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电子能损谱技术及其在材料科学领域中的应用随着科技的飞速发展，人类对材料的研究也越来越深入。
在材料科学领域中，电子能损谱技术被广泛应用。
本文将从电子能损谱技术的基本原理、仪器构成、应用领域等方面进行介绍。
一、电子能损谱技术的基本原理电子能损谱技术（Electron Energy Loss Spectroscopy，EELS）是通过观测物质中电子在经过介质时所发生的损失能量而进行的一种材料研究技术。
在EELS实验中，所使用的电子束能量从几十电子伏特到一千电子伏特左右。
当电子穿过物质时，会与物质中的原子、分子等相互作用。
在这个相互作用的过程中，电子的能量会因发生散射、波长的变化等损失。
测量电子的损失能量，可以了解物质的电子结构、化学成分、结构特性等。
二、EELS实验仪器的构成EELS实验主要由电子束发生器、能谱仪和信号处理器组成。
电子束发生器用于制备电子束，能谱仪则用于测量电子束在物质中的能量损失情况，而信号处理器则用于处理测量到的电子能损谱图（EEL谱图）。
在EELS实验中，电子束发生器一般采用透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）或扫描透射电子显微镜（Scanning Transmission Electron Microscopy，STEM）。
TEM 和STEM可以提供很高的空间分辨率，从而使得对材料进行微观结构分析时，可以看到更多的细节和特征。
能谱仪则是EELS实验的核心设备。
能谱仪在TEM或STEM 中设置，其主要作用是测量电子束在物质中的能量损失情况。
能谱仪分为两种类型：全能谱仪和分散能谱仪。
全能谱仪可以连续地记录所有能量损失；而分散能谱仪则可以分离出不同能量损失的电子，对其进行记录和分析。
信号处理器用于对EEL谱图进行处理，提取出所需要的信息。
信号处理器可使用的软件有多种，如Python和MATLAB等。
在处理过程中，本文使用MATLAB对EEL谱图进行处理和分析。
电子损失能谱入射电子与样品发生非弹性相互作用，电子损失一定能量，如果我们对出射电子按照损失的能量进行统计计数，就可以得到电子能量损失谱（Electron，Energy，Loss，Spectoscopy，，EELS）。
电子能量损失谱技术经过了六十多年的发展期。
价损失是在高能电子散射中的一个主要非弹性散射过程，它决定了大部分入射电子能量损失。
晶体材料的价带是许多电子态的集合，并且，这些状态决定了许多固体材料的物理性质。
价损失能谱对材料的固态结构是敏感的，并且它可用于区别两个相。
价损失具有非固定散射特性，甚至当电子相距试样几个纳米距离时会发生，因此，价损失能谱只能用于表征价带的集合固态激发特性，而非单个原子性质。
图1是价谱与价带中的电子态密度之间的对应关系，这里在零损失峰和第一峰之间的间隙对于绝缘体是导带与价带之间的间隔。
图1，(a)价电子向导带的跃迁；(b)观察到的EELS，谱与价带中电子态密度(DOS)的关系由于价电子态密度很高，所以连续介电函数ε(ω,q)通常用于表征价带中的电子特性，这取决于等离子体激元振荡的频率ω和扰动波矢量，q13，。
价带激发中的介电响应函数的引入，与将一个非弹性散射过程的量子力学描述转换为一个经典电动力学处理是等同的，并且这种方法在实践中显示了巨大成功。
介电函数表征了介质对由外部源产生的电场(如快速运动电子)的极化响应。
由于带间跃迁的激发和等离子体激元振荡，造成电子能量损。
电子能量损失谱的分析提供了关于固体激发模式的直接信息。
EELS谱中通常能反映出原子内层激发，由于这是一个原子束缚的电子被激发，使它从内壳层进入价带，并伴随着入射电子能量损失和动能转变的过程。
这是一种局部的非弹性散射过程，仅当入射电子在晶体中扩散时才发生，由于内层能级是原子的独特的特性，电离边的强度可有效地用于分析试样的化学性，同时，受约束电子电离的可能性强烈地依赖于价带的态密度，并且在近边能量观察到的精细结构反映了材料的固态结构，因此，EELS不仅能用于定量地确定试样的化学组分，特别是由于荧光性没有减弱信号强度的轻元素，而且也可用于探测试样的电子结构。
