电子能量损失谱基本原理及应用共35页
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透射电镜中的EDSSTEM和EELS的原理及应用
外置（后置）型谱仪结构及工
6、STEM和EELS的结合(Specture Image-SI)
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
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
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。
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
电子能量损失谱-精选文档
<0.2在离弹性峰56meV处由 于激发声子而出现损失峰。90 和125meV损失峰为氧的振动 模。 = 0.6 时，声子激发消失，氧 的振动模移到94和130meV
吸附模型
2、实验装置
HREELS特点： (1) 初级电子能量很低。3~10eV (2) 所损失的能量很小 (<500meV)，谱线半宽度约 10meV， 要求能量分析器的分辨能力<10meV。目前最好的分辨能力 3-8meV (3) 电子能量损失谱对角度很灵敏。要求角分辨能力<1.5o 总结：要求仪器有一个能量低、单色性很好的初级电子束， 并有一个能量分辨能力，角分辨率和灵敏度都很高的检测系 统
e
e’
Ek = E0 – Evib
1eV < E0 < 10eV
桥式分子吸附
立式分子吸附
对称桥式 原子吸附
非对称桥式 原子吸附
顶式原子吸附
已知原子量、结合能、长度及角度，通过入射电子与吸附原 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 择定则得到上图右边的电子能量损失峰 (a) 由单个原子作垂直于表面振动的低频峰；由两个原子间的 拉伸振动所产生的高频峰 (b) 低频峰由整个分子对衬底作振动产生；高频峰同分子的拉 伸振动相对应 (c) 只有从一种振动中得到的一个垂直振动分量 (d) 出现第二个垂直振动分量 (e) 一种损失峰
程序升温热脱附（TPD）和程序升温反应谱（TPRS）
反应速率
dc n E a/RT n kC e C dt
脱附速率
dN E d /RT n kI e dt
N－单位面积上吸附的分子数 I－质谱信号
E lnI ln d K RT k P
反射式电子能量损失谱(REELS)和弹性电子散射谱(EPES)
• Plasmon峰:TiO2
– 13.8eV, 21.5eV, 43.5eV, 20eV(Ti)
TiO2 纳米粉 TiO2薄膜/Si Ti薄膜/Si
1004.7
复杂化合物SrTiO3晶体表面的ELS谱
100k 80k 60k
I (cps)
BE (eV)
Sr4p 14.4 bul Plas 10.9 suf plas 2(1)
等离激元激发单电子激发声子及表面振动连续x射线激发等?非弹性碰撞自由程电子的非弹性散射?电子能量损失谱els单电子和等离子激元单电子和等离子激元发?能量守恒能量守恒?能级跃迁能级跃迁leels测量表面分子振动和声子谱?散射角?矢量kq?反射电子能量损失谱reels250xi中电子散射角180?即为reels?透射电子能量损失谱测量表面电子能态或元激reels?reels应用
– 条件：E＝1keV，散射角θ＝π
EPES
ELS
由于金刚石结构为sp3杂化的σ键， ELS中没有π电子的跃迁。
金刚石表面REELS谱，E＝1keV
REELS谱
• 金刚石表面REELS谱
金刚石表面REELS谱，E＝1keV
REELS谱
• Ar刻蚀金刚石表面REELS谱
表面损伤变化
金刚石表面Ar离子刻蚀前后REELS谱对比，E＝1keV
氧化物的ELS谱：SiO2/Si
Ek=1004.7eV FWHM=0.50eV ωp
60k
ωs O2p
ω'p
ω''p etched-1nm/Si etched-3nm/Si
I (cps)
40k
E2
ωs
ωp
SiO2(1nm)/Si SiO2(3nm)/Si
7 Electron Energy Loss Spectroscopy
§7.1.1 能谱仪：后置型(Post-column)能量过滤器
Gatan imaging filter (GIF)
§7.1.2 能谱仪：内置型(Built-in)能量过滤器
Built-in Omega (Ω) 能量过滤器
能谱仪置于TEM的镜筒中间 视场较大，即记录的能量 过滤像的范围比较大 因而 过滤像的范围比较大，因而 适合于能量过滤电子衍射和 成像。 成像 能谱仪稳定性的变化会影 响电子衍射和图像质量。 响电子衍射和图像质量 也可以用于能谱分析，但 背底较大。 底
