材料的电子能量损失谱分析

内 容

1 基本原理： 1 】电子散射 2 】表征

2 仪器结构 : 1 】谱仪 2 】能量过滤

3 应用举例： 1 】元素分析 2 】电子状态 3 】过滤像

EELS 基本原理

电子的非弹性散射

电子散射的表征

散射截面： σ= N/nm ne

平均自由程： b = 6.25×102(ρ/A)1/2(Z/E)t3/2

束扩展： λ= A/N0ρ

吸收系数： dI = -μ0Idt

穿透能力： 1/μ0

EELS 的典型谱线

强度比较

NiO 边（ Edge ）的形成

吸收边能量 能级位置

K 边 1s 壳层L2,3 边 2p 壳层M4,5 边 3d 壳层N6,7 边 4f 壳层

谱 仪 结 构

TEM-EELS 结构 ( 串行检测 )

EELS 结构 ( 并行检测 )

能量过滤器

能量过滤器和损失谱仪比较C

CD

应 用 举 例

一、 AlSiON 陶瓷的元素分析

TEM 衍衬像

二、 BN 的 B-K 边与散射角的关系

188ev

2Pz 轨道

2Px － Py 轨道

C //

C 面 :X-Y

BN 电子散射矢量几何

000 ¼ ½

散射角的选择

000

100

1/4d1/2d

1/d

α=1/50d

α

三、非晶碳、石墨和金刚石的 EELS 谱

291ev284ev

C-K = 284 ev

σ

π

石墨的 C-K 边及石墨的径向分布函数

F

0.14nm

高 能 区

四、 (Bi,Ca)MnO3 相变引起 O － K 边变化(1s 2p)

Ca ＝0.95

Ca ＝0.85

527ev

O-K=532ev

(Bi,Ca)MnO3 相变引起 O － K 边变化

527ev

O-K=532ev 室温相

低温相

五、 TiNiFe 的母相和马氏体

TiNiFe 马氏体的 Ti 、 Ni 的 L2,3 边（ p d 白线）

L2(2p 1/2-3d)

(2p 3/2-

3d) L3

L2

L3

456ev 462ev

855ev 872ev

TiNiFe 合金相变前后 Ti 的 L2,3 边变化

TiNiFe 白线 L2,3的 P/B

六、 Cu 和 Cu 合金的 L2,3 边： 2p 3d

Al ＝ 0.8

Al ＝ 0.5

Al ＝0.25

Al ＝ 0.0

Cu1 － x Alx

L3: 931ev

L2: 951ev

探测几何影响空间分辨率能谱、能损谱、 Z 衬度像有不同分辨率

能损谱空间分辨率高于能谱

能损谱 - 扫描像能量过滤像

能损谱 - 线扫描（一维“谱•像”）二维“谱•像”——三维图象

4.AEM “： 谱•像”——碳纳米管

一维“谱 - 像”可定量分析 可定量分析 定量强度分布 碳空心管 锰的填充

碳 - （硼 - 氮） - 碳套管

200 300 400Energy Loss (eV)

0

2

4

6

8

10

12

Ph

oto

dio

de C

ou

nts

x 1

000

BK

CK

NK

Probe position

碳 - （硼 - 氮） - 碳套管

碳 - （硼 - 氮） - 碳套管

4.AEM ：二维 “谱•像”

10 nm10 nm

STEM-ADFSTEM-ADF

O LaNSi

Si:Si3N4

N:Si3N4

N:GB

Si:GB

4.AEM “： 谱分离”晶界膜

0

1

2

3

4

100ev 120ev 140ev

GB1 GB2

IF1 IF2

4.AEM ： 晶界膜变化

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

0 0.5 1 1.5 2 2.5

N:ON:Si

N:O

, N

:Si ratio

d (nm)

GB1

GB2

GB1 IF1 IF2 GB2

d (nm) 2.24 0.99 1.65 0.73

N:O 0.20 0.26 0.34 0.65

N:Si 0.31 0.35 0.45 0.79

N%@TP 2.62 0.27

540 560520

Energy Loss (eV)

Bulk: SrTiO3

5: no Fe

5: Fe=0.1 wt.%

5: Fe=0.5 wt. %

Bulk: TiO2

4.AEM “： 谱分离”定义晶界

层错面能损谱 - 像的获得钛酸钙中多余氧化钙原子层

Energy Loss (eV)

CaTiO3

Ca4Ti3O10

CaO Fault

CaO Bulk

5 nm5 nm

BFBF

HADFHADF

Energy-Filtered TEM Zero-Loss

(10 eV)

OMapping

CMapping

NMapping

B Mapping

STEM-EELS 分析Si

O Ti

0

2

4

6

8

x 1

000

0

123

4

56

x 1

000

0

0.5

1.0

1.5

0

0.5

1.0

1.5

2

x 1

000

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

Wei

ght t

o M

odel

0

0.5

1.0

1.5

Wei

ght t

o M

odel

0 2 4 6 8Position (nm)

Ca

Ti

Ca/Ti

O

ELNES:CaTiO3

ELNES:CaO fault

0 2 4 6 8

TiO2/ SiO2 Nanocable 表征

成 分 过 滤 像

EELS 谱线的 CCD 过滤像

一维衍射花样能量过滤的 CCD 像

元素面分布

元素面分布的双窗口法原理

Is(x,y) ＝ I2 （ x ， y ） / I1（ x ， y ）

Ni 合金的能量过滤像

零损失像 Ti － L 双窗口法像

元素面分布的三窗口法原理Is(x,y)=I3(x,y) －IB(x,y)

IB=CEexp{-r}

SiC 和 SiN 能量过滤像

零损失像 C 元素分布像（ C － K ） N 元素分布像（ N － K ）

Fe2O3 会聚束衍射的能量过滤

AlInAs 的电子衍射花样能量过滤

107K ΔE= +5EV

矩形区漫散射强度分布等强线

A ： 1/3 1/3 1/3

B: 1/2 1/2 1/2