Elektron energitap spektroskopi - Electron energy loss spectroscopy

"EELS" viderekobler her. For annen bruk, se Ål (tvetydighet) .
Eksperimentelt elektronenergitapsspektrum, som viser hovedtrekkene: nulltapstopp, plasmontopper og kjernetapskant.

I elektronenergitapspektroskopi ( EELS ) utsettes et materiale for en stråle av elektroner med et kjent, smalt område av kinetiske energier . Noen av elektronene vil gjennomgå uelastisk spredning, noe som betyr at de mister energi og får banene litt og tilfeldig avbøyd. Mengden energitap kan måles via et elektronspektrometer og tolkes i forhold til hva som forårsaket energitapet. Uelastiske interaksjoner inkluderer fononeksitasjoner , inter- og intra-båndoverganger, plasmon- eksitasjoner, indre skallioniseringer og Cherenkov-stråling . De indre skallioniseringene er spesielt nyttige for å detektere elementets komponenter i et materiale. For eksempel kan man oppdage at et større antall elektroner enn forventet kommer gjennom materialet med 285  eV mindre energi enn de hadde da de kom inn i materialet. Dette er omtrent mengden energi som trengs for å fjerne et indre skallelektron fra et karbonatom, som kan tas som bevis på at det er en betydelig mengde karbon tilstede i prøven. Med litt forsiktighet, og ser på et bredt spekter av energitap, kan man bestemme hvilke typer atomer, og antall atomer av hver type, som blir truffet av strålen. Spredningsvinkelen (det vil si mengden som elektronens bane avbøyes) kan også måles, og gir informasjon om spredningsforholdet til hvilken som helst materiell eksitasjon som forårsaket den uelastiske spredningen.

Historie

Teknikken ble utviklet av James Hillier og RF Baker på midten av 1940-tallet, men ble ikke brukt mye de neste 50 årene, og ble bare mer utbredt i forskning på 1990-tallet på grunn av fremskritt innen mikroskopinstrumentering og vakuumteknologi. Med moderne instrumentering blitt allment tilgjengelig i laboratorier over hele verden, har den tekniske og vitenskapelige utviklingen fra midten av 1990-tallet gått raskt. Teknikken er i stand til å dra nytte av moderne aberrasjonskorrigerte sondedannende systemer for å oppnå romlige oppløsninger ned til ~ 0,1 nm, mens med en monokromert elektronkilde og / eller forsiktig dekonvolusjon kan energioppløsningen være 0,1 eV eller bedre. Dette har muliggjort detaljerte målinger av de atomare og elektroniske egenskapene til enkeltkolonner med atomer, og i noen få tilfeller av enkeltatomer.

Sammenligning med EDX

EELS blir snakket om som komplementær til energidispersiv røntgenspektroskopi (også kalt EDX, EDS, XEDS, etc.), som er en annen vanlig spektroskopiteknikk tilgjengelig på mange elektronmikroskop. EDX utmerker seg ved å identifisere atomsammensetningen til et materiale, er ganske enkel å bruke, og er spesielt følsom for tyngre elementer. EELS har historisk vært en vanskeligere teknikk, men er i prinsippet i stand til å måle atomsammensetning, kjemisk binding, valens og ledningsbånds elektroniske egenskaper, overflateegenskaper og elementspesifikke paravstandsfordelingsfunksjoner. EELS har en tendens til å fungere best ved relativt lave atomnumre, der eksitasjonskantene har en tendens til å være skarpe, veldefinerte og ved eksperimentelt tilgjengelige energitap (signalet er veldig svakt utover omtrent 3 keV energitap). EELS er kanskje best utviklet for elementene som spenner fra karbon gjennom 3d overgangsmetaller (fra skandium til sink ). For karbon kan en erfaren spektroskopist raskt fortelle forskjellene mellom diamant, grafitt, amorf karbon og "mineral" karbon (slik som karbon som vises i karbonater). Spektrene til 3d overgangsmetaller kan analyseres for å identifisere oksidasjonstilstandene til atomene. Cu (I) har for eksempel et annet såkalt "white-line" intensitetsforhold enn Cu (II). Denne evnen til å "fingeravtrykk" forskjellige former av det samme elementet er en sterk fordel med EELS fremfor EDX. Forskjellen skyldes hovedsakelig forskjellen i energioppløsning mellom de to teknikkene (~ 1 eV eller bedre for EELS, kanskje noen titalls eV for EDX).

Varianter

Eksempel på indre skallioniseringskant (kjernetap) EELS-data fra La 0,7 Sr 0,3 MnO 3 , anskaffet på et skannende overføringselektronmikroskop .

Det er flere grunnleggende smaker av EELS, primært klassifisert av geometrien og av den kinetiske energien til de innfallende elektronene (vanligvis målt i kiloelektronvolter, eller keV). Sannsynligvis den vanligste i dag er transmisjon EELS, der de kinetiske energiene vanligvis er 100 til 300 keV og de innfallende elektronene passerer helt gjennom materialprøven. Vanligvis skjer dette i et overføringselektronmikroskop (TEM), selv om det finnes noen dedikerte systemer som muliggjør ekstrem oppløsning når det gjelder energi og momentumoverføring på bekostning av romlig oppløsning.

