电子能量损失谱基本原理及应用共35页

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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
• 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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• •
•
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•
• 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。