Войти
Экспериментальный спектр потерь энергии электронов, показывающий основные характеристики: пик с нулевыми потерями, пики плазмонов и край потерь в сердечнике. In энергия электронов Спектроскопия потерь (EELS ) материал подвергается воздействию пучка электронов с известным узким диапазоном кинетических энергий. Некоторые из электронов претерпевают неупругое рассеяние, что означает, что они теряют энергию и их траектория слегка и случайным образом отклоняется. Величину потери энергии можно измерить с помощью электронного спектрометра и интерпретировать с точки зрения того, что вызвало потерю энергии. Неупругие взаимодействия включают в себя фононные возбуждения, межзонные и внутризонные переходы, плазмонные возбуждения, внутренние оболочки ионизации и черенковское излучение. Ионизация внутренней оболочки особенно полезна для обнаружения элементарных компонентов материала. Например, можно обнаружить, что большее, чем ожидалось, количество электронов проходит через материал с энергией на 285 эВ меньше, чем они имели при входе в материал. Это примерно количество энергии, необходимое для удаления электрона внутренней оболочки из атома углерода, которое можно рассматривать как свидетельство того, что в образце присутствует значительное количество углерода. С некоторой осторожностью и глядя на широкий диапазон потерь энергии, можно определить типы атомов и количество атомов каждого типа, на которые попадает луч. Угол рассеяния (то есть степень отклонения пути электрона) также может быть измерен, что дает информацию о дисперсионном соотношении любого материального возбуждения, вызвавшего неупругое рассеяние.
Этот метод был разработан Джеймсом Хиллиером и Р.Ф. Бейкером в середине 1940-х годов, но не получил широкого распространения следующие 50 лет, и только в 1990-е годы они стали более широко использоваться в исследованиях благодаря достижениям в области микроскопических приборов и вакуумных технологий. Поскольку современные приборы становятся широко доступными в лабораториях по всему миру, технические и научные разработки с середины 1990-х годов были быстрыми. Этот метод позволяет использовать преимущества современных систем формирования зондов с коррекцией аберраций для достижения пространственного разрешения до ~ 0,1 нм, в то время как при использовании источника монохроматических электронов и / или тщательной деконволюции разрешение по энергии может составлять 0,1 эВ или лучше. Это позволило детально измерить атомные и электронные свойства отдельных столбцов атомов и, в некоторых случаях, отдельных атомов.
EELS считается дополнительным к энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (также называемая EDX, EDS, XEDS и т. Д.), Которая является еще одним распространенным методом спектроскопии, доступным на многих электронных микроскопах. EDX превосходно определяет атомный состав материала, довольно прост в использовании и особенно чувствителен к более тяжелым элементам. EELS исторически был более сложным методом, но в принципе он способен измерять атомный состав, химические связи, электронные свойства валентной зоны и зоны проводимости, свойства поверхности и функции распределения парных расстояний для конкретных элементов. EELS имеет тенденцию работать лучше всего при относительно низких атомных номерах, где края возбуждения имеют тенденцию быть резкими, четко определенными и при экспериментально доступных потерях энергии (сигнал очень слабый, за пределами потери энергии около 3 кэВ). EELS, возможно, лучше всего разработан для элементов от углерода до 3d переходных металлов (от скандия до цинка ). Что касается углерода, опытный спектроскопист может сразу определить разницу между алмазом, графитом, аморфным углеродом и «минеральным» углеродом (например, углеродом, присутствующим в карбонатах). Спектры 3d-переходных металлов могут быть проанализированы для определения степени окисления атомов. Cu (I), например, имеет другое соотношение интенсивностей так называемых «белых линий», чем Cu (II). Эта способность "отпечатка пальца" различных форм одного и того же элемента является сильным преимуществом EELS перед EDX. Разница в основном связана с различием энергетического разрешения между двумя методами (~ 1 эВ или лучше для EELS, возможно, несколько десятков эВ для EDX).
Пример границы ионизации внутренней оболочки (потери в сердечнике) Данные EELS от La 0,7 Sr 0,3 MnO 3, полученные a растровый просвечивающий электронный микроскоп.Существует несколько основных разновидностей EELS, в первую очередь классифицируемых по геометрии и кинетической энергии падающих электронов (обычно измеряемой в килоэлектронвольтах или кэВ). Вероятно, наиболее распространенным сегодня является EELS с пропусканием, в котором кинетическая энергия обычно составляет от 100 до 300 кэВ, а падающие электроны полностью проходят через образец материала. Обычно это происходит в просвечивающем электронном микроскопе (ПЭМ), хотя существуют некоторые специализированные системы, которые обеспечивают исключительное разрешение с точки зрения передачи энергии и импульса за счет пространственного разрешения.
Другие разновидности включают EELS на отражение (включая спектроскопию потерь энергии электронов высоких энергий (RHEELS)), обычно на уровне от 10 до 30 кэВ, и отчужденный EELS (иногда называемый EELS ближнего поля), в котором электрон Луч на самом деле не попадает в образец, а вместо этого взаимодействует с ним через кулоновское взаимодействие на больших расстояниях. Aloof EELS особенно чувствителен к свойствам поверхности, но ограничен очень небольшими потерями энергии, например, связанными с поверхностными плазмонами или прямыми межзонными переходами.
В рамках EELS на пропускание метод подразделяется на валентный EELS (который измеряет плазмоны и межзонные переходы) и EELS с ионизацией внутренней оболочки (который предоставляет почти ту же информацию, что и рентгеновская абсорбционная спектроскопия, но из гораздо меньших объемов материала). Разделительная линия между ними, хотя и нечетко определена, находится в районе потери энергии 50 эВ.
Инструментальные разработки открыли часть спектра EELS со сверхнизкими потерями энергии, что позволило использовать колебательную спектроскопию в ПЭМ. В EELS присутствуют как ИК-активные, так и не ИК-активные колебательные моды.
Спектр потерь энергии электронов (EEL) можно грубо разделить на две разные области: -спектр потерь (вплоть до потерь энергии примерно до 50 эВ) и спектр высоких потерь. Спектр с малыми потерями содержит пик с нулевыми потерями, а также пики плазмонов, а также информацию о зонной структуре и диэлектрических свойствах образца. Спектр с высокими потерями содержит края ионизации, которые возникают из-за ионизации внутренней оболочки в образце. Они характерны для видов, присутствующих в образце, и как таковые могут использоваться для получения точной информации о химическом составе образца.
EELS позволяет быстро и надежно измерять локальные толщина в просвечивающей электронной микроскопии. Наиболее эффективная процедура следующая:
Пространственное разрешение этой процедуры ограничено локализацией плазмона и составляет около 1 нм, что означает, что карты пространственной толщины могут быть измеренным в сканирующей просвечивающей электронной микроскопии с разрешением ~ 1 нм.
На интенсивность и положение пиков низкоэнергетического EELS влияет давление. Этот факт позволяет отображать локальное давление с пространственным разрешением ~ 1 нм.
(SCEELM) - это новая аналитическая микроскопия Инструмент, который позволяет просвечивающему электронному микроскопу с двойной коррекцией достигать разрешения по глубине менее 10 нм при визуализации наноматериалов с разрезами по глубине. Ранее это называлось сканирующей конфокальной электронной микроскопией с фильтром энергии из-за отсутствия возможности получения полного спектра (одновременно можно использовать только небольшое окно энергии порядка 5 эВ). SCEELM использует преимущества недавно разработанного корректора хроматической аберрации, который позволяет электронам с разбросом по энергии более 100 эВ фокусироваться примерно в одной и той же фокальной плоскости. Было продемонстрировано, что одновременное получение сигналов с нулевыми потерями, низкими потерями и потерями в сердечнике до 400 эВ в конфокальной геометрии с возможностью дискриминации по глубине.