复习 原子中的电子的四个量子数：壳层 K L 角量子数l 0 0 1 M 0 1 2 N 0 1 2 3 自旋量子数j 电子数 2 8 电子在亚层中的分布 1s2 2s22p22p4½ ½ ½3/2½ ½3/2 3/2 5/2183s23p23p42s23d43d6½ ½3/2 3/2 5/2 5/2 7/2324s24p24p44s24d44d64f64f8M5 M4 M3 M2 (n-3)M1Lα1Kβ1L3 (2p 3/2) L2 (2p1/2) L1 (2s) (n-2)Kα2Kα1K (n=1, 1s轨道)分析电子显微镜 设备: 超高真空扫描透射电镜(STEM) 分析型透射电子显微镜(电子束可会聚的很小的,通常配有 扫描附件, EDX, EELS) 主要分析方法: 结构---微衍射和会聚束衍射 成分---X射线能谱和电子能量损失谱X射线能谱的缺点 1 探测效率低 X光的荧光产额低,特别是轻元素(Z<11),远小于2% Backscattered electrons 接收角小,只有1%的信号能收到 2 能量分辨率低 轻元素的谱线重叠比较严重 电子能量损失谱的优点 1 接收效率高, 非弹性散射电子集中在顶角很小的圆锥内 2 能量分辨率高~1 eV 可进行定性定量分析,精细结构可以提供化学键态信息 适合做mapping 3 在探测轻元素上有优势 电子能量损失谱的缺点Secondary electronsProbe electronsAuger electronsX rays (EDXS)SpecimenElastic scattering (Diffraction)Inelastic scattering(EELS)厚样品多重散射的问题比较严重,背底相对较高,信号的定域性较差电子能量损失谱的提供的信息: Z>1的所有元素成分 元素比例 样品厚度 高级: 化学键 带结构 价带和导带电子密度 极化Atomic view of sampleProbe electron (Energy = E0 )∆E-|EB|E0-∆EEB = Binding energy of electron in sampleHitachiHD 2000STEM电子能量损失谱（EELS）一 电子和材料的相互作用： 弹性散射： 非弹性散射： 内壳层——俄歇电子或电磁辐射 外壳层——二次电子、电磁辐射可见光、 永久性破坏（离子化）、等离子（plasma） 二 EELS谱图 按动能分类电子 A 1）零损峰（弹性峰）：能量无损失或损失能量在分辨率以下，对称的高斯分布 2）5－50eV：低能损失区或者等离子峰，为一个或几个峰（厚样品），为激发等离 子震荡和激发晶体内电子的带间跃迁的透射电子（等离子震荡频率正比于价电子密度） P(1)/P(0)=t/Lp (P(1)：第一个等离子峰强度；P(0)：零损峰强度；t：样品厚度； Lp：等离子峰震荡的平均自由路程） 用途：可测样品厚度、元素浓度变化、介电常数等 3）50eV－ ：在指数下降的背底上内壳层激发的电离损失峰（edge），激发原子内壳 层电子的透射电子 背底——无信息, 定量分析时要扣除 电离损失峰——辨别元素 电离损失峰阈值 B 近阈电离精细结构ELNES（在电离损失峰约50 eV内） 反映能带结构，与晶体学状态有关Low-loss (Valence electrons) Zero-loss Oxygen edgeHigh-loss (Core electrons) Nickel edgeDielectric function Thickness BondingELNES BondingEXELFS Coordination Interat. dist.Elemental compositionIntensityx1000Plasmon01005006007008009001000Energy-loss [eV]c 广延精细结构EXELFS（高于在电离损失峰50-300 