电子能量损失谱应用：铁材料特性分析及多层Fe/Si结构研究

铁是纳米电子学、自旋电子学和光子学中最有前途的材料之一。多层Fe/Si结构在理论和实际应用中都很有趣，并且正在通过各种方法进行深入研究。电子能谱是纳米材料分析中最常用的方法之一。Parshina等人^[1]对铁的特征电子能量损失谱(EELS)和非弹性电子散射截面谱(kλ谱)进行了详细的分析。非弹性电子散射截面谱学之所以引起人们的兴趣，是因为与特征反射电子能量损失的初始谱相比，k - λ谱不受多次激发的损失的影响，并且强度以绝对单位表示。这些光谱对初级电子能量和发射角的变化也更为敏感。非弹性电子散射截面谱法可以比传统的反射电子能量损失谱法更精确地确定元素组成。另外，对铁的特征反射电子能量损失和非弹性电子散射截面谱进行了比较分析。非弹性电子散射截面谱的最大能量取决于谱峰的强度，这一点在实验k - λ谱中得到了体现，并通过两个接近能量的谱峰叠加的模拟得到了证实。

图1. Si衬底上Fe薄膜的全景XPS ^[1]

在德国SPECS超高真空光电子能谱仪上，分别以α_i = 59°和α_d = 0°的入射角和探测角测量了样品表面的光电子能谱和积分反射电子能量损失能谱。该光谱仪配备了PHOIBOS MCD9球形能量分析仪，双阳极x射线管作为x射线源，Microfocus EK-12-M (stabb Instruments)电子束投影仪用于激发电子能量损失谱。利用pu - ique -12/38 (SPECS)扫描离子枪，在加速电压2.5 kV、离子电流15 μA的条件下，通过Ar⁺离子刻蚀去除表面杂质和保护层及氧化层，并记录电子能谱。x射线光电子能谱(XPS)控制了氧和杂质去除的完整性:Ar⁺离子刻蚀后的氧和碳污染程度在5%左右。图1为Fe在Si衬底上的全景XPS图，其中有光电子峰和俄歇峰。

图2显示了三个样品的积分(a)和微分(b)形式的平均光谱。在积分谱中，我们观察到损耗能在22.8 eV和56.7 eV左右的较好分辨的峰，以及能量难以确定的低损耗区域的小峰。22.8 eV的峰值显然与Fe中体等离子体激元的激发有关(以普遍接受的符号表示)， 56.7 eV的峰值对应于M23带间跃迁。损耗峰的能量由积分和微分EELS确定，如表1所示。EELS的分化使得减去无结构背景和确定小峰的能量成为可能(图2b)。15.6 eV处的峰值显然与Fe中表面等离子体激元的激发相对应，其能量接近出版值6.6 eV处的峰对应于带间跃迁。在积分和微分EELS中，体等离子体激元的能量实际上与初级电子的能量无关。随着初等电子能量的增加，体等离子体相对于含有表面等离子体的低能区分辨率差的峰的贡献增加(图2)。

图2. Fe EELS以(a)积分和(b)微分形式归一化为弹性峰值^[1]

[1] Parshin, A. S.; Igumenov, A. Yu.; Mikhlin, Yu. L.; Pchelyakov, O. P.; Zhigalov, V. S. (2016). Comparative analysis of characteristic electron energy loss spectra and inelastic scattering cross-section spectra of Fe. Physics of the Solid State, 58(5), 908–914.

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