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电子能谱学第12讲电子能量损失谱(EELS)
朱永法
清华大学化学系

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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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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;
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;
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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
1
2
3
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
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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
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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。
清洁表面铀的EELS
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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。因为由芯能级电子的激发而出现的电子能量损失谱线有点类似x射线吸收谱线;
对于价电子激发来说能量损失约为0-50eV,而芯能级电子激发一般要大于20eV,这时仪器的能量分辨率只要1eV就够了。
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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,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