400
0.51
200
0.74 0.93
0 012
8.05
4.51
6.41
8.92
4.97
6.93
3 4 5 6 7 8 9 10
Energy in keV
Fig. 4. The plot shows the measured XEDS energy of the peaks in keV.
Conclusions:
We have carried out the Transmission Electron Microscopy imaging of given Fe3CoO4 nanoparticles. The elemental characterization using XEDS & EELS show the existance of the atomic elements Fe, Co and O in the measured region of the sample.

透射电镜中的EDS STEM和EELS的原理及应用-天津大学

透射电镜中的EDS STEM和EELS的原理及应用-天津大学

STEM与EELS的结合进行原子级别的结构分析
7、电子能量损失谱和X射线能谱
EDS 散射的二次过程 散射方向不是入射束前进方向 效率低 适于分析重元素
EELS 散射的一次过程 散射方向主要为入射束前进方向 效率高 灵敏度高,分辨率高 适于分析轻元素 提供空态态密度、氧化态、局域的相邻原子成分和距 离、能带结构信息、元素的价态信息等 缺点:峰形复杂、本底变化 需要较薄的样品、操作复杂
X射线光电子能谱(XPS)与EELS的比较
XPS原理:以X射线激发核外电子跃迁至自由电子能级 (EELS:使核外电子跃迁到费米能级以上的空能级)
Vacuum
XPS优点: 表面灵敏度高:采样深度0.5~2.5nm; 破坏性最小:软X射线,未聚焦,单 位面积X光子数少;
缺点: 空间分辨率低 深度剖析时,刻蚀和测量只能交替进 行 X-Ray
在电子束与样品作用的同时,用Si (Li)漂移探头收集样品释放的X射 线,然后按照X射线能量大小、信 号强度排列成谱,根据出峰能量值 即可进行元素的标定
EDS定量分析
有标样定量分析:在相同条件下,同时测量标样和试样中各 元素的X射线强度,通过强度比,再经过修正后可求出各 个元素的百分含量。有标样分析准确度高。 无标样定量分析:标样X射线强度是通过理论计算或者数据库 进行定量计算。是X射线显微分析的一种快速定量方法。强 度比: K=IS/IStd, 表达式中IStd是标样强度,它是由纯物理计算或用标样数据 库给定的,适应于不同实验条件。计算精度不如有标样定 量分析
电子的弹性散射与非弹性散射
入射电子 特征X射线 X射线能量色散谱 ——EDS
自由电子云
L K M
弹性散射电子 原子序数衬度像 —— STEM 透过电子

stem成像原理

stem成像原理

stem成像原理STEM(扫描透射电子显微镜)是一种强大的电子显微镜技术,它可以通过透射电子分析样品的内部结构和成分。

STEM成像原理是基于透射电子的散射和传输过程。

本文将讨论STEM成像原理以及相关的参考内容。

STEM成像原理主要包括样品的透射过程、电子透镜系统、探测器系统和图像处理。

首先,透射过程是STEM成像的核心步骤。

透射电子束从透射电子源(例如热阴极或场发射电子枪)发出,经过束缚减速系统调节能量,然后通过一个很薄的样品。

在样品的透射过程中,电子束与样品中的原子、分子或晶格相互作用,产生散射。

其次,电子透镜系统用于调控和聚焦电子束。

电子束在经过电子透镜系统时会受到电子透镜的电磁场作用,从而改变其路径和聚焦效果。

电子透镜系统包括透镜孔径、透镜的磁场强度和定向等参数。

这些参数的调整可以优化STEM成像的分辨率和对比度。

第三,探测器系统用于检测透射电子束通过样品后的散射电子。

常见的探测器包括电子能量损失谱探测器(EELS)和散射电子能谱成像探测器(SE-ADT)。

EELS可以通过测量透射电子束通过样品后的能量损失,提供有关样品化学成分的信息。

SE-ADT则可以捕捉样品中散射电子的强度和角度信息,提供样品的拓扑和晶体学结构信息。

最后,图像处理是STEM成像的关键步骤。

通过将探测器信号转换成数字图像,并通过计算机软件进行处理和分析,STEM成像可以生成高分辨率的样品图像。

图像处理技术包括校正几何和像差,降噪和增强对比度。

图像处理还可以应用于样品的3D重建和元素分布的定量分析。

关于STEM成像原理的参考内容,下面是一些相关的书籍和期刊文章:1. 「Introduction to Scanning Transmission Electron Microscopy」(作者:S. J. Pennycook, P. D. Nellist):这本书提供了关于STEM原理、技术和应用的详细介绍。

2. 「Scanning Transmission Electron Microscopy: Imaging and Analysis」 (作者:Stephen J. Pennycook, Peter D. Nellist):这是一本综合性的教材,介绍了STEM成像和分析的基本原理和方法。

