电子能量损失谱仪EELS在材料科学中的应用

电子能量损失谱仪在材料科学中的应用段晓峰中国科学院电子显微镜重点实验室中国科学院物理研究所凝聚态物理中心电子与样品的相互作用电子与样品的相互作用电子的非弹性散射电子与样品的相互作用:原子散射截面dEdEd),(2Inelasticscattering透射电镜和电子能量损失谱仪Projectcrossover扫描透射电镜和电子能量损失谱仪调整EELS位置的3种途径1磁棱镜energyshift2高压mapping3DrifttubeEELS像模式光路图衍射模式光路图EELS的聚焦和AC杂散磁场补偿聚焦和补偿：0峰变高变窄和稳定•CCD的尺寸：1Kx1K2Kx2K•动态范围：14比特：0~1638316比特：0~65535•冷却1小时以上•避免使用强电子束照射:零损失峰，透射斑CCD结构示意图EELS包含的信息等离子激发•Themainexci-tationallowedforcoreelec-tronsobeysthedipoleselectionrule:K-edgeabsorptionL1-edgeabsorptionL2,3-edgeabsorption1s2s3s2p3p3dM1-edgeabsorptionM2,3-edgeabsorptionS-likeP-likeD-likeEf1l1,0lm内壳层电子的激发和跃迁内层电子激发和能带结构内壳层电子的激发符号规定内壳层电子的激发和周期表电子能量损失谱和X射线能谱EELS的优点：灵敏度高，分辨率高会聚角和接收角的测量02EEEEEkq0EELS的特征角EELS的特征角E接收角=(2-4)E不能E样品厚度对EELS的影响样品厚度对EELS的影响:多次散射样品厚度的影响:非弹性散射平均自由程样品厚度的影响:等离子损失谱样品厚度的影响:电离损失峰样品厚度的影响:最佳厚度退卷积退卷积:Fourierratio方法消除谱仪的影响退卷积:Fourierlog方法退卷积：Fourierratio方法EELS的背底扣除：指数定律rBAEI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]1Im[)(1),(222002EainnvmadEdEd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：]1Im[被称为损失函数，为介质的介电常数在介电理论中，)()()(iri低能损失谱的应用:损失函数),(1E根据Kramers-Kronig关系:22)]),(1[Im()]),(1[Re()),(1Im()),(1Re(),(),(),(EEEiEEiEEir求出相应的实部)),(1Re(E从电子能量损失谱可以得到的虚部，得到材料的复介电常数Kramers-Kronig分析220''')'(1Im21)(1ReEEdEEEE低能量损失的应用：介电常数电离损失峰分析：峰位的确定拐点二阶微分：确定电离损失峰峰位拐点拐点二阶微分：微量元素分析成分定量分析1退卷积2扣背底3散射截面计算近边精细结构近边精细结构:碳和碳化物近边精细结构:过渡族金属氧化物100200300400500600-200002000400060008000100001200014000NWBB2O3PureBCounts(a.u.)energyloss(eV)近边精细结构:硼化物近边精细结构：化学位移(离子键）近边精细结构：化学位移(共价键）近边精细结构(5)近边精细结构:分子轨道近边精细结构: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L23600650700750800Mn-L2Mn-L3PhotodiodeCounts(a.u.)Energyloss(eV)1234234MnCO3MnOMn3O4Mn2O3MnO2IntensityratioL3/L2ValencestateofMnDipolerule:L3:2p3/2to3d3/2,3d5/2;L2:2p1/2to3d3/2近边精细结构:确定锰元素的价态近边精细结构:过渡族金属的L3/L2EXELFS模型EXELFS分析°°取向效应:散射几何取向效应:石墨的ELNES取向效应:石墨的EXELFS•Substitutional/interstitutionalimpurityidentification•Atomrowselectivity取向效应：ALCHEMI(改变s)S0S0Fig.1111-20projectionofthewurtziteGaNstructuremodel.Thedirectionofthecation(Ga)totheanion(N)isdefinedas[0001]intherealspace.[0001]GaN取向效应:ALCHEMI(改变g)氮化镓的极性Fig.13Thecalculatedthickness-averagedelectroncurrentdensityacrossaunitcellat(0002)(a),and(000-2)(b)Braggconditionsfortheimpactparameterb=0.0nm(withoutdelocalization),0.073nm,and0.087nm.Thesamplethicknessis0.40002.0.00.40.81.21.62.00.00.40.81.21.62.0(a)g=0002b=0.0b=0.073b=0.087TAECD(b)NNGaGaGag=000-2GaNGaNGab=0.0b=0.073b=0.087TAECDAtomicLocation取向效应:氮化镓的极性Fig.12ComparisonoftheEELspectraacquiredat(0002)and(000-2)Braggconditions.TheinsetisthemagnifiedNK-edge.40060080010001200140001000002000003000004000005000006000003504004505005500100000200000300000400000500000Ga-LN-KCounts(a.u.)EnergyLoss(eV)(0002)(000-2)EnergyLoss(eV)(0002)(000-2)取向效应:氮化镓的极性Fig.16Thedifferenceofthecalculatedaveraged-thicknesselectroncurrentdensityvs.thesamplethickness.Thethicknessisexpressedinunitsofthetwo-beamextinctiondistance0002.Thedifferenceofthecalculatedaveraged-thicknesselectroncurrentdensitydoesnotchangesignwhenthethicknesschanges.0.00.51.01.52.00.00.20.40.60.81.01.21.41.61.8b=0.0b=0.073b=0.087TAECDDifferenceThickness取向效应:氮化镓的极性GaAsEELSSpectrometerAnnularDetector1.4ÅAsGaObjectiveLensFormsa1.3ÅProbeIZ2Z=31Z=3319882019InventedbyCrewein1960’sIncoherentimagingwithelectronsAtomicresolutionspectroscopyNowstandardonallcommercialTEMsZ-ContrastScanningTransmissionElectronMicroscopySpatiallyresolvedEELS(1)电子的非弹性散射能量损失谱中的主要信息•低能损失区0~50eV1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•高能损失区50~2000eV1元素成分（Li~U）2化学价态和态密度，近邻结构3径向分布函数（配位数和配位距离）•电子能量过滤成像1完全弹性散射电子像2元素成分分布图3其他特征能量电子过滤成像总结谢谢！