电子能量损失谱仪EELS在材料科学中的应用-PPT精品文档

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电子能损谱技术及其在材料科学领域中的应用

电子能损谱技术及其在材料科学领域中的应用随着科技的飞速发展，人类对材料的研究也越来越深入。

在材料科学领域中，电子能损谱技术被广泛应用。

本文将从电子能损谱技术的基本原理、仪器构成、应用领域等方面进行介绍。

一、电子能损谱技术的基本原理电子能损谱技术（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）是通过观测物质中电子在经过介质时所发生的损失能量而进行的一种材料研究技术。

在EELS实验中，所使用的电子束能量从几十电子伏特到一千电子伏特左右。

当电子穿过物质时，会与物质中的原子、分子等相互作用。

在这个相互作用的过程中，电子的能量会因发生散射、波长的变化等损失。

测量电子的损失能量，可以了解物质的电子结构、化学成分、结构特性等。

二、EELS实验仪器的构成EELS实验主要由电子束发生器、能谱仪和信号处理器组成。

电子束发生器用于制备电子束，能谱仪则用于测量电子束在物质中的能量损失情况，而信号处理器则用于处理测量到的电子能损谱图（EEL谱图）。

在EELS实验中，电子束发生器一般采用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）或扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）。

TEM 和STEM可以提供很高的空间分辨率，从而使得对材料进行微观结构分析时，可以看到更多的细节和特征。

能谱仪则是EELS实验的核心设备。

能谱仪在TEM或STEM 中设置，其主要作用是测量电子束在物质中的能量损失情况。

能谱仪分为两种类型：全能谱仪和分散能谱仪。

全能谱仪可以连续地记录所有能量损失；而分散能谱仪则可以分离出不同能量损失的电子，对其进行记录和分析。

信号处理器用于对EEL谱图进行处理，提取出所需要的信息。

信号处理器可使用的软件有多种，如Python和MATLAB等。

在处理过程中，本文使用MATLAB对EEL谱图进行处理和分析。

电子能谱学第12讲电子能量损失谱EELS

26
•
为了定性地说明入射电子同在固体表面上作振动的原子或分子的相互作用，可以设想在一个平滑而清洁的晶体表面上，由于表面处的对称性被破坏，元胞内的电荷分布出现了一个静电偶极子p0。
• 假如有一个分子吸附在这个元胞内，静电偶极子变为p。如果吸附分子的垂直方向有一个振动ω0，偶极子就会受到调制，成为p＋pexp(－iω0t)，这时电偶极子的振荡分量就在晶体上方的真空里建立起电场。
29
图7—5画出五种吸附实体的几何结构。
如果假定是一种轻的原于吸附在重的原子上，知道了原子量、结合键的强度、长度以及角度，就可以通过入射电子和吸附原子偶极矩中垂直于表面的振荡的相互作用进行计算，并由选择定则得到图7-5右所示的电子能量损失谱。
30
(a）表示在桥式分子吸附情况下，有两种振动模式：由单个原子作垂直于表面振动的低频峰，及由两个原于间的拉伸振动所产生的高频峰。这是因为它们和表面的结合键的倾斜，使这个振动也有垂直于表面的振动分量。 (b)表承立式分子吸附的情况，这时也出现两个损失峰。低频峰是由整个分子对衬底作振动所产生，由于整个分子的总质量较大以及它跟衬底表面偶合比较弱使频率较低；高频损失峰是同分子的拉伸振动相对应的。 (c)表示双键结合的对称桥式原子吸附，在这里只有从一种频动中得到的一个垂直振动分量。 (d)表示非对称桥式原子吸附，出现了第二个垂直振动分量。 (e)表示顶式原子吸附，在这种情况下，人们只能得到一个损失峰。图7—5中的五条虚线表示目前红外光所能达到的低频极限．
13
EELS的特点
• 电子能量损失谱（Electron energy loss spectroscopy，简称EELS）可以实现横向分辨率10 nm，深度0.5~2 nm的区域内成分分析；