求出相应的实部 Re( (
1.8
Inte 2
×50
0.6
×200
0.0 0 50 400 600 800 1000
Energy Loss (eV)
电子能量损失谱信息
电子能量损失谱—研究对象
d orbital
电子行为：态密度、化学键、氧化态、电子轨道
主要内容
7.1，能谱仪：后置型和内置型能量过滤器 7 2，实验方法： 7.2 实验方法 像模式与衍射模式 像模式 射模式 7.3，实验数据处理：连续背底和多重散射的扣除 7.4，基本原理
Power Law
f ( E ) AE r
其中E为能量损失， A和r为拟合参数
§7.3 实验数据处理：多重散射扣除
平均自由程(λ)：
电子在样品中连续 发生两次散射过程之 间所经过的平均距离。 样品密度越大， λ越小 加速电压越高 λ越大 加速电压越高， 对于金属Cu，加速电 压为100kV是，平均 自由程λ约为100 nm。
衍射模式 像模式
V. J. Keast, et al., J. Microsc. 203 (2001) 135
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
eels能谱原理
eels能谱原理
EELS（Electron Energy Loss Spectroscopy）是一种分析材料内
部结构和化学成分的电子能谱技术。
EELS谱原理基本上是通过测量电子束入射材料后发生的能量
损失来分析材料的特性。
当高能电子束入射到样品表面时，其中的电子与样品内部的原子和电子发生相互作用。
这种相互作用会导致电子的能量损失，其中一部分被散射、散射角度和能量改变，称为散射电子，另一部分能量损失转移到样品内部的电子中，称为透射电子。
透射电子的能量损失被称为电子能损失。
这些能损失的能谱信息可以通过一个能量分析器来测量和记录。
在EELS实验中，
通常使用透射电子能谱来分析样品的化学组成和电子结构。
通过分析能损失的峰谷特征能量值和相对强度，可以获得关于样品中原子类型、化学键和晶体结构等信息。
EELS能谱原理是基于量子力学和能量守恒定律的原理。
当电
子束与样品内的原子和电子相互作用时，它们之间的能量转移和损失是基于能量守恒定律的限制。
因此，通过分析能量损失的特征，可以获得关于样品内部结构和化学成分的信息。
需要注意的是，EELS谱原理的应用需要高分辨率的电子能谱
仪和专业知识，因此在实际应用中需要经过专门的培训和实践。
电子能量损失谱基本原理及应用
• 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。
22
23
• 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。
11
HREELS
• 当低能电子束接近表面或离开表面对会跟晶体表面振动模发 生作用，产生能量损失； • 由分子的振动谱、振动实体的动力学性质以及振动谱的选择 定则等可以从被反射回来的电子得到固体表面结构的信息。
• 表面吸附分子的振动模还提供了被吸附分子和衬底之间的化 学键性质的信息。
• 最近对清洁表面和吸附表面的物理性质和化学现象的研究十 分活跃，它促进了对表面吸附物质的运动和几何结构的了解， 也促进了对催化和腐蚀过程的了解。
• 韧致辐射（连续X射线）。
• 最后两个激发过程只形成谱的背底
5
等离子体
• 在金属中，整个系统在宏观尺度上保持 着电中性，然而在微观尺度上往往存在 有电子密度的起伏。由于电子之间的库 仑相互作用是长程作用，电子密度的起 伏将会引起整个电子系统的集体运动， 称为等离子体。
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； • 主要四种类型：
26
27
• 图7—6是解理面Si(111)2×1吸附氧时的低能电子损失谱。 • 当氧的覆盖度θ＜0.2时，在离弹性峰56毫电子伏的地方由 于激发声子而出现损失峰，这和图7—3的结果是一致的。 但在90毫电子伏和125毫电子伏的地方出现另外两个损失 峰，这两个损失峰属于氧的振动模。 • 当θ＝0.6时，表面声子激发几乎消失，吸附氧的振动模移 到94meV和130meV，且在175meV的地方能看到一个小峰。
7 Electron Energy Loss Spectroscopy
产生低能损失谱的主要散射过程：
晶格振动引起的散射（声子激发 ）：ΔE < 0.1 eV 带间跃迁（单电子激发）：ΔE < 10 eV 价电子集体激发（等离子激发）：ΔE < 30 eV
§7.4.1 基本原理：低能损失谱—声子激发
由于声子激发的能量比较低，一般在0.5 eV以下，需要TEM的能量分 辨率足够好（优于 辨率 够好（ 于0.1 eV） ）。目前利用单色器可以获得 前利用单色器可 获得10meV的能量分辨率， 因而可以研究晶格振动的声子激发，可跟红外光谱和拉曼光谱做比较。
