4D-STEM与EELS技术：非晶材料原子截面定量分析指南

在纳米材料表征领域，四维扫描透射电子显微镜（4D-STEM）结合电子能量损失谱（EELS）技术，为解析非晶材料原子截面信息提供了突破性解决方案。Shahar Seifer团队通过创新实验设计，成功实现了对碳基材料、二氧化硅及生物样本的精准成分分析，为材料科学和生物医学研究开辟了新路径。

技术原理与实验设计

通过配备CEFID能量滤波器的Titan Themis显微镜（图1：CEFID能量滤波器工作原理示意图）和集成ARINA探测器的TecnaiT20-F系统，研究团队构建了双平台验证体系。关键突破在于：

1.零损耗峰对比：通过能量滤波器的开闭状态获取衍射图样差异

2.厚度校准技术：采用60°倾斜投影法实现样本厚度的精准测定

3.信号解耦模型：建立弹性/非弹性散射贡献的卷积分离算法

图1：CEFID能量滤波器工作原理示意图

核心发现与数据验证

图2（非晶材料等离子体能量损失谱对比图）显示：

• 无定形碳：23.6±0.5eV等离子体峰，验证4e-/原子的外层电子分布
• 二氧化硅：24±0.5eV特征峰，符合66原子/nm³的密度模型
• 玻璃冰：22eV能量损失，揭示生物样本保存状态的关键参数

图2（非晶材料等离子体能量损失谱对比图）

创新参数体系

研究提出两个核心分析指标：

1.Zeta参数：弹性/非弹性散射比，实现类似传统STEM的Z对比

2.Eta参数：单位厚度弹性散射系数，适用于超薄样本分析

技术优势与应用场景

该技术突破传统局限：

• 剂量控制：在有限电子剂量下保持数据完整性
• 成分解析：通过ζ/η参数实现C、Si、O等元素的精准区分
• 生物兼容：成功应用于冰封生物样本和缓冲溶液体系

[1] Shahar Seifer, Lothar Houben, Michael Elbaum, Quantitative atomic cross section analysis by 4D-STEM and EELS, Ultramicroscopy, Volume 259, 2024, 113936.

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