纳米分辨Aloof STEM-EELS无损研究HD同位素材料振动谱

纳米分辨Aloof STEM-EELS无损研究HD同位素材料振动谱

电子显微学报Journal of Chinese Electron Microscopy Society第39卷第5期2020年10月Vol. 39,No. 52020-10文章编号:1000-6281( 2020) 05-0543-07纳米分辨Aloof STEM-EELS 无损研究H/D 同位素材料振动谱李 宁1,2,计宇诚3,李跃辉1,3,刘秉尧&"2,时若晨1,3,杜进隆&"3!,高 鹏1,3,4(北京大学1.电子显微镜实验室,2.前沿交叉学科研究院,3.物理学院量子材料研究中心,北京100871;4.量子物质科学协同创新中心,北京100871)摘 要 本文使用亚10 me V 能量分辨率和纳米空间分辨的扫描透射电子显微镜电子能量损失谱技术(STEM- EELS ),在aloof 条件下无损测量了磷酸二氢钾(KH 2P04)和磷酸二気钾(KD 2P04)的振动模式,并结合红外和拉曼 光谱方法对测得的模式进行了标定。

在此基u 上,进一步定量测量了振动信号在真空中的强度衰减行为,与理论相符合%该工作对电镜下使用快电子能量损失谱研究同位素以及电子束敏感材料的空间分辨振动谱具有启发意义。

关键词 电子能量损失谱;aloof 测量;磷酸二氢/気钾;振动模式;同位素中图分类号:0628. 1+1;TH838 + .6;TG115.21 + 5.3 文献标识码:A doi :10. 3969/j.issn. 1000-6281. 2020. 05. 013磷酸二氢钾(KH 2PO 4 )和磷酸二氣钾 (KD 2PO 4 )因其优良的紫外透过率,高损伤阈值,高 双折射系数和高电光系数等特性,被广泛应用为激光器中的倍频器件和电光开关等'S 而研究这两 种晶体的声子行为有助于人们进一步了解并调控其各项物理性质&在声子信号的测量方面,常用的 方法包括非弹性中子散射'3(,拉曼光谱'4(和红外光 谱'5(等手段&虽然这些方法拥有较高的能量分辨 率(优于1 meV),但其空间分辨能力有限且缺乏结构识别和表征能力&因此这些技术手段测量得到 的往往是较大区域内信号的平均,空间分辨率在百纳米量级,不利于研究者从空间结构入手,了解纳 米材料的结构与物性之间的关联并进行调控&透射电子显微镜是材料科学研究的重要科学 仪器,具有很高的空间分辨率&利用扫描透射电子 显微镜( scanning transmission electron microscopy ,STEM),并结合电子能量损失谱(electron eneray loss spectroscopy , EELS ),即 STEM-EELS 技术,可以得到材料大量的结构和物性信息[6(&传统的STEM- EELS 虽然有着亚埃级别的空间分辨率,但由于电子束能量发散度较高,其能量分辨率在1 eV 的量 级,不足以分辨常规的声子信号(通常在200 meV以下)。

高角度环形暗场Z衬度像成像原理及方法

高角度环形暗场Z衬度像成像原理及方法

STEM 图像的获得可以采用专用的透射扫描电 镜( 如英国生产的 HB- 501 等) , 它的光学 镜筒与 SEM 类似。这种仪器不具备普通 TEM 的功能, 因 此只在 STEM 和 SEM 模式下工作。常用的是一种 TEM/ STEM 混合型仪器, 一般表示为( S) TEM。它 是在通常的 TEM 中加装了扫描附 件、探测设备及 分析装置。如环形探测器、8 过滤器、电子能量损失 谱仪等等。这种仪器具有 STEM, TEM 及 SEM 的 各种功能。如日本生产的 JEOL 2010F 分析电镜。 1. 2 STEM 与 TEM 的电子光学系统比较
变化的能力。
2 高角度环形暗场(HAADF) 方法
在 TEM 中, 被高电压加速的电子照射到试样
46
兵器材料科学与工程
第 25 卷
上, 入射电子与试样中原子之间发生多种相互作用。
其中弹性散射电子分布在比较大的散射角范围内,
而非弹性散射电子分布在较小的散射角范围内, 因
此, 如果只探测高角度散射电子则意味着主要探测
3
散射几率建立在散射截面与 Z 2 成正比的基础上, 其 中 Z 是原子序 数。因此环形暗场像可 以显示某种 原子序数的衬 度[7] 。随后, Pennycook 等人 开发了 环形暗场技术的应用, 他们用特殊设计的环形探测 器收集高角度弹性散射电子( 即高角度环形暗场方 法) 。并用这种方法得到了高分辨的 YBa2Cu3O7- X 和 ErBa2 Cu3O7- X 的 Z 衬度非相干图 像[8] 。Penny2 cook 认为 Crewe 等人使用的环形探测 器收集了包 含非弹性散射在内的低角散射电子, 因此散射截面
信息的透射束和若干衍射束经过透镜重构就得到了 晶体 的高分 辨像。高 分辨 透射电 子显 微方 法 (H RTEM) 可以获得有关原子排列、晶格缺陷、表面 形态等信息。但是如果晶体试样厚度超过若干原子 层, 相位衬度像的解释就变的复杂了。
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Spectrum line scan across interface (50 spectra) Each ach spectrum was taken with 0.5s exposure at <20pA 0pA Useful when insufficient beam current to acquire full image
Original
Hypothetic STEM Images
EELS and EFTEM Training School
STEM EELS and EFTEM Spectrum Imaging
Decimation
12
Binning
Advanced STEM SI – Sub‐pixel scanning …..
EELS and EFTEM Training School
STEM EELS and EFTEM Spectrum Imaging
6
STEM EELS SI – Visualization example
Spectrum-image Spectrum image is displayed as an xy plane over a specified energy
4
STEM spectrum image acquisition