Andre smaker inkluderer refleksjon EELS (inkludert refleksjon høyenergi elektron energitap spektroskopi (RHEELS)), vanligvis ved 10 til 30 keV, og avsidesliggende EELS (noen ganger kalt nærfelt EELS), der elektronstrålen faktisk ikke treffer prøven, men samhandler i stedet med den via langvarig Coulomb-interaksjon. Aloof EELS er spesielt følsom for overflateegenskaper, men er begrenset til svært små energitap, slik som de som er forbundet med overflateplasmoner eller direkte interbåndoverganger.

Innen overføring EELS er teknikken videre delt inn i valens EELS (som måler plasmoner og interbåndoverganger) og indre skall ionisering EELS (som gir mye den samme informasjonen som røntgenabsorpsjonsspektroskopi , men fra mye mindre volum av materiale). Skillelinjen mellom de to, mens den er noe dårlig definert, ligger i nærheten av 50 eV energitap.

Instrumentell utvikling har åpnet den ultra-lave energitapdelen av EELS-spekteret , noe som muliggjør vibrasjonsspektroskopi i TEM. Både IR-aktive og ikke-IR-aktive vibrasjonsmodi er til stede i EELS.

EEL-spektrum

Elektronenergitapsspekteret (EEL) kan grovt deles i to forskjellige regioner: lavt tapsspektrum (opp til ca. 50eV i energitap) og høytapsspekteret. Spekteret med lavt tap inneholder null-tap-topp så vel som plasmontoppene, og inneholder informasjon om båndstrukturen og dielektriske egenskaper til prøven. Spekteret med høyt tap inneholder ioniseringskantene som oppstår på grunn av indre skallioniseringer i prøven. Disse er karakteristiske for artene som er tilstede i prøven, og kan som sådan brukes til å oppnå nøyaktig informasjon om kjemien til en prøve.

Tykkelsesmålinger

EELS tillater rask og pålitelig måling av lokal tykkelse i overføringselektronmikroskopi . Den mest effektive prosedyren er følgende:

  • Mål energitapsspektret i energiområdet omtrent -5..200 eV (bredere bedre). Slik måling er rask (millisekunder) og kan dermed brukes på materialer som normalt er ustabile under elektronstråler.
  • Analyser spekteret: (i) trekke ut null-tap-topp (ZLP) ved hjelp av standardrutiner; (ii) beregne integraler under ZLP ( I 0 ) og under hele spekteret ( I ).
  • Tykkelsen t beregnes som mfp * ln (I / I 0 ) . Her er mfp den gjennomsnittlige frie banen for elektronelastisk spredning, som er blitt tabellert for de fleste elementære faste stoffer og oksider.

Den romlige oppløsningen av denne prosedyren er begrenset av plasmon-lokaliseringen og er omtrent 1 nm, noe som betyr at romtykkelseskart kan måles ved skanning av overføringselektronmikroskopi med ~ 1 nm oppløsning.

Trykkmålinger

Intensiteten og plasseringen av lavenergiske EELS-topper påvirkes av trykk. Dette faktum tillater kartlegging av lokalt trykk med ~ 1 nm romlig oppløsning.

  • Peak shift-metoden er pålitelig og grei. Toppunktet er kalibrert ved uavhengig (vanligvis optisk) måling ved hjelp av en diamantamboltcelle . Imidlertid er spektraloppløsningen til de fleste EEL-spektrometre (0,3-2 eV, typisk 1 eV) ofte for rå for de små trykkinduserte skiftene. Derfor er følsomheten og nøyaktigheten til denne metoden relativt dårlig. Likevel er trykk så lite som 0,2 GPa inni heliumbobler i aluminium målt.
  • Toppintensitetsmetoden er avhengig av trykkindusert endring i intensiteten av dipolforbudte overganger. Fordi denne intensiteten er null for nulltrykk, er metoden relativt følsom og nøyaktig. Imidlertid krever det eksistens av tillatte og forbudte overganger av lignende energier og er derfor bare anvendelig for spesifikke systemer, for eksempel Xe-bobler i aluminium.

Brukes i konfokal geometri

Skanning av konfokal elektronenergitapmikroskopi (SCEELM) er et nytt analytisk mikroskopiverktøy som muliggjør et dobbeltkorrigert overføringselektronmikroskop for å oppnå dybdeoppløsning under 10 nm i dybdesnittavbildning av nanomaterialer. Det ble tidligere betegnet som energifiltrert skanningskonfokal elektronmikroskopi på grunn av mangel på fullverdig anskaffelsesevne (bare et lite energivindu i størrelsesorden 5 eV kan brukes om gangen). SCEELM tar fordeler av den nyutviklede kromatiske aberrasjonskorrigereren som gjør at elektroner med mer enn 100 eV energispredning kan fokuseres til omtrent samme fokusplan. Det er demonstrert at en samtidig tilegnelse av nulltap, lavt tap og kjernetap signaliserer opptil 400 eV i konfokal geometri med dybdiskriminering.

Se også

Referanser

Videre lesning

Eksterne linker