eV的精细结构） ——周期长，振幅弱，是被入射电子电离出来的出射电子波函数与被近邻原子背散射回来的电子波函数之间的相干效应；可给出该元素的配位原子数及配位距离等近邻原子配位 的信息，研究非晶态和短程有序三 谱仪结构和数据处理 1 基本组成： 电子源、谱仪（Gatan磁棱镜, omega）、数据显示和处理系统 内置式和后置式 1）聚焦谱仪 谱仪物平面经常放在投影镜的后焦平面 parallel收集系统：需要调整谱仪使零损峰宽度最小，高度最大； serial收集系统：散射面上有狭缝，需要调整狭缝2）校正谱仪：现带电镜漂移不严重，但操作中应注意检查 2 获得EELS谱 serial收集系统： 闪烁体可能被零损峰破坏 0.1eV/channel—10eV/channel parallel收集系统: 效率高比较： SEELS：一次收集一通道，操作简单 PEELS：一次收集所有谱，二极管难优化 PEELS：有假相，包含复杂的电子光学，但比SEELS的效率高 3 能量分辨率、空间分辨率： EDX： Z<11，X射线的产生小于2％ X射线的发射为各向同性，EDX探头只收到大概1％ 背底主要来自韧致辐射 EELS：透过的电子几种在有限的角度范围，谱仪的收集效率20%-50% 非弹性散射引起的背底较高 特征峰为边而不是峰，不如EDX峰明显 与EDX相比，可以探测较低密度的低原子数元素 有较高的空间分辨率 能量损失信号不受荧光和二次电子的产生的影响I EELS空间分辨率高——只受电子束尺寸限制 场发射源、1nm探针、1nA电流，到1－2个原子 I I 能量分辨率 1）目前最小可探测量 一般电子源 10-18—10-12克 W丝：～100keV，2.5eV LaB6：～100keV，>1eV 场发射源 10-21克 冷场，0.35-0.5 eV 最小可探测百分数 0.3%-5% 可以用灯丝欠饱和方法提高分辨率： LaB6：～100keV，1eV 2）能量分辨率随能损的增加而增加（<1.5倍） 入射电子能量增加，分辨率降低 Zero-Loss Peak 3）受操作者影响大： HD-2000 如：slit宽度的调整（SEELS)、 200keV / 150pA 光阑的大小（PEELS）0.37eV @FWHM Field emission distribution4 成像和衍射模式 1）收集角：应知道EELS谱的收集角，不同角下得到的结果不宜比较 2）使用光阑选择样品区域 5 能量过滤： Gatan Imaging Filter四 EELS分析θE ≈E （m0 电子静质量，v 电子速度） 2 (γ m0ν )2 − 1 2⎛ ν ⎞ γ = ⎜1 − 2 ⎟ ⎝ c ⎠1 零损峰：一般不收集 2 低能损峰： 1）等离子自由电子等离子模型——h h ⎛ ne 2 ⎞ ωp = Ep = ⎜ ⎟ （ε0自由空间的介电常数，n自由电子密度） 2π 2π ⎝ ε 0 m ⎠特点：散射角较小，收集角在10mrad足够；自由程在100nm左右； 厚度测量 t=λIp/I0 (Ip为第一个等离子峰的强度）1 22）键内和键间过渡单电子相互作用3 高能损峰1）内壳层离子化：特点：与等离子比，散射截面小，平均自由程大；因此边的强度低。
co元素eels能量范围1. 引言EELS（电子能量损失谱）是一种常用的电子能谱技术，用于研究材料的电子能级结构和电子激发态。
本文将重点讨论EELS在研究钴（Co）元素中的能量范围应用。
2. EELS概述EELS是一种通过测量电子在物质中的能量损失来获得信息的技术。
在EELS实验中，电子束通过样品，与样品中的原子和分子发生相互作用。
这些相互作用导致电子束中的电子发生能量损失，该能量损失可以用来研究样品的电子结构和激发态。
3. co元素的电子结构钴是周期表中的一个过渡金属元素，原子序数为27。
它的电子结构为1s² 2s² 2p⁶3s² 3p⁶ 3d⁷ 4s²。
这意味着钴原子具有27个电子，其中7个电子位于3d轨道上。
4. co元素的EELS能量范围EELS实验中，能量损失谱可以分为两个主要部分：低能量损失（LES）和高能量损失（HES）。
4.1 低能量损失（LES）低能量损失范围通常定义为0-50电子伏特（eV）之间。
