电子能量损失谱基本原理及应用

1、电子能量损失谱基本原理及应用燕常宾谷跃龙摘要电子能量损失谱按照能量损失的范 围可以分为弹性散射区、低能损失区、 和高能损失区。由不同的能量损失峰可 以获得样品厚度、复介电系数、价带和 导带电子态密度、禁带宽度等参数，并 可以区分元素所处价态、能态结构等性 质。关键词:电子能量损失谱弹性散射价电子 的单电子激发损失峰等离子体基元损失 峰电离损失峰化学位移第一章引言1.1EELS发展史在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

2、材料 的元素成份。EELS在50年代就已经开始 流行起来，称为材料测试的主要手段之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1.2EELS的特点及作用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 子能量损失现象。只

3、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。1.3能带的基本理论13.1原子构成固体时能级的分裂=1孤立原子的能级是一系列分立的能 级。将N个原子逐渐靠近时，原子之间 的相互作用逐渐增强，各原子上的电子 受其它原子（核）的影响；最外层电子 的波函数将会发生重叠，简并会解除， 原孤立原子能级分裂为N个靠得很近的 能级；原子靠得越近，波函数交叠越大， 分裂越显著。由N个相同原子聚集成固体时，相应于 孤立原子的每个能级分裂成N个能级， 分离出的能级是十分密集的，它们形成 一个能量准连续的能带

4、。通常内层电子 交叠很小，相应地能级分裂变很小，可 近似不受干扰；固体与孤立原子的差异 （如光谱性质，电学性质等）主要是由 外层电子状态的变化所引起：> .原广的平衡 原周旧J距图1.1因此，孤立原子外层电子状态的电 子跃迁所产生的光谱表现为分立谱线； 固体中涉及外层电子状态的跃迁我光谱 表现为连续谱图1.2能带：导带、禁带、满带（价带）导带：导带对应反键态，导带中电子可 以自由移动而导电。满带被电子填满， 电子被激发至导带后即为价带，价带对 应反键态。电子只能跃迁到未被占据的 能带禁带：价带顶到导带底的范围即为禁带, 禁带中不允许存在电子对于碱金属，它们的价带被完全填充， 导带部分填充

5、。1.3.2轨道杂化碱金属（如钠，钾）最外层s能级形成的能 带可容纳2N个电子，但实际只剩N个电子， 故能带半满，可导电；碱土金属（如金属钙，镁等）最外层s 能级正好被2个电子占满，但实际形成能带 时与较高能带发生了交叠;金刚石结构中，金 刚石绝缘，Ge,Si半导体；本来外层s能级2 个和p能级2个，形成能带后应该可导电; 但随着原子之间距离的缩小，两能带发生交 叠，而继续缩小至平衡态时，能带再次发生 分裂（轨道杂化）；下面的能带正好被电子 填满，上面能带为空带；中间有一禁带宽度 Eg；金刚石Eg很大表现为绝缘，另两个Eg 较小，表现为半导体。第二章EELS原理及应用2.1电子散射中的几个过程

6、E。Eq AEEr = O Bctnd图2.11. 弹性散射过程：入射电子和晶格及样品中的电子发 生弹性碰撞，该过程中背散射电子没有 产生能量损失。2. 电子气的激发过程（等离子体激发能量 损失）体等离子体：样品内部的价电子被集 体激发，产生的能量损失。表面等离子体：样品表面的价电子被集体激发，产生的能量损失。3. 特征激发损失；价电子激发：入射电子与单个价电子 碰撞，使单个价电子被激发内层电子激发：入射电子与内层电子 碰撞，使内层电子被激发4. 声子激发：入射电子与晶格或吸附分 子相互作用，激发晶格振动晶格，吸附分子等2.2零损失峰AE就0图2.2信号来源：入射电子与样品未发生交互作用入射电

7、子与样品发生弹性交互作用（不包括大散射角的Bragg衍射）入射电子造成样品中原子振动，声子 激发，损失能量小于O.leV零损失峰可用作于：谱仪的调整零损失峰的半高宽表征谱仪的能量分 辨率2.3低能损失区AF V 50ev价电子的单电子激发损失峰：价电子可以激发到同一能带的未填充的 高能级（能带内部跃迁），或激发到另一 能带（能带间跃迁），如果表面有吸附质, 在表面出现附加电子态，跃迁可能发生 在这些电子态之间。激发这些跃迁的初级电子能量在320ev。等离子体基元损失峰：价电子集体被激发，初级电子能量 损失在5到30evo作用机理：电子与晶格中的正离子实作 用而产生集体震荡，类似于机械振动， 如

8、果电子相对于集体正离子实集体移动 %,由于库仑力作用，有一比例与的恢 复力，其运动方程的解可以以一谐振荡 来表示，震荡频率为n为电子密度可用于：1样品厚度2复介电系数3价带和导带电子态密度，禁带宽度入射电子损失能量（等离子振荡能量）Ep = h（Dp = h （ne2/som）1n：自由电子气的局域态密度可利用上式测定样品的浓度可利用t/X=ln（Io/It）测量样品的厚度入：此能量范围的非弹性散射平均自由程lOOnm t/（）：零峰强度，it：等离子损失峰强度2.4高能损失范围的谱图E > 5OeV背底（background,靠近50ev的区域）来源于：自由电子激发（二次电子）：价电子

9、被激 发，能量损失约50eV；韧致辐射：内层电子被激发，发射出连 续的X射线电离损失峰（absorption edge） E=Ec芯能级电子被激发至高于费米能级 毋的空能级导致的能量损失，某一-缶的 芯能级被激发的最小能量损失为& +缶电离损失峰化学位移（Chemical shift）：两类原子形成离子晶体，正（负）离子 由于失去（得到）电子，使它们的内壳 层电子处于更深（更外）的轨道能级上， 电离所需能量更大（小）一些。由此产 生edge Ec的位移。可用于分析元素价态4SO图2.3如图2.3, 口。2中Ti元素的价态要高 于口2。3中Ti元素的价态，所以Ti。?中 Ti元素电离损失的能量要高于口2。3中Ti 元素电离损失的能量 近阈精细结构(ELNES) E=Ecto Ec+50eV反映样品的能态结构。通过近域精细结 构产生的能量损失可以区分不同种类的 碳材料。石墨、金刚石等碳材料中的碳原子通过形成n键和。键相结合，同时形成了未 被电子占据的、更高能量的ti*键和o* 键，当高能电子入射时，碳原子内壳层 电子将被激发至此两个未占据态能级从 而使入射电子损失相应能量。从而根据 谱图中对应TI*键和*键的损失峰的不同 可以区分不同种类的碳材料。如图2.4