【2019年整理】电子能量损失谱仪EELS在材料科学中的应用72页PPT

谢谢
11、越是没有本领的就越加自命不凡。——邓拓 12、越是无能的人，越喜欢挑剔别人的错儿。——爱尔兰 13、知人者智，自知者明。胜人者有力，自胜者强。——老子 14、意志坚强的人能把世界放在手中像泥块一样任意揉捏。——歌德 15、最具挑战性的挑战莫过于提升自我。——迈克尔·F·斯特利
1、不要轻言放弃，否则对不起自己。
2、要冒一次险!整个生命就是一场冒险。走得最远的人，常是愿意去做，并愿意去冒险的人。“稳妥”之船，从未能从岸边走远。-戴尔．卡耐基。
梦境
3、人生就像一杯没有加糖的咖啡，喝起来是苦涩的，回味起来却有久久不会退去的余香。
【2019年整理】电子能量损失谱仪EELS 4、守业的最好办法就是不生对你的记忆，我不求天长地久的美景，我只要生生世世的轮回里有你。在材料科学中的应用

eels能量损失谱

eels能量损失谱eels能量损失谱（Electron Energy Loss Spectroscopy，简称EELS）是一种用于研究材料电子结构和化学键合状态的实验技术。

它利用电子在材料中传播时损失的能量来获取材料的信息。

EELS具有高分辨率和高灵敏度，可以提供有关材料中原子和分子的结构、化学键合状态、电子能级等重要信息。

一、EELS实验原理当电子束入射到材料表面时，由于电子与材料中的原子和分子相互作用，电子的能量会发生变化。

EELS实验通过测量电子束在材料中传播时损失的能量，可以获得有关材料电子结构和化学键合状态的信息。

在EELS实验中，电子束被加速到一定能量，然后入射到材料表面。

当电子与材料中的原子和分子相互作用时，电子的能量会发生变化。

这种能量变化与材料中的电子结构和化学键合状态密切相关。

通过测量电子束在材料中传播时损失的能量，可以获得有关材料电子结构和化学键合状态的信息。

二、EELS实验方法EELS实验通常包括以下步骤：1. 选择适当的加速电压和电子束流，以便获得所需的能量分辨率和灵敏度。

2. 将样品制备成适合EELS实验的形态，如薄膜或微米尺度的样品。

3. 在扫描电镜或透射电镜中安装EELS谱仪，以便在实验过程中实时测量电子束在材料中传播时损失的能量。

4. 将样品放置在扫描电镜或透射电镜的样品台上，并调整工作距离和电子束入射角度，以便获得最佳的实验效果。

5. 进行实验并记录EELS谱，可以通过调节电子束的能量范围和扫描速度来优化实验结果。

6. 对获得的EELS谱进行分析和处理，以提取有关材料电子结构和化学键合状态的信息。

三、EELS谱分析EELS谱可以提供有关材料中原子和分子的结构、化学键合状态、电子能级等重要信息。

通过对EELS谱进行分析，可以确定材料中的元素种类、化学键合状态、分子结构等信息。

此外，还可以通过比较不同材料的EELS谱来确定它们之间的相似性和差异性。

在EELS谱分析中，通常使用以下方法：1. 元素识别：通过比较已知元素的EELS谱和实验获得的EELS谱来确定材料中的元素种类。

电子能量损失谱人原理及其应用(精品资源)