在这个能量范围内，EELS可以提供有关材料的电子结构、化学成分和化学键的信息。
对于钴元素，LES可以用来研究钴的3d电子态和4s电子态。
4.2 高能量损失（HES）高能量损失范围通常定义为50-2000电子伏特（eV）之间。
在这个能量范围内，EELS可以提供有关材料的元素配位、晶体结构和电子激发态的信息。
对于钴元素，HES可以用来研究钴的电子激发态和电子结构的细节。
5. co元素EELS应用5.1 钴化合物的电子结构研究钴化合物是一类重要的功能材料，广泛应用于电池、催化剂和磁性材料等领域。
EELS可以用于研究钴化合物中的钴原子的电子结构和化学键。
通过测量LES和HES，可以获取钴化合物的价态、配位环境和电子激发态等信息，从而揭示其性质和应用潜力。
5.2 钴催化剂的表征钴催化剂在多种化学反应中具有重要的应用，如氧还原反应和氢气生成反应。
EELS 可以用来表征钴催化剂的电子结构和表面化学反应。
复习 原子中的电子的四个量子数：壳层 K L 角量子数l 0 0 1 M 0 1 2 N 0 1 2 3 自旋量子数j 电子数 2 8 电子在亚层中的分布 1s2 2s22p22p4½ ½ ½3/2½ ½3/2 3/2 5/2183s23p23p42s23d43d6½ ½3/2 3/2 5/2 5/2 7/2324s24p24p44s24d44d64f64f8M5 M4 M3 M2 (n-3)M1Lα1Kβ1L3 (2p 3/2) L2 (2p1/2) L1 (2s) (n-2)Kα2Kα1K (n=1, 1s轨道)分析电子显微镜 设备: 超高真空扫描透射电镜(STEM) 分析型透射电子显微镜(电子束可会聚的很小的,通常配有 扫描附件, EDX, EELS) 主要分析方法: 结构---微衍射和会聚束衍射 成分---X射线能谱和电子能量损失谱X射线能谱的缺点 1 探测效率低 X光的荧光产额低,特别是轻元素(Z<11),远小于2% Backscattered electrons 接收角小,只有1%的信号能收到 2 能量分辨率低 轻元素的谱线重叠比较严重 电子能量损失谱的优点 1 接收效率高, 非弹性散射电子集中在顶角很小的圆锥内 2 能量分辨率高~1 eV 可进行定性定量分析,精细结构可以提供化学键态信息 适合做mapping 3 在探测轻元素上有优势 电子能量损失谱的缺点Secondary electronsProbe electronsAuger electronsX rays (EDXS)SpecimenElastic scattering (Diffraction)Inelastic scattering(EELS)厚样品多重散射的问题比较严重,背底相对较高,信号的定域性较差电子能量损失谱的提供的信息: Z>1的所有元素成分 元素比例 样品厚度 高级: 化学键 带结构 价带和导带电子密度 极化Atomic view of sampleProbe electron (Energy = E0 )∆E-|EB|E0-∆EEB = Binding energy of electron in sampleHitachiHD 2000STEM电子能量损失谱（EELS）一 电子和材料的相互作用： 弹性散射： 非弹性散射： 内壳层——俄歇电子或电磁辐射 外壳层——二次电子、电磁辐射可见光、 永久性破坏（离子化）、等离子（plasma） 二 EELS谱图 按动能分类电子 A 1）零损峰（弹性峰）：能量无损失或损失能量在分辨率以下，对称的高斯分布 2）5－50eV：低能损失区或者等离子峰，为一个或几个峰（厚样品），为激发等离 子震荡和激发晶体内电子的带间跃迁的透射电子（等离子震荡频率正比于价电子密度） P(1)/P(0)=t/Lp (P(1)：第一个等离子峰强度；P(0)：零损峰强度；t：样品厚度； Lp：等离子峰震荡的平均自由路程） 用途：可测样品厚度、元素浓度变化、介电常数等 3）50eV－ ：在指数下降的背底上内壳层激发的电离损失峰（edge），激发原子内壳 层电子的透射电子 背底——无信息, 定量分析时要扣除 电离损失峰——辨别元素 电离损失峰阈值 