电子能量损失谱基本原理及应用.docx
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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及应用
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的特点及作用
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。
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。
通常内层电子交叠很小，相应地能级分裂变很小，可近似不受干扰；固体与孤立原子的差异（如光谱性质，电学性质等）主要是由外层电子状态的变化所引起：
图1.1
因此，孤立原子外层电子状态的电子跃迁所产生的光谱表现为分立谱线；固体中涉及外层电子状态的跃迁我光谱表现为连续谱
图1.2
能带：
导带、禁带、满带（价带）
导带：
导带对应反键态，导带中电子可以自由移动而导电。
满带被电子填满，电子被激发至导带后即为价带，价带对应反键态。
电子只能跃迁到未被占据的能带
禁带：
价带顶到导带底的范围即为禁带，禁带中不允许存在电子
对于碱金属，它们的价带被完全填充，导带部分填充。
1.3.2轨道杂化
碱金属（如钠，钾）最外层s能级形成的能带可容纳2N个电子，但实际只剩N个电子，故能带半满，可导电;
碱土金属（如金属钙，镁等）最外层s能级正好被2个电子占满，但实际形成能带时与较高能带发生了交叠;金刚石结构中，金刚石绝缘，Ge,Si半导体；本来外层s能级2个和p能级2个，形成能带后应该可导电；但随着原子之间距离的缩小，两能带发生交叠，而继续缩小至平衡态时，能带再次发生分裂（轨道杂化）；下面的能带正好被电子填满，上面能带为空带；中间有一禁带宽度Eg；金刚石Eg很大表现为绝缘，另两个Eg较小，表现为半导体。
第二章EELS原理及应用
2.1电子散射中的几个过程
图2.1
1.弹性散射过程：
入射电子和晶格及样品中的电子发生弹性碰撞，该过程中背散射电子没有产生能量损失。
2.电子气的激发过程（等离子体激发能量损失）
体等离子体：
样品内部的价电子被集体激发，产生的能量损失。
表面等离子体：
样品表面的价电子被集体激发，产生的能量损失。
3.特征激发损失；
价电子激发：
入射电子与单个价电子碰撞，使单个价电子被激发
内层电子激发：
入射电子与内层电子碰撞，使内层电子被激发
4．声子激发：
入射电子与晶格或吸附分子相互作用，激发晶格振动
晶格，吸附分子等
2.2零损失峰
图2.2
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（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
2.3低能损失区
价电子的单电子激发损失峰：
价电子可以激发到同一能带的未填充的高能级（能带内部跃迁），或激发到另一能带（能带间跃迁），如果表面有吸附质，在表面出现附加电子态，跃迁可能发生在这些电子态之间。
激发这些跃迁的初级电子能量在3~20ev。
等离子体基元损失峰：
价电子集体被激发，初级电子能量损失在5到30ev。
作用机理：
电子与晶格中的正离子实作用而产生集体震荡，类似于机械振动，如果电子相对于集体正离子实集体移动
由于库仑力作用，有一比例与
的恢复力，其运动方程的解可以以一谐振荡来表示，震荡频率为
n为电子密度
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）
n:
自由电子气的局域态密度
可利用上式测定样品的浓度
可利用
测量样品的厚度
λ：
此能量范围的非弹性散射平均自由程≈100nmt
:
零峰强度，
：
等离子损失峰强度
2.4高能损失范围的谱图E>50eV
背底（background，靠近50ev的区域）来源于：
自由电子激发（二次电子）：
价电子被激发，能量损失约50eV；
韧致辐射：
内层电子被激发，发射出连续的X射线
电离损失峰（absorptionedge）E=Ec
芯能级电子被激发至高于费米能级
的空能级导致的能量损失，某一
的芯能级被激发的最小能量损失为
电离损失峰化学位移（Chemicalshift）：
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edgeEc的位移。
可用于分析元素价态
图2.3
如图2.3，
中Ti元素的价态要高于
中Ti元素的价态，所以
中Ti元素电离损失的能量要高于
中Ti元素电离损失的能量
近阈精细结构（ELNES）E=EctoEc+50eV
反映样品的能态结构。
通过近域精细结构产生的能量损失可以区分不同种类的碳材料。
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*键的损失峰的不同可以区分不同种类的碳材料。
如图2.4,金刚石近域精细结构产生的能量损失是289ev，而石墨近域精细结构产生的能量损失是285ev。
图2.4
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
振动能量损失
表面振动激发产生的能量损失在100Mev范围内，只有高分辨的仪器才能观测到
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