電子能量損失譜

電子能量損失譜（英語：Electron energy loss spectroscopy，縮寫：EELS）是物理學及材料科學等研究領域的重要表徵手段，該技術始於1940年代。在電子能量損失光譜（EELS）中，具有已知動能的電子束入射待測材料後，部分電子與原子相互作用發生非彈性散射，損失部分能量並且路徑發生隨機的小偏轉，這個過程中能量損失的大小經電子能譜儀（英語：Electron spectrometer）測量並得以分析解釋。通過研究非彈性散無線電子的能量損失分佈，可以得到原子中電子的空間環境資訊，從而研究樣品的多種物理和化學性質。

理想的EELS光譜示意圖，橫軸表示能量損失，從左至右分別是零損失峰、等離子體共振峰、內層電子損失峰及精細結構

歷史

該技術由 James Hillier 和 R.F. Baker 在1940年代中期開發^[1]，但是在隨後的50年沒有得到廣泛應用，直到1990年代由於顯微儀器和真空技術的進步才在研究中更加普及。1990年代中期以來該技術發展迅速，在全世界的實驗室中廣泛使用。

原理

將要研究的材料置於電子顯微鏡中，用已知動能的電子束轟擊，損失了不同能量的電子數目被記錄為電子損失能譜。電子損失能譜包括了電子與原子相互作用發生非彈性散射的豐富資訊，主要可以分為三部分^[2]：

1. 零損失峰（ZLP，zero-loss peak）：未被散射的電子、只發生了彈性散射的電子或能量損失很小的非彈性散射的電子（例如聲子散射）；
2. 低能損失區：能量損失小於 50 eV，例如等離子體共振、切倫科夫輻射、能帶間躍遷；
3. 高能損失區：和內層電子相互作用導致的吸收邊（Core-loss edges）、近邊精細結構（Near edge fine structure）和擴展能量損失精細結構（Extended energy loss fine structure）

內層電子的電離適用於檢測材料的元素組分，例如一定數量的電子穿過材料後能量減少了 285 eV，這相當於從碳原子去除一個內層電子所需的能量，從而可以推測樣品中一定存在碳元素。其他的應用包括用低能損失區分析樣品的能帶結構和介電性能，利用零損失峰和總體能譜強度測量樣品厚度等等^[3]。

電子能量損失譜與EDX

EDX（Energy-dispersive X-ray spectroscopy）也可以用與元素分析，尤其善於分辨重元素。與EDX相比，電子能量損失譜對於輕元素分辨效果更好，能量解像度也好出1-2個量級。由於電子能量損失譜電子伏甚至亞電子伏的解像度，它可以用於元素價態分析，而這是EDX不擅長的。電子能量損失譜(EELS)也許最適合從碳到3d過渡金屬（從鈧到鋅）的元素分析^[4]。對於碳，有經驗的光譜學家可以一目了然地了解金剛石，石墨，無定形碳和「礦物」碳（例如碳酸鹽中出現的碳）之間的差異。 可以分析3d過渡金屬的光譜以識別原子的氧化態^[5]。

厚度測量

EELS可以用來測量薄膜厚度。不難證明，沒有經歷非彈性散射的電子數目隨樣品厚度指數衰減。而這部分電子的相對數目可以通過計算零損失峰的面積I與整個譜的面積之比I₀而獲得。利用公式：${\displaystyle I/I_{0}=\exp {(-t/l)}}$，l是非彈性散射長度，與材料特性有關^[6]；樣品厚度t因此可以被計算出來。

EELS允許在透無線電子顯微鏡中快速和可靠地測量局部厚度^[7]。最有效的過程如下^[8]：

• 在-5..200 eV的能量範圍內測量能量損耗譜（更寬更好）。 這種測量快（毫秒），因此可以應用於在電子束下通常不穩定的材料。
• 分析光譜：（i）使用標準程序提取零損失峰（ZLP）; （ii）計算在ZLP（I0）和整個光譜（I）下的積分。
• 厚度t計算為mfp*ln(I/I₀)。 這裏mfp是電子非彈性散射的平均自由徑，最近已經列出了大多數元素固體和氧化物^[9]。

這個過程的空間解像度受等離子體定位限制，約為1 nm ^[7]，意味着空間厚度圖可以在掃描透無線電子顯微鏡中測量，具有~1 nm的解像度。

參閱

• 透無線電子顯微鏡

參考文獻

1. Hillier, J.; Baker, R.F. Microanalysis by means of electrons. J. Appl. Phys. 1944, 15 (9): 663–675. Bibcode:1944JAP....15..663H. doi:10.1063/1.1707491.
2. Electron Energy-Loss spectroscopy (EELS) （英語）.
3. What is EELS? | EELS.info. [2017-05-25]. （原始內容存檔於2017-05-16） （英語）.
4. Ahn C C (ed.) (2004) Transmission electron energy loss spectrometry in material science and the EELS Atlas, Wiley, Weinheim, Germany, doi:10.1002/3527605495, ISBN 3527405658
5. Riedl, T.; T. Gemming; W. Gruner; J. Acker; K. Wetzig. Determination of manganese valency in La1−xSrxMnO3 using ELNES in the (S)TEM. Micron. April 2007, 38 (3): 224–230. doi:10.1016/j.micron.2006.06.017.
6. "Mean free path of inelastic electron scattering in elemental solids and oxides using transmission electron microscopy: Atomic number dependent oscillatory behavior" Phys. Rev. B 77, 104102 (2008)
7. Egerton 1996. sfn模板錯誤: 無指向目標: CITEREFEgerton1996 (幫助)
8. Iakoubovskii, K.; Mitsuishi, K.; Nakayama, Y.; Furuya, K. Thickness measurements with electron energy loss spectroscopy (PDF). Microscopy Research and Technique. 2008, 71 (8): 626–31 [2017-03-15]. PMID 18454473. doi:10.1002/jemt.20597. （原始內容存檔 (PDF)於2017-09-22）.
9. Iakoubovskii, Konstantin; Mitsuishi, Kazutaka; Nakayama, Yoshiko; Furuya, Kazuo. Mean free path of inelastic electron scattering in elemental solids and oxides using transmission electron microscopy: Atomic number dependent oscillatory behavior (PDF). Physical Review B. 2008, 77 (10) [2017-03-15]. Bibcode:2008PhRvB..77j4102I. doi:10.1103/PhysRevB.77.104102. （原始內容存檔 (PDF)於2016-03-03）.

外部連結

• （英文）在康奈爾大學（Cornell）的EELS精細結構指紋數據庫 （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• （英文）A database of EELS and X-Ray excitation spectra （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• （英文）Cornell Spectrum Imager, an EELS Analysis open-source plugin for ImageJ （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• （英文）HyperSpy, a hyperspectral data analysis Python toolbox especially well suited for EELS data analysis （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）
• （英文）EELSMODEL, software to quantify Electron Energy Loss (EELS) spectra by using model fitting （頁面存檔備份，存於互聯網檔案館）