B 近阈电离精细结构ELNES（在电离损失峰约50 eV内） 反映能带结构，与晶体学状态有关Low-loss (Valence electrons) Zero-loss Oxygen edgeHigh-loss (Core electrons) Nickel edgeDielectric function Thickness BondingELNES BondingEXELFS Coordination Interat. dist.Elemental compositionIntensityx1000Plasmon01005006007008009001000Energy-loss [eV]c 广延精细结构EXELFS（高于在电离损失峰50-300 eV的精细结构） ——周期长，振幅弱，是被入射电子电离出来的出射电子波函数与被近邻原子背散射回来的电子波函数之间的相干效应；可给出该元素的配位原子数及配位距离等近邻原子配位 的信息，研究非晶态和短程有序三 谱仪结构和数据处理 1 基本组成： 电子源、谱仪（Gatan磁棱镜, omega）、数据显示和处理系统 内置式和后置式 1）聚焦谱仪 谱仪物平面经常放在投影镜的后焦平面 parallel收集系统：需要调整谱仪使零损峰宽度最小，高度最大； serial收集系统：散射面上有狭缝，需要调整狭缝2）校正谱仪：现带电镜漂移不严重，但操作中应注意检查 2 获得EELS谱 serial收集系统： 闪烁体可能被零损峰破坏 0.1eV/channel—10eV/channel parallel收集系统: 效率高比较： SEELS：一次收集一通道，操作简单 PEELS：一次收集所有谱，二极管难优化 PEELS：有假相，包含复杂的电子光学，但比SEELS的效率高 3 能量分辨率、空间分辨率： EDX： Z<11，X射线的产生小于2％ X射线的发射为各向同性，EDX探头只收到大概1％ 背底主要来自韧致辐射 EELS：透过的电子几种在有限的角度范围，谱仪的收集效率20%-50% 非弹性散射引起的背底较高 特征峰为边而不是峰，不如EDX峰明显 与EDX相比，可以探测较低密度的低原子数元素 有较高的空间分辨率 能量损失信号不受荧光和二次电子的产生的影响I EELS空间分辨率高——只受电子束尺寸限制 场发射源、1nm探针、1nA电流，到1－2个原子 I I 能量分辨率 1）目前最小可探测量 一般电子源 10-18—10-12克 W丝：～100keV，2.5eV LaB6：～100keV，>1eV 场发射源 10-21克 冷场，0.35-0.5 eV 最小可探测百分数 0.3%-5% 可以用灯丝欠饱和方法提高分辨率： LaB6：～100keV，1eV 2）能量分辨率随能损的增加而增加（<1.5倍） 入射电子能量增加，分辨率降低 Zero-Loss Peak 3）受操作者影响大： HD-2000 如：slit宽度的调整（SEELS)、 200keV / 150pA 光阑的大小（PEELS）0.37eV @FWHM Field emission distribution4 成像和衍射模式 1）收集角：应知道EELS谱的收集角，不同角下得到的结果不宜比较 2）使用光阑选择样品区域 5 能量过滤： Gatan Imaging Filter四 EELS分析θE ≈E （m0 电子静质量，v 电子速度） 2 (γ m0ν )2 − 1 2⎛ ν ⎞ γ = ⎜1 − 2 ⎟ ⎝ c ⎠1 零损峰：一般不收集 2 低能损峰： 1）等离子自由电子等离子模型——h h ⎛ ne 2 ⎞ ωp = Ep = ⎜ ⎟ （ε0自由空间的介电常数，n自由电子密度） 2π 2π ⎝ ε 0 m ⎠特点：散射角较小，收集角在10mrad足够；自由程在100nm左右； 厚度测量 t=λIp/I0 (Ip为第一个等离子峰的强度）1 22）键内和键间过渡单电子相互作用3 高能损峰1）内壳层离子化：特点：与等离子比，散射截面小，平均自由程大；因此边的强度低。
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。
