透射电镜中的EDSSTEM和EELS的原理及应用
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近阈精细结构(ELNES)的应用实例
广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
4、两种类型的TEM-EELS结构
透射电镜中的EDS、STEM 和EELS的原理及应用
——崔兰、林奎、郭前进
Contents
1. X射线能量色散谱基本原理 2. 扫描透射电子显微术 3. 电子能量损失谱基本原理及应用
透射电镜的TEM成像模式
Beam Sample
Obj
Screen
透射电镜成像原理示意图
电子的弹性散射与非弹性散射
等离子损失峰：入射电子与导体或半导体样品中的自由电子气交互 作用，使电子气振荡. E < 50eV
可用于：1 样品厚度 2 复介电系数 3 价带和导带电子态密度,禁带宽度
入射电子损失能量（等离子振荡能量） EP = hωP = h (ne2/ε0m)1/2 n: 自由电子气的局域态密度
可利用上式测定样品的浓度
入射电子
特征X射线
X射线能量色散谱 ——EDS
自由电子云
L K M
弹性散射电子
原子序数衬度像 —— STEM
透过电子 核心损失电子 等离子损失电子 电子能量损失谱——EELS
一、X射线能量色散谱基本原理
X射线的产生
入射电子
特征X射线
跃迁
散射损失能量的电子
不同元素的电子所处的轨道能量不同，跃迁过程中所释放的X射线的能量也 各自对应特定值，从而可以用来定性元素种类。
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
1、零损失峰
信号来源： 入射电子与样品未发生交互作用 入射电子与样品发生弹性交互作用（但不包括大散射角的Bragg
衍射） 入射电子造成样品中原子振动，声子激发，损失能量小于0.1eV
零损失峰可用作于： 谱仪的调整 零损失峰的半高宽表征谱仪的能量分辨率
2、低能损失区－等离子损失峰
原子序数衬度像的实现
Annular Detector
TEM模式下的高分辨图像和 STEM模式下的Z衬度像
Annular Detector
STEM与EDS的结合
EDS探头
STEM收集样品局部原子序 数衬度像的同时收集每点的 EDS信息，进而得到各点的 形貌和成分信息
Z=31 Z=33
Ga As 1.4Å
电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
电离损失峰化学位移 (Chemical shift) 两类原子形成离子晶体，正（负）离子由于失去（得到）电子，使它们的内壳层
电子处于更深（更外）的轨道能级上，电离所需能量更大（小）一些。由此产生edge Ec的位移。
STEM—EDS进行成分分布分析
STEM面扫描元Baidu Nhomakorabea分布
STEM线扫描元素分布
电子的弹性散射与非弹性散射
入射电子
特征X射线
X射线能量色散谱 ——EDS
自由电子云
L K M
弹性散射电子
原子序数衬度像 —— STEM
透过电子 核心损失电子 等离子损失电子 电子能量损失谱——EELS
三、电子能量损失谱基本原理及应用
在电子束与样品作用的同时，用Si （Li）漂移探头收集样品释放的X射 线，然后按照X射线能量大小、信 号强度排列成谱，根据出峰能量值 即可进行元素的标定
ＥＤＳ定量分析
有标样定量分析：在相同条件下，同时测量标样和试样中各 元素的X射线强度，通过强度比，再经过修正后可求出各 个元素的百分含量。有标样分析准确度高。
本底(background)来源于： 多重非弹性散射 前一电离损失峰的尾巴
电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
近阈精细结构(ELNES) E=Ec to Ec+50eV 反映样品的能态结构
广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