单次电 散射谱 单次电子散射谱
原始数据
处理后的数据
§7.3 实验数据处理：连续背底和多重散射扣除
实验数据背底扣除：
第一步：采用Power law方法扣除连续背底 方法扣除 续背底 （轫致辐射） 第二步：利用解卷积 第 步 利用解卷积 方法扣除样品厚度引起 的多重散射效应
§7.3 实验数据处理：连续背底扣除
§7.3 实验数据处理：多重散射扣除—Fourier Ratio
Core-loss
必须利用同一位置，在相同实验 条件下收集高能损失谱和包含零损失 峰的低能损失谱。
Core-loss
Low-loss
样品厚度对EELS谱的影响
样品越厚，信噪比(SNR)越差。样品厚度t应小于平均自由程λ，即t/ λ < 1
§7.1.1 能谱仪：后置型(Post-column)能量过滤器
Gatan imaging filter (GIF)
§7.1.2 能谱仪：内置型(Built-in)能量过滤器
Built-in Omega (Ω) 能量过滤器
能谱仪置于TEM的镜筒中间 视场较大，即记录的能量 过滤像的范围比较大 因而 过滤像的范围比较大，因而 适合于能量过滤电子衍射和 成像。 成像 能谱仪稳定性的变化会影 响电子衍射和图像质量。 响电子衍射和图像质量 也可以用于能谱分析，但 背底较大。 底
电子能量损失谱基本原理及应用
28
第二十八页，共32页
• 图是CO和NO吸附在Ni(111)时得到的 EELS谱，以及由此得出的CO和NO分 子在Ni(311)面上的具体吸附位置。
• 两个损失谱峰分别属于CO分子本身 碳原子—氧原子之间和CO分子—金
属表面之间的拉伸振动。
• 表明CO分子只能直立地蹲在两度对称 的桥式位置上（C2v对称)。而CO分子 虽然也蹲在桥位上，但它相对表面 取了一个倾斜方向。
• 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。
• 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。
22
等离子体
• 在金属中，整个系统在宏观尺度上保持着 电中性，然而在微观尺度上往往存在有电 子密度的起伏。由于电子之间的库仑相互 作用是长程作用，电子密度的起伏将会引 起整个电子系统的集体运动，称为等离子 体。
6
第六页，共32页
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；
• 主要四种类型： 1)单电子激发包括价电子激发和芯能
中产生极大值条件的公式(5—23)。 • 式(7－1)和(7－2)就是解释电子能量损失谱的基本公式。
16
第十六页，共32页
EELS 的信息
• 由单电子激发产生的电子能量损失谱中，价电子激发所产生 的能量损失谱线代表了固体的某些特性，在表面分析中，这 些资料有很大的用处。
• 芯能级电子激发所产生的损失谱线用处也很大。因为由芯能
• 表面吸附分子的振动模还提供了被吸附分子和衬底之间的化学键性质 的信息。
第二十八页，共32页
• 图是CO和NO吸附在Ni(111)时得到的 EELS谱，以及由此得出的CO和NO分 子在Ni(311)面上的具体吸附位置。
• 两个损失谱峰分别属于CO分子本身 碳原子—氧原子之间和CO分子—金
属表面之间的拉伸振动。
• 表明CO分子只能直立地蹲在两度对称 的桥式位置上（C2v对称)。而CO分子 虽然也蹲在桥位上，但它相对表面 取了一个倾斜方向。
• 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。
• 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。
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等离子体
• 在金属中，整个系统在宏观尺度上保持着 电中性，然而在微观尺度上往往存在有电 子密度的起伏。由于电子之间的库仑相互 作用是长程作用，电子密度的起伏将会引 起整个电子系统的集体运动，称为等离子 体。
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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；
• 主要四种类型： 1)单电子激发包括价电子激发和芯能
中产生极大值条件的公式(5—23)。 • 式(7－1)和(7－2)就是解释电子能量损失谱的基本公式。
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EELS 的信息
• 由单电子激发产生的电子能量损失谱中，价电子激发所产生 的能量损失谱线代表了固体的某些特性，在表面分析中，这 些资料有很大的用处。
