电子能量损失谱（EELS）应用：在透射电子显微镜中的高分辨率光谱学分析

电子能量损失谱（EELS）涉及测量与样品相互作用的电子的能量分布，以及由于非弹性散射而损失的能量。如果入射电子的动能为几百电子伏，并从样品表面反射，则该技术被称为高分辨率EELS（HREELS）。然后，相对简单的仪器可以提供能量分辨率低至几毫电子伏特的光谱，足以分辨能量损失的振动和电子模式；使用了这种技术广泛用于研究固体表面的物理和化学^[1]。

本文是关于在透射电子显微镜（TEM）中使用更高能量电子（通常为100–300 keV）的光谱学。由于它们的能量更大，只要样品的厚度低于约1µm，这些电子就可以完全穿过样品。TEM的电磁透镜可用于将其聚焦到直径非常小（1 nm甚至0.1 nm）的“探针”中，或产生样品的透射电子图像，空间分辨率低至原子尺寸。结果，在TEM中进行的EELS能够具有非常高的空间分辨率。结合低样品厚度，这意味着对极小体积的材料进行光谱分析。

从EELS获得的许多光谱信息与同步加速器XAS提供的光谱信息相似，因此TEM-EELS组合被称为显微镜中的同步加速器^[2]。由于EELS可以与透射成像、电子衍射和x射线发射光谱结合在同一台仪器中，因此该技术对研究材料的物理和化学变得非常重要。

图1（a）显示了一个典型的能量损失谱，记录的能量高达几十电子伏特，有时称为低损失区。第一个峰值，对于非常薄的样品来说是最强烈的，出现在0eV处，因此被称为零损耗峰值。它代表的电子没有经历非弹性散射（与样品的电子相互作用），但可能已经弹性散射（通过与原子核的相互作用）而能量损失太小，无法测量。零损耗峰的宽度，通常为0.2–2 eV，主要反映电子源的能量分布。其它的低损耗特征由传导电子或价电子的非弹性散射引起。图1（a）中以22eV为中心的最突出的峰值是价电子的等离子体共振产生的。在54eV附近强度的增加表示来自内壳层电子的非弹性散射，在这种情况下是铁原子的M2和M3子壳层（3p1/2和3p3/2电子）。它的特征形状，快速上升后逐渐下降，被称为电离边缘；它与XAS中的吸收边缘完全等效。

在图1（b）中，其他电离边缘出现在较高的能量损失处：氟K边缘（1s电子的激发），然后是铁L3和L2边缘（表示Fe 2p3/2和2p1/2电子的激励）。在讨论这些不同的特征如何为我们提供有关样品的信息之前，我们将简要检查在TEM中获得能量损失谱所涉及的原理和仪器。

图1 氟化铁薄膜的能量损失谱：（a）具有对数强度标度的低损失区域和（b）具有线性垂直标度的部分核心损失区域

TEM-ELS仪器基于磁棱镜，其中由具有精心成形的极片的电磁体产生均匀磁场B（约0.01T）；见图2。在这个场中，电子遵循半径为R的圆形路径，并偏转一个通常为90的角度，电子上的侧向力为F=Bev=mv2/R，其中e、v和m是电子速度、电荷和相对论质量，给出的弯曲半径取决于速度，因此也取决于电子能量：

虽然这种行为类似于玻璃棱镜对白光束的弯曲和散射，但电子棱镜也具有聚焦作用。在垂直于场的方向上偏离中心轨迹（光轴）的电子（图2（a））在场内的路径长度会增加或减少，从而产生更大或更小的偏转角。如果入射光束源自给定能量的电子从点对象返回到单个像点。不同电子能量的存在会导致穿过该点的平面上的聚焦光谱。此外，极片边缘的边缘场聚焦在平行于磁场的方向y上偏离的电子（图2（b））。通过调整极片边缘的角度，可以使这两个垂直方向上的聚焦功率相等（双聚焦条件），从而在施加磁场的方向上给出小宽度的光谱。作为二阶像差的结果，聚焦是不完美的，但这些像差可以通过弯曲极片边缘来校正，对于高达几毫弧度的入射角（大约0.3◦)。

图2 磁棱镜的色散和聚焦特性（a）在垂直于磁场的平面内，（b）平行于磁场。实线表示零损耗电子（E=0）；

[1] Ibach H and Mills D L 1982 Electron Energy-Loss Spectroscopy and Surface Vibrations (New York: Academic).

[2] Brown L M 1997 A synchrotron in a microscope Proc. EMAG97 (Cambridge) (Inst. Phys. Conf. Ser. 153) pp 17–21.

科学指南针提供各类科研测试服务，愿您总能获得想要的结果。我们收到的测试样品来自各地，种类繁多，如果我们回复不及时，还请再次联系，或直接语音电话联络，若您对我们的服务不满意，或对测试结果有疑问，请果断联系我们或直接拨打400-831-0631，我们对每个数据及结果，会负责到底！科研可能很苦，但坚持一定很苦，愿您顺利！

免责声明：部分文章整合自网络，因内容庞杂无法联系到全部作者，如有侵权，请联系删除，我们会在第一时间予以答复，万分感谢。