近阈精细结构(ELNES) E=Ec to Ec+50eV 反映样品的能态结构
石墨、金刚石等碳材料中的 碳原子通过形成π键和σ键相 结合，同时形成了未被电子 占据的、更高能量的π*键和 σ*键，当高能电子入射时， 碳原子内壳层电子将被激发 至此两个未占据态能级从而 使入射电子损失相应能量。 从而根据谱图中对应π*键和 σ*键的损失峰的不同可以区 分不同种类的碳材料。
外置（后置）型谱仪结构及工作原理
5、EELS谱图的获取
能量过滤像的获取
6、STEM和EELS的结合(Specture Image-SI)
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
样品中电子结构以及能级分布
原子构成固体 时能级的分裂
能带：导带、禁带、满带（价带） 导带中电子可以自由移动而导电、 禁带中不允许存在电子、 满带被电子填满，电子被激发至导 带后即为价带 可用来区分导体、半导体、绝缘体
样品中电子结构以及能级分布（电子只能被激发至 未占据态的能级）
无标样定量分析：标样X射线强度是通过理论计算或者数据库 进行定量计算。是X射线显微分析的一种快速定量方法。强 度比： K=IS/IStd， 表达式中IStd是标样强度，它是由纯物理计算或用标样数据 库给定的，适应于不同实验条件。计算精度不如有标样定 量分析
电子的弹性散射与非弹性散射
入射电子
特征X射线
X射线能量色散谱 ——EDS
自由电子云
L K M
弹性散射电子
原子序数衬度像 —— STEM
透过电子 核心损失电子 等离子损失电子 电子能量损失谱——EELS
二、扫描透射电子显微术
入射电子
弹性散射电子 随着原子序数的增加，发生弹性散射的电子数目也成比例的上升， 经散射后偏离入射方向的程度更大，由于这些区别的存在，为我 们对样品进行原子尺度上的观测识别提供了可能
可利用 t/λ=ln(Io/It) 测量样品的厚度 λ：此能量范围的非弹性散射平均自由程 ≈100nm t：样品厚度， Io: 零峰强度，It：等离子损失峰强度
3、高能损失范围的谱图
高能损失范围：E > 50eV 原子的内壳层电子被激发至费米能级的各个未占 据态所引起的能量损失 高能损失范围谱图:
广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
4、两种类型的TEM-EELS结构
透射电镜中的EDS、STEM 和EELS的原理及应用
——崔兰、林奎、郭前进
Contents
1. X射线能量色散谱基本原理 2. 扫描透射电子显微术 3. 电子能量损失谱基本原理及应用
透射电镜的TEM成像模式
Beam Sample
Obj
Screen
透射电镜成像原理示意图
电子的弹性散射与非弹性散射
等离子损失峰：入射电子与导体或半导体样品中的自由电子气交互 作用，使电子气振荡. E < 50eV
可用于：1 样品厚度 2 复介电系数 3 价带和导带电子态密度,禁带宽度
入射电子损失能量（等离子振荡能量） EP = hωP = h (ne2/ε0m)1/2 n: 自由电子气的局域态密度
可利用上式测定样品的浓度
入射电子
特征X射线
X射线能量色散谱 ——EDS
自由电子云
L K M
弹性散射电子
原子序数衬度像 —— STEM
透过电子 核心损失电子 等离子损失电子 电子能量损失谱——EELS
一、X射线能量色散谱基本原理
X射线的产生
入射电子
特征X射线
跃迁
散射损失能量的电子
不同元素的电子所处的轨道能量不同，跃迁过程中所释放的X射线的能量也 各自对应特定值，从而可以用来定性元素种类。
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
1、零损失峰
信号来源： 入射电子与样品未发生交互作用 入射电子与样品发生弹性交互作用（但不包括大散射角的Bragg
衍射） 入射电子造成样品中原子振动，声子激发，损失能量小于0.1eV
零损失峰可用作于： 谱仪的调整 零损失峰的半高宽表征谱仪的能量分辨率
2、低能损失区－等离子损失峰
原子序数衬度像的实现