• 芯能级电子激发所产生的损失谱线用处也很大。因为由芯能
• 表面吸附分子的振动模还提供了被吸附分子和衬底之间的化学键性质 的信息。
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。
能量损失谱
能量损失谱
能量损失谱（Energy Loss
Spectrum）是指在物理学中用来描述粒子在穿过物质时损失能量的分布情况。
当高能粒子（如电子、离子等）穿过物质时，会与物质中的原子或分子相互作用，从而导致能量的损失。
能量损失谱用于分析和研究粒子与物质相互作用的特性，可以揭示物质的结构和性质。
在实验室中，科学家们可以通过测量粒子的入射能量和出射能量，来获得能量损失谱的数据。
通过分析能量损失谱，可以研究粒子在物质中的散射、电离、激发等过程，以及物质的密度、成分和结构等信息。
能量损失谱在物理学、材料科学、核物理学等领域都有广泛的应用，对于理解粒子与物质相互作用的机制和性质具有重要意义。
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3
电子能量损失过程
• 激发晶格振动或吸附分子振动能的跃迁，属于声子激发 或吸收，损失能量在几十至几百meV范围；
• 体等离子体或表面等离子体（电子气）激发，或价带跃 迁，能量损失值在1~50eV左右；
• 芯能级电子的激发跃迁，能量在102～103eV量级； • 自由电子激发（二次电子），约50eV以下； • 韧致辐射（连续X射线）。 • 最后两个激发过程只形成谱的背底
• 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 ；
2
• •
•
2
3
1
•
• 1代表等离子体振荡；2代表价带电子跃迁； 3代表芯级电子激发
入射电子与试样相互作用的示意图
弹性散射过程； 电子气的激发过程； 体等离子体 表面等离子体 特征激发损失； 价电子激发 内层电子激发 非弹性损失； 多次损失，热损失等 声子激发 晶格，吸附分子等
清洁表面铀的EELS
6
芯能级激发EELS 的信息
• 谱线的“边缘”反映了芯能级电子激发的阈值能量，它对 元素鉴定有用处。
• 谱线“边缘”的位移反映出元素的化学状态， • 靠近谱线“边缘”的精细结构也反映出元素的化学状态和
表面原于排列状况。 • 在表面分析工作中，所使用的初级电子能量小于10KeV，
9
激发声子EELS信息
• 因激发声子和表面原子、分子振动而产生的电子能量损失 最小，大约为0-500meV，所以要求能量分析器具有10毫 电子伏的分辨能力，这时初级电子的能量一般都小于l0电 子伏。
• 为了有别于前面几种电子能量损失谱人们又叫它为低能电 子能量损失谱(LESLS)或高分辨电子能量损失谱(HREELS)。
• 这种低能电子所探测到的是近表面几个原子层的信息。
10
HREELS
• 当低能电子束接近表面或离开表面对会跟晶体表面振动模发 生作用，产生能量损失；
• 由分子的振动谱、振动实体的动力学性质以及振动谱的选择 定则等可以从被反射回来的电子得到固体表面结构的信息。
• 表面吸附分子的振动模还提供了被吸附分子和衬底之间的化 学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性质的信息。
12
EELS理论
• 对低能电子能量损失谱的解释工作是建立在非弹性散射 理论上。
• 如果入射电子从具有两维周期性晶格结构的表面散射回 来时经历了—个非弹性散射过程，它将损失部分能量， 这时根据能量守恒和动量守恒定律 ；
7-1 7-2
13
EELS理论
E0是入射电子能量。
Es是动量为hk‘的反射电子能量， hω是电子所损失的能量即电子传递给固体的能量
1
电子能量损失谱现象
• 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及电子震荡激发等，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。
• 电子在固体及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 ；
• 最近对清洁表面和吸附表面的物理性质和化学现象的研究十 分活跃，它促进了对表面吸附物质的运动和几何结构的了解， 也促进了对催化和腐蚀过程的了解。
11
EELS原理
• 当入射电子束照射试样表面时，将会发生入射电子的背向散射现象， 背向散射返回表面的电子由两部分组成，一部分没有发生能量损失， 称为弹性散射电子，另一部分有能量损失，称为非弹性散射电子。
衍射中产生极大值条件的公式(5—23)。 • 式(7－1)和(7－2)就是解释电子能量损失谱的基本公式。
15
EELS 的信息
• 由单电子激发产生的电子能量损失谱中，价电子激发所 产生的能量损失谱线代表了固体的某些特性，在表面分 析中，这些资料有很大的用处。
