电子能量损失谱基本原理及应用

1、电子能量损失谱的基本原理及应用延昌彬谷寿龙摘要信息电子能量损失谱可根据能量损失范围分为弹性散射区、低能损失区、高能损失区。样品厚度、复系数、原子价和铅电子密度、带隙宽度等参数可以从能量损失峰中获得，并可以区分元素的原子价、能量状态结构等特性。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值等离子体基本损失峰值电离损失峰值化学位移第一章引言1.1EELS发展史应用于1929年在Rudberg中使用特定能量的电子束测量的金属样品后，接收非弹性(即能量损失)电子的结果样品的化学成分会有不同的能量损失，因此，通过分析不同的能量损失位置，可以知道材料的元素组成。EELS在50年代已经开始普及，被

2、称为材料测试的主要手段之一。20世纪60年代末70年代初期发展起来的高分辨率电子能量损失谱(HREELS)，由于电子非弹性碰撞理论的推进，对表面和吸附分子的敏感性高，对吸附氢有分析能力，因此识别表面吸附的原子、分子的结构和化学特性更为重要1.2EELS的特性和功能电子能量损失谱是利用入射电子对材料表面原子核心水平的电子电离、价带电子激发、价带电子集体冲击和电子冲击激发等非弹性散射所损失的能量获取表面原子的物理和化学信息的分析方法。电子在固体及其表面发生非弹性散射而失去能量的现象称为电子能量损失现象。只有特性能量损失分离的电子能量损失峰具有体内特性和表面特性的信息。平坦的肥大的山峰或曲线的平坦部

3、分只反映二次电子发射，不反映物体的特性。1.3能量带的基本理论1.3.1原子形成固体时构成能量准位的分裂孤立原子的能级是一系列单独的能级。随着n个原子越来越近，原子之间的相互作用越来越强，每个原子的电子都受到另一个原子(核)的影响。最外层电子的波函数会重叠，简解了，原来隔离的原子水平将分成非常接近的n个能量水平；原子越近，波函数的叠加越大，分裂越明显。当由n个相同的原子形成固体时，分离的原子的每个能级分为n个能级，分离的能级非常密集，成为能量的准连续带。通常，内部电子叠加较小，其级别划分几乎不受干扰，并且变小。固体和孤立原子的差异(如光谱特性、电特性等)主要是由系外电子状态的变化引起的：图1.

4、1因此，分离原子的系外电子状态的电子转移所产生的光谱表现为单独的光谱线。包含固体到外部电子状态的过渡内光谱显示为连续光谱图1.2乐队：领唱、乐队禁止、全乐队(价格乐队)导带：导带相当于电子自由移动和传导电的反向耦合状态。整个带装满了电子，电子作为指针发生后，原子价带，原子价带对应的反键状态。电子只能转换为未占领的能量带。禁止区：从补给台顶部到指南底部的范围是禁止区，禁止区不允许电子对于碱金属，他们的价码完全填满，导带部分填满。1.3.2轨道混合碱金属(如钠、钾)的最外层s级形成的波段可以容纳2N个电子，但实际上只剩下n个电子，因此只有一半，具有导电性。碱土金属(如金属钙、镁等)最外层的s级正好

5、装满了2个电子，但实际上形成乐队时与上层乐队重叠。金刚石结构、金刚石绝缘、Ge、Si半导体；原外层s级2和p级2，形成带后必须具有导电性；但是，随着原子之间的距离缩小，两个波段重叠，继续缩小到平衡状态时，会再次发生分裂(轨道杂交)。下面的乐队是电子填充的，那个乐队是空的。中间有禁区宽度。钻石Eg作为绝缘出现得很大，其他两个Eg作为半导体出现得很小。第二章EELS原理及应用2.1电子散射的几个过程图2.11.弹性散射过程：后向散射电子不产生能量损失的入射电子和晶格及样品中的电子发生弹性碰撞。2.电子气体激发过程(等离子激发能量损失)等离子体：样品内部的价电子受到集体刺激而产生的能量损失。表面等离

6、子体：样品表面的价电子受到集体刺激而产生的能量损失。特性激励损失；价电子激发：入射电子与单个价电子碰撞，单个价电子受到刺激内层电子激发：入射电子与内层电子碰撞，内层电子发动4.声子激励：入射电子与晶格或吸附分子相互作用，引起晶格振动晶格、吸附分子等2.2零损耗峰值e-0图2.2信号源：入射电子和样品没有相互作用入射电子与样品发生弹性相互作用(大散射角的布拉格衍射除外)入射电子产生声子激励样品的原子振动，损耗能量小于0.1eV零损耗峰可按如下方式使用：光谱仪的调整零损耗峰的半高幅表征光谱仪的能量分辨率2.3低能量损失区域E50ev价电子的单电子激发损失峰值：价电子可能发生在同一能量带的未填充高能

7、级(带内跃迁)或其他带内(带间跃迁)，如果表面有吸附物质，表面可能会出现额外的电子状态，转移可能发生在这些电子状态之间。刺激这种转移的初级电子能量为320ev。等离子体基元损耗峰：价电子以集体的方式发动，一次电子能量损失达5 30ev。作用机制：电子和晶格的正离子产生类似机械振动的集体振动。如果电子相对于集体阳离子线集体移动x，由于库仑力的作用，存在1比x的弹性，其运动方程的解可以用谐波振动来表示。冲击频率为n是电子密度可用于：范例厚度1双复介电常数3价格带和铅电子状态密度，禁止带宽入射电子损耗能量(等离子振动能量)N:自由电子气体的局部密度可以由下而上测量样品的浓度可以利用测量样品的厚度:非

8、弹性散射在此能量范围内的平均自由路径I0:零峰值强度，It:等离子体损耗峰值强度2.4高能损失范围的光谱E 50eV背面(接近background，50ev的区域)从以下位置导出：自由电子激发(二次电子):价电子激发，能量损失约为50eV；固件辐射：内部电子受到刺激，发出连续的x射线电离损失峰值E=Ec。核心层电子是由高于费米层EF的空能级引起的能量损失，由1-Ei的核心能级引起的最小能量损失为EF Ei离子化损失峰值化学位移(Chemical shift):两种原子形成离子晶体，正(负)离子使电子失去(得到)，使它们的内部壳电子处于更深(更外)轨道能量水平上，需要更大(更小)的能量来电离。这将产生边Ec的位移。可用于分析元素价格图2.3在图2.3中，TiO2的Ti元素比Ti2O3的Ti元素的原子高，因此TiO2的Ti元素比Ti2O3的Ti元素失去离子化的能量损失更多的能量近端微结构(ELNES) E=Ec to Ec 50eV反映样品的能量结构。通过近场微结构产生的能量损失可以区分不同种类的碳材料。石墨、钻石等碳材料的碳原子通过键和键的形成形成，形成了未被电子占用的更高能量的 *键和 *键，高能电子入射时，碳原子内的壳电子会在这两个未占用状态能级上受到刺激，因此入射电子会损失相应的能量。因此，不同种类的碳物质根据光谱内相应的 *键和*键的损耗峰进行区分。在图2