Acquired by stepping a focused electron probe from one pixel to the next
EDX STEM


Spectrum image data cube is filled one spectrum column at a time STEM allows collecting any combination of EELS, x‐ray, and CL spectra p simultaneously y DF or SE signal permits spatial drift correction during acquisition
20 nm
EELS and EFTEM Training School
STEM EELS and EFTEM Spectrum Imaging
10
Advanced STEM SI – Sub‐pixel scanning
Sub-pixel scanning Rasters beam at each SI-pixel during acquisition Prevents under-sampling when probe is smaller than pixel spacing Frequent condition with FEG instruments
EELS and d EFTEM Training T i i School S h l
STEM EELS ad EFTEM Spectrum Imaging
analytical TEM
digital imaging
specimen preparation
TEM specimen holders
SEM products
Can be acquired with high resolution – limited to probe size / delocalisation

Spectral information can be acquired with high spectral resolution
o
o
Verify S/N for acq time OK ‐ Ex. ~100‐200e‐/ch at O‐edge For EELS, verify energy region and alignment ‐ Ex: [70‐1008]eV, E=0.7eV

Setup desired corrections Start acquisition
Spectral resolution the same as conventional EELS
Scanning probe limits sample damage and contamination compared with fixed probe approach
‐ Cons Acquisition times can be lengthy for high number of pixels Requires STEM capability Spatial resolution limited to minimum probe size (not good for LaB6)
Original Image 416x256 6 Sub-Pixel Scanning Off
Sub-Pixel Scanning On
5 52x32
20 20 nm nm
8x Binning
20 20 nm nm
26x x16
20 20 nm nm
16x Binning
EELS and EFTEM Training School
‐ Ex: 100x50 pixels, 2.3nm/pixel

Setup spectroscopy parameters
Select acquisition time per pixel
‐ Ex: 16ms / spectrum; 80s total
View test spectra from around ROI
7
EELS SI – Example processing elemental maps

Use EELS quantification tools on an extracted spectrum
Select edges of interest Apply processing to parent spectrum t i image Generates elemental maps, and optionally p y error information Optionally combine elemental maps to understand spatial relationship
Al
10 nm
nm
60
80
Al K
50 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 0 10 20
200
Si K
40 30
EELS and EFTEM Training School
STEM EELS and EFTEM Spectrum Imaging
Move the size and position of the extraction region to view changes in spectrum, including the effect of processing
EELS and EFTEM Training School
STEM EELS and EFTEM Spectrum Imaging

EELS and EFTEM Training School
STEM EELS and EFTEM Spectrum Imaging
2
Spectrum Imaging – 2 Principle Acquisition Modes
E
y
x
STEM SI Parallel spectrum acquisition with scanned probe at position (x,y) S i l image-pixel Serial i i l acquisition i iti by b changing (x,y) EFTEM SI Parallel image acquisition with filter at energy-loss E Serial spectral acquisition by changing E
STEM EELS and EFTEM Spectrum Imaging
E
y
x
EELS and EFTEM Training School
3
STEM Spectrum Imaging
EELS and EFTEM Training School
STEM EELS and EFTEM Spectrum Imaging
20 20 nm nm
STEM EELS and EFTEM Spectrum Imaging
13
Advantages and disadvantages of EELS‐SI
+ Pros Spatial information acquired in addition to spectral information
9
Advanced STEM SI – Simultaneous EELS / ADF
ADF Image recorded at each point of STEM SI Allows exact correlation with image features Allows advanced quantification tifi ti and d correction

DF survey image El Elemental t l Composition C iti Profile P fil EELS-SI Line-scan
Relative compositio R on (%) 100 80 60 40 20 0 -20 Al Si O
SiO2
Spectrum Image
x y
Specimen
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