14
机理
• 跟低能电子衍射的情况一样，如果认为散射过程只发生 在表面，即电子只穿透一、二层原子，那么只要考虑平 行于表面的动量的守恒，从而导出公式(7—2)。
• 式中G／是表面单位网格倒格基矢。 • q/是入射电子和固体表面的动量转换。 • 在弹性散射情况下q/＝0，公式(7—2)就变成了低能电子
EELS历史
• 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。
• 在50年代就已经开始流行；
• 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；
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等离子体
• 在金属中，整个系统在宏观尺度上保持 着电中性，然而在微观尺度上往往存在 有电子密度的起伏。由于电子之间的库 仑相互作用是长程作用，电子密度的起 伏将会引起整个电子系统的集体运动， 称为等离子体。
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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；
• 主要四种类型： 1)单电子激发包括价电子激发 和芯能级电子激发。 2)等离子体激元激发。 3)声子激发。 4)表面原子、分子振动激发。
这时的芯能级电子激发的能量损失峰是很弱的，要比俄歇 信号小得多。
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芯能级产生的能量损失谱
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激发等离子元EELS信息
• 由于激发等离激元而产生的电子能量损失，对于 金属来说约15电于伏左右；
• 而激发表面等离激元所损失的电子能量约为10电 子伏。
• 这种激发表面等离激元所产生的能量损失谱线对 表面氧化物特别灵敏，是很有用处的。
• 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。
• 如果在试样上检测能量损失电子的数目按能量分布，就可获得一系列 谱峰，称为电子能量损失谱，利用这种特征能量电子损失谱进行分析， 称为电子能量损失谱分析技术。
电子能量损失过程
• 激发晶格振动或吸附分子振动能的跃迁，属于声子激发 或吸收，损失能量在几十至几百meV范围；
• 体等离子体或表面等离子体（电子气）激发，或价带跃 迁，能量损失值在1~50eV左右；
• 芯能级电子的激发跃迁，能量在102～103eV量级； • 自由电子激发（二次电子），约50eV以下； • 韧致辐射（连续X射线）。 • 最后两个激发过程只形成谱的背底
• 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 ；
2
• •
•
2
3
1
•
• 1代表等离子体振荡；2代表价带电子跃迁； 3代表芯级电子激发
入射电子与试样相互作用的示意图
弹性散射过程； 电子气的激发过程； 体等离子体 表面等离子体 特征激发损失； 价电子激发 内层电子激发 非弹性损失； 多次损失，热损失等 声子激发 晶格，吸附分子等
清洁表面铀的EELS
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芯能级激发EELS 的信息
• 谱线的“边缘”反映了芯能级电子激发的阈值能量，它对 元素鉴定有用处。
• 谱线“边缘”的位移反映出元素的化学状态， • 靠近谱线“边缘”的精细结构也反映出元素的化学状态和
表面原于排列状况。 • 在表面分析工作中，所使用的初级电子能量小于10KeV，
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激发声子EELS信息
• 因激发声子和表面原子、分子振动而产生的电子能量损失 最小，大约为0-500meV，所以要求能量分析器具有10毫 电子伏的分辨能力，这时初级电子的能量一般都小于l0电 子伏。
• 为了有别于前面几种电子能量损失谱人们又叫它为低能电 子能量损失谱(LESLS)或高分辨电子能量损失谱(HREELS)。
• 这种低能电子所探测到的是近表面几个原子层的信息。
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HREELS
• 当低能电子束接近表面或离开表面对会跟晶体表面振动模发 生作用，产生能量损失；
• 由分子的振动谱、振动实体的动力学性质以及振动谱的选择 定则等可以从被反射回来的电子得到固体表面结构的信息。
