Elektronen energieverlies spectroscopie

Elektronen energieverlies spectroscopie
	EELS-spectrum
Kenