电子能量损失谱仪在材料科学中的应用

1、电子能量损失谱仪电子能量损失谱仪 在材料科学中的应用在材料科学中的应用 段晓峰 中国科学院电子显微镜重点实验室 中国科学院物理研究所凝聚态物理中心 电子与样品的相互作用 电子与样品的相互作用电子的非弹性散射 电子与样品的相互作用:原子散射截面 dEd Ed),( 2 Inelastic scattering 透射电镜和电子能量损失谱仪 Project crossover 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 像模式光路图 衍射模式光路图 EELS 的聚焦和AC杂散磁场补偿

2、 聚焦和补偿：0峰变高变窄和稳定 CCD的尺寸： 1K x 1K 2K x 2K 动态范围： 14比特： 016383 16比特： 065535 冷却1小时以上 避免使用强电 子束照射:零损 失峰，透射斑 CCD结构示意图 EELS包含的信息 等离子激发 The main exci- tation allowed for core elec- trons obeys the dipole selection rule: K-edge absorption L1-edge absorption L2,3-edge absorption 1s 2s 3s 2p 3p3d M1-edge absor

3、ption M2,3-edge absorption S-like P-like D-like Ef 1l 1, 0 l m 内壳层电子的激发和跃迁 内层电子激发和能带结构 内壳层电子的激发符号规定 内壳层电子的激发和周期表 电子能量损失谱和X射线能谱 EELS的优点：灵敏度高，分辨率高 会聚角和接收角的测量 0 2E E E EE kq 0 EELS的特征角 EELS的特征角E 接收角=(2-4)E 不能E 样品厚度对EELS的影响 样品厚度对EELS的影响:多次散射 样品厚度的影响:非弹性散射平均自由程 样品厚度的影响:等离子损失谱 样品厚度的影响:电离损失峰 样品厚度的影响:最佳厚度 退

4、卷积 退卷积: Fourier ratio方法消除谱仪的影响 退卷积: Fourier log方法 退卷积：Fourier ratio方法 EELS的背底扣除：指数定律 r B AEI EELS的背底扣除:窗口位置的影响 EELS的背底扣除: 指数定律失效 1 Im )( 1),( 222 00 2 Ea in nvmadEd Ed 等离子散射可以看作是多体散射问题，根据电磁场理论介质的 损失函数可以推导出了二阶微分散射截面的表达形式： 1 Im 被称为损失函数， 为介质的介电常数 在介电理论中， )()()( ir i 低能损失谱的应用:损失函数 ),( 1 E 根据Kramers-Kron

5、ig关系: 22 ) ),( 1 Im() ),( 1 Re( ) ),( 1 Im() ),( 1 Re( ),(),(),( EE E i E EiEE ir 求出相应的实部) ),( 1 Re( E 从电子能量损失谱可以得到 的虚部 ，得到材料的复介电常数 Kramers-Kronig 分析 22 0 ) ( 1 Im 2 1 )( 1 Re EE dEE EE 低能量损失的应用：介电常数 电离损失峰分析：峰位的确定 拐点拐点 二阶微分：确定电离损失峰峰位 拐点拐点 拐点拐点 二阶微分：微量元素分析 成分定量分析 1 退卷积 2 扣背底 3 散射截面计算 近边精细结构 近边精细结构:碳和

6、碳化物 近边精细结构:过渡族金属氧化物 100200300400500600 -2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 NW B B2O3 Pure B Counts (a.u.) energy loss (eV) 近边精细结构:硼化物 近边精细结构：化学位移(离子键） 近边精细结构：化学位移(共价键） 近边精细结构(5)近边精细结构:分子轨道 近边精细结构:八面体结构 近边精细结构：八面体结构和四面体结构 近边精细结构:过渡族金属L23 近边精细结构:氧化铜的L23 600650700750800 Mn-L2 Mn-L3 Photodiode

7、 Counts (a.u.) Energy loss (eV) 1234 2 3 4 MnCO3 MnO Mn3O4 Mn2O3 MnO2 Intensity ratio L3/L2 Valence state of Mn Dipole rule: L3: 2p3/2 to 3d3/2,3d5/2 ; L2: 2p1/2 to 3d3/2 近边精细结构:确定锰元素的价态 近边精细结构:过渡族金属的L3/L2 EXELFS模型 EXELFS分析 取向效应:散射几何 取向效应:石墨的ELNES 取向效应:石墨的 EXELFS 取向效应：ALCHEMI(改变s s) S0 Fig. 11 proje

8、ction of the wurtzite GaN structure model. The direction of the cation (Ga) to the anion (N) is defined as 0001 in the real space. 0001 Ga N 取向效应: ALCHEMI(改变g g)氮化镓的极性 Fig. 13 The calculated thickness-averaged electron current density across a unit cell at (0002) (a), and (000-2) (b) Bragg condition

9、s for the impact parameter b= 0.0nm (without delocalization), 0.073nm, and 0.087nm.The sample thickness is 0.40002. 0 .0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 2 .0 0 .0 0 .4 0 .8 1 .2 1 .6 2 .0 (a ) g = 0 0 0 2 b = 0 .0 b = 0 .0 7 3 b = 0 .0 8 7 TAECD (b ) NNG a G a G a g = 0 0 0 -2 G a NG aN G a b = 0 .0 b = 0 .0 7

10、3 b = 0 .0 8 7 TAECD A to m ic L o c a tio n 取向效应:氮化镓的极性 Fig. 12 Comparison of the EEL spectra acquired at (0002) and (000-2) Bragg conditions. The inset is the magnified N K-edge. 400600800100012001400 0 100000 200000 300000 400000 500000 600000 350400450500550 0 100000 200000 300000 400000 500000

11、Ga-L N-K Counts (a.u.) Energy Loss (eV) (0002) (000-2) Energy Loss (eV) (0002) (000-2) 取向效应:氮化镓的极性 Fig. 16 The difference of the calculated averaged-thickness electron current density vs. the sample thickness. The thickness is expressed in units of the two-beam extinction distance 0002.The differenc

12、e of the calculated averaged-thickness electron current density does not change sign when the thickness changes. 0.00.51.01.52.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 b=0.0 b=0.073 b=0.087 TAECD Difference Thickness 取向效应:氮化镓的极性 GaAs EELS Spectrometer Annular Detector 1.4 AsGa Objective Lens Forms a 1.3 Probe I Z2 Z=31 Z=33 1988 1998 Invented by Crewe in 1960s Incoherent imaging with electrons Atomic resolution spectroscopy Now standard on all commercial TEMs Z-Contrast Scanning Transmission Electron Microscopy Spatially resolve