电子衍射图中包含了弹性和非弹性散射的信息
非弹性散射： Phonons Interband transition Plasma ionization
电子能量损失谱和非弹性散射
1：零损失峰和phonons损失 2：等离子振荡和带间跃迁损失 3：电离化过程损失 4：本底
Al的电子能量损失谱图
和其它谱仪的比较—由收集原子中电子跃迁信号提
内置Ω型 JEM2010FEF
Energy dispersion
内置Ω型 JEM2010FEF
X orbit (the plane perpendicular to the magnetic field)
Y orbit (the plane parallel to the magnetic field)
电子能量损失谱原理与应用
内容
1、电子与物质交互作用 2、电子显微镜/电子能量损失谱仪组合 3、电子能量损失谱仪的一些重要参数 4、电子能量损失谱的谱图及谱图处理 5、电子通道效应和 momentum-
resolved ENEFS 6、能量过滤像和Z-衬度像
电子与物质交互作用
弹性散射与非弹性散射
DSTEM: 由聚焦电子束确定样品上对EELS譜有贡献的区域有可能获得接近一个原子柱的空间分辨率
三种模式的光路图
虚线表示沿着β角的束散射
三种模式采集EELS谱时的参数考虑
电子能量损失谱的谱图、谱图处理及应用
电子能量损失与动量转换
q = K0 – K 在E很小时，近似可得 q2 = K02(θ2+ θE2) θE 是一表征能量损失的特征角
TEM Diff mode: Screen: “diff. pattern” 投影镜后焦面 “image” image coupling 谱仪的物 “image”

电子能谱学第12讲电子能量损失谱EELS

19.9
14.0 19.8 14.0
23
低能电子能量损失谱
• 1970年Ibach首先用高分辨率的能量分析器从解理的 ZnO(1T00)面得到如图所示的低能电子损失谱。 • 从图中可以清楚地看到两个激发声子和一个吸收声子的谱峰，它们之间相距68.8～ 0.5毫电子伏，同理论计算值 69meV一致。
19
经典的介电理论
1. 式中入射电子的动量转换q和振荡频率ω代表了固体的内在性质。 2. 在体内，电子的库仑场的幅度被屏蔽而缩小至1/ε，强度则被屏蔽了1/ε2。 3. 当电子通过介质时，电子运动受到阻迟，电子的能量衰减正比于场强ε2，是介电常数的虚部；
20
• 电子能量损失为：
当电子从介质表面朝真空方向反射时，由于极化作用，电子的库仑场的幅度被屏蔽了1/(ε＋1)而不是1/ε，所以这时的能量损失为：
• 这些振荡电场就会使入射电子产生非弹性散射，结果在电子的反射方向上出现了一个非弹性散射蜂。
27
28
• 一个简单的双原子分子直立地吸附在表面上，如CO在过渡金属表面的吸附就属于这种情况。 • CO分子的拉伸振动产生的振荡偶极子垂直于表面，这个偶极子在晶体表面产生了一个镜像偶极子，当入射电子接近表面时所看到的是振荡偶极子的总强度2p如图7—4(a)所示。 • 如激发CO的平行于表面的振动，那振荡偶极矩也是平行于表面，不过由它产生的镜像阴极矩与它的方向相反，如图7— 4(b)所示，因此表面偶极矩的总和为零。 • 所以在这种情况下入射电子只与吸附分子的振荡偶极矩的垂直分量起作用而产生散射。
6
电子能量损失谱现象
• 电子所损失的能量使物体产生各种激发； • 主要四种类
2)等离子体激元激发。

【2019年整理】电子能量损失谱仪EELS在材料科学中的应用

°
°
取向效应:石墨的ELNES
取向效应:石墨的 EXELFS
取向效应：ALCHEMI(改变s)
•Substitutional/interstitutional impurity identification
•Atom row selectivity
S<0
S>0
取向效应: ALCHEMI(改变g)氮化镓的极性
求出相应的实部 Re(
1 ) ，得到材料的复介电常数 ( E , )
Re(
1 1 ) i Im( ) ( E , ) ( E , ) ( E , ) r ( E , ) i i ( E , ) 1 1 2 [Re( )] [Im( )]2 ( E , ) ( E , )
近边精细结构:八面体结构
近边精细结构：八面体结构和四面体结构
近边精细结构:过渡族金属L23
近边精细结构:氧化铜的L23
近边精细结构:确定锰元素的价态
Photodiode Counts (a.u.)
Mn-L3
4
MnCO3 MnO
Mn-L2
Intensity ratio L3/L2
3
Mn3O4 Mn2O3 MnO2
EELS的背底扣除:窗口位置的影响
EELS的背底扣除: 指数定律失效
低能损失谱的应用:损失函数
等离子散射可以看作是多体散射问题，根据电磁场理论介质的损失函数可以推导出了二阶微分散射截面的表达形式：
d 2 ( E, ) 1 1 dEd a m v 2 n ( 2 2 ) Im[ ] in 0 0 a E
l 1
S-like Ef
3p

电子能谱学第12讲电子能量损失谱EELS

称为体内和表面的损失函数，根据所研究的晶体的光学数据如折射率和吸收系数等可以建立起损失函数
21
•
体等离子体能量损失计算公式为：
Eb ne / m 0
2
•
•
表面体等离子体能量损失计算公式为：
aN n 中，n为单位体积中价电子数： z
Es
ne
2
/ 2m
0
1/ 2
低能电子从ZnO(1I00)镜向反射时的能量损失谱，入射电子能量为l4 电子伏，入射角为45度
24
• Si(111)解理理面的低能电子损失谱。实验数据和理论计算结果也非常一致。 • 激发声子和吸收声子的谱峰位置都在56 毫电子伏处，见图 7 —3 。
25
• 低能电子能量损失谱可对清洁晶面的吸附气体的研究。 • 与红外光谱相比，低能电子能量损失谱比红外吸收光谱能给出更多更直接的信息，能观察到更低的振动频率，有更宽的谱线范围(小于100毫电子伏或1000cm－1波数)； • 低能电子能量损失谱、红外吸收光谱、拉曼光谱、隧道谱和非弹性散射低能原子束技术构成了研究表面振动谱的一整套方法，在实验工作者面前出现了广阔的前景。
13
EELS的特点
• 电子能量损失谱（Electron energy loss spectroscopy，简称EELS）可以实现横向分辨率10 nm，深度0.5~2 nm的区域内成分分析；
• 具有X射线光电子能谱（X-ray photo spectroscopy，简称XPS）所没有的微区分析能力；
• 在非弹性散射电子中，存在一些具有一定特征能量的俄歇电子，其特征能量只同物质的元素有关，如果在试样上检测这些俄歇电子的数目按能量分布，就可以标定物质的各元素组成，称为俄歇电子能谱分析技术。 • 如果其特征能量不但同物质的元素有关，而且同入射电子的能量有关，则称它为特征能量损失电子。

电子能量损失谱

2.62 0.27
N :O N :Si
GB2
0.5
1
1.5
d (nm)
2
GB21.5
4.AEM： “谱分离”定义晶界
Bulk: T2iO
S5: Fe=0.5 wt. %
S5: Fe=0.1 wt.%
S5: no Fe Bulk: SrT3 iO
520
540
560
Energy Loss (eV)
层错面能损谱-像的获得钛酸钙中多余氧化钙原子层
碳-（硼-氮）-碳套管
Probe position
碳-（硼-氮）-碳套管
4.AEM：二维 “谱•像”
4.AEM： “谱分离”晶界膜
O
La
Si
N
STEM-ADF
1100 nnmm
Si: Si 3 N 4
Si: GB
N: Si 3 N 4
N: GB
4.AEM：晶界膜变化
100ev
4 3 2 1 0
EELS的典型谱线
强度比较
NiO边（Edge）的形成
吸收边能量
能级位置
K边 1s壳层
L2,3边 2p壳层 M4,5边 3d壳层 N6,7边 4f壳层
谱仪结构
TEM-EELS结构(串行检测)
EELS结构(并行检测)
能量过滤器
能量过滤器和损失谱仪比较
CCD
应用举例
一、AlSiON陶瓷的元素分析
BF
HADF
5 nm
CaTiO3
Ca4Ti3O
10
CaO
Fault
CaO
Bulk
Energy Loss (eV)
Energy-Filtered TEM

电子能量损失谱基本原理及应用

电子能量损失谱基本原理与应用燕常宾谷跃龙摘要电子能量损失谱按照能量损失的范围可以分为弹性散射区、低能损失区、和高能损失区。

由不同的能量损失峰可以获得样品厚度、复介电系数、价带和导带电子态密度、禁带宽度等参数，并可以区分元素所处价态、能态结构等性质。

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等离子体基元损失峰电离损失峰化学位移第一章引言1.1EELS发展史在1929年由Rudberg发现利用一特定能量的电子束施加在欲测量的金属样品上，然后接收非弹性（亦即是有能量损失）的电子，发现会随着样品的化学成分不同而有不同的损失能量，因此可以分析不同的能量损失位置而得知材料的元素成份。

EELS在50年代就已经开始流行起来，称为材料测试的主要手段之一。

60年代末70年代初发展起来的高分辨电子能量损失谱（HREELS），在电子非弹性碰撞理论的推动下，由于其对表面和吸附分子具有高的灵敏性，并对吸附的氢具有分析能力，更重要的是能辨别表面吸附的原子、分子的结构和化学特性；1.2EELS的特点与作用电子能量损失谱是利用入射电子引起材料表面原子芯级电子电离、价带电子激发、价带电子集体震荡以与电子震荡激发等，发生非弹性散射而损失的能量来获取表面原子的物理和化学信息的一种分析方法。

电子在固体与其表面产生非弹性散射而损失能量的现象通称电子能量损失现象。

只有具有分立的特征能量损失的电子能量损失峰才携带有关于体内性质和表面性质的信息；平坦肥大的峰或是曲线的平坦部分只反映二次电子发射，而不反映物体的特性。

1.3 能带的基本理论1.3.1原子构成固体时能级的分裂孤立原子的能级是一系列分立的能级。

将N个原子逐渐靠近时，原子之间的相互作用逐渐增强，各原子上的电子受其它原子（核）的影响；最外层电子的波函数将会发生重叠，简并会解除，原孤立原子能级分裂为N个靠得很近的能级；原子靠得越近，波函数交叠越大，分裂越显著。

由N个相同原子聚集成固体时，相应于孤立原子的每个能级分裂成N个能级，分离出的能级是十分密集的，它们形成一个能量准连续的能带。

《电子能量损失谱》课件

电子能量损失谱
xx年xx月xx日
• 电子能量损失谱简介 • 电子能量损失谱的基本原理 • 电子能量损失谱实验技术 • 电子能量损失谱的应用实例 • 电子能量损失谱的未来发展
目录
01
电子能量损失谱简介
定义与原理
定义
电子能量损失谱（EELS）是一种用于研究物质内部电子结构和能量的分析技术。
原理
2000年代至今
EELS技术不断创新和完善，成为研究物质内部结构和化学性质的重要手段之一。
应用领域
材料科学
用于研究材料的电子结构和化学键合，如金属、陶瓷、高分子等。
生物学
用于研究生物大分子和细胞膜的电子结构和化学性质。
环境科学
用于研究大气、水体和土壤中的污染物和化学物质。
医学
用于研究药物和生物分子的电子结构和化学性质，以及疾病的诊断和治疗。
02
电子能量损失谱的基本原理
电子能量损失谱的测量方法
1 2
能量分析器法
通过能量分析器测量电子能量损失，可以获得电子能量损失谱。
透射电镜法
透射电镜可以同时获得样品的形貌和电子能量损失谱。
3
扫描电镜法
扫描电镜可以获得样品的形貌和电子能量损失谱。
电子能量损失谱的解析方法
拟合函数法
通过拟合函数解析电子能量损失谱，可以得到电子能量损失谱的峰值和半高宽等信息。
参数设置
根据实验需求，设置电子能量、扫描范围等参数，并启动实验。
数据采集
在实验过程中，记录电子能量损失数据，并确保数据采集的准确性和完整性。
数据处理与分析
01
数据清洗
去除异常值和噪声，提高数据质量。
通过分析电子能量损失数据，得到有关样品电子结构和化学成分的信息。