• 表面吸附分子的振动模还提供了被吸附分子和衬底之间的化 学ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性质的信息。
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EELS理论
• 对低能电子能量损失谱的解释工作是建立在非弹性散射 理论上。
• 如果入射电子从具有两维周期性晶格结构的表面散射回 来时经历了—个非弹性散射过程，它将损失部分能量， 这时根据能量守恒和动量守恒定律 ；
7-1 7-2
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EELS理论
E0是入射电子能量。
Es是动量为hk‘的反射电子能量， hω是电子所损失的能量即电子传递给固体的能量
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电子能量损失谱现象
• 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及电子震荡激发等，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。
• 电子在固体及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 ；
• 最近对清洁表面和吸附表面的物理性质和化学现象的研究十 分活跃，它促进了对表面吸附物质的运动和几何结构的了解， 也促进了对催化和腐蚀过程的了解。
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EELS原理
• 当入射电子束照射试样表面时，将会发生入射电子的背向散射现象， 背向散射返回表面的电子由两部分组成，一部分没有发生能量损失， 称为弹性散射电子，另一部分有能量损失，称为非弹性散射电子。
衍射中产生极大值条件的公式(5—23)。 • 式(7－1)和(7－2)就是解释电子能量损失谱的基本公式。
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EELS 的信息
• 由单电子激发产生的电子能量损失谱中，价电子激发所 产生的能量损失谱线代表了固体的某些特性，在表面分 析中，这些资料有很大的用处。
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机理
• 跟低能电子衍射的情况一样，如果认为散射过程只发生 在表面，即电子只穿透一、二层原子，那么只要考虑平 行于表面的动量的守恒，从而导出公式(7—2)。
• 式中G／是表面单位网格倒格基矢。 • q/是入射电子和固体表面的动量转换。 • 在弹性散射情况下q/＝0，公式(7—2)就变成了低能电子
EELS历史
• 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。
• 在50年代就已经开始流行；
• 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；
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等离子体
• 在金属中，整个系统在宏观尺度上保持 着电中性，然而在微观尺度上往往存在 有电子密度的起伏。由于电子之间的库 仑相互作用是长程作用，电子密度的起 伏将会引起整个电子系统的集体运动， 称为等离子体。
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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；
• 主要四种类型： 1)单电子激发包括价电子激发 和芯能级电子激发。 2)等离子体激元激发。 3)声子激发。 4)表面原子、分子振动激发。
这时的芯能级电子激发的能量损失峰是很弱的，要比俄歇 信号小得多。
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芯能级产生的能量损失谱
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激发等离子元EELS信息
• 由于激发等离激元而产生的电子能量损失，对于 金属来说约15电于伏左右；
• 而激发表面等离激元所损失的电子能量约为10电 子伏。
• 这种激发表面等离激元所产生的能量损失谱线对 表面氧化物特别灵敏，是很有用处的。
• 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。
• 如果在试样上检测能量损失电子的数目按能量分布，就可获得一系列 谱峰，称为电子能量损失谱，利用这种特征能量电子损失谱进行分析， 称为电子能量损失谱分析技术。