Annular Detector
TEM模式下的高分辨图像和 STEM模式下的Z衬度像
Annular Detector
STEM与EDS的结合
EDS探头
STEM收集样品局部原子序 数衬度像的同时收集每点的 EDS信息，进而得到各点的 形貌和成分信息
Z=31 Z=33
Ga As 1.4Å
电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
电离损失峰化学位移 (Chemical shift) 两类原子形成离子晶体，正（负）离子由于失去（得到）电子，使它们的内壳层
电子处于更深（更外）的轨道能级上，电离所需能量更大（小）一些。由此产生edge Ec的位移。
STEM—EDS进行成分分布分析
STEM面扫描元Baidu Nhomakorabea分布
STEM线扫描元素分布
电子的弹性散射与非弹性散射
入射电子
特征X射线
X射线能量色散谱 ——EDS
自由电子云
L K M
弹性散射电子
原子序数衬度像 —— STEM
透过电子 核心损失电子 等离子损失电子 电子能量损失谱——EELS
三、电子能量损失谱基本原理及应用
在电子束与样品作用的同时，用Si （Li）漂移探头收集样品释放的X射 线，然后按照X射线能量大小、信 号强度排列成谱，根据出峰能量值 即可进行元素的标定
ＥＤＳ定量分析
有标样定量分析：在相同条件下，同时测量标样和试样中各 元素的X射线强度，通过强度比，再经过修正后可求出各 个元素的百分含量。有标样分析准确度高。
本底(background)来源于： 多重非弹性散射 前一电离损失峰的尾巴
电离损失峰(absorption edge) E=Ec 元素分析；化学位移可以分析元素价态
近阈精细结构(ELNES) E=Ec to Ec+50eV 反映样品的能态结构
广延精细结构(EXELFS) E>Ec+50eV 提供近邻原子距离、性质等信息，在 研究非晶态、短程序材料时非常有用
近阈精细结构(ELNES) E=Ec to Ec+50eV 反映样品的能态结构
石墨、金刚石等碳材料中的 碳原子通过形成π键和σ键相 结合，同时形成了未被电子 占据的、更高能量的π*键和 σ*键，当高能电子入射时， 碳原子内壳层电子将被激发 至此两个未占据态能级从而 使入射电子损失相应能量。 从而根据谱图中对应π*键和 σ*键的损失峰的不同可以区 分不同种类的碳材料。
外置（后置）型谱仪结构及工作原理
5、EELS谱图的获取
能量过滤像的获取
6、STEM和EELS的结合(Specture Image-SI)
电子能量损失谱——EELS的典型谱图
样品中电子结构以及能级分布
原子构成固体 时能级的分裂
能带：导带、禁带、满带（价带） 导带中电子可以自由移动而导电、 禁带中不允许存在电子、 满带被电子填满，电子被激发至导 带后即为价带 可用来区分导体、半导体、绝缘体
样品中电子结构以及能级分布（电子只能被激发至 未占据态的能级）
无标样定量分析：标样X射线强度是通过理论计算或者数据库 进行定量计算。是X射线显微分析的一种快速定量方法。强 度比： K=IS/IStd， 表达式中IStd是标样强度，它是由纯物理计算或用标样数据 库给定的，适应于不同实验条件。计算精度不如有标样定 量分析
电子的弹性散射与非弹性散射
入射电子
特征X射线
X射线能量色散谱 ——EDS
自由电子云
L K M
弹性散射电子
原子序数衬度像 —— STEM
透过电子 核心损失电子 等离子损失电子 电子能量损失谱——EELS
二、扫描透射电子显微术
入射电子
弹性散射电子 随着原子序数的增加，发生弹性散射的电子数目也成比例的上升， 经散射后偏离入射方向的程度更大，由于这些区别的存在，为我 们对样品进行原子尺度上的观测识别提供了可能
可利用 t/λ=ln(Io/It) 测量样品的厚度 λ：此能量范围的非弹性散射平均自由程 ≈100nm t：样品厚度， Io: 零峰强度，It：等离子损失峰强度
3、高能损失范围的谱图
高能损失范围：E > 50eV 原子的内壳层电子被激发至费米能级的各个未占 据态所引起的能量损失 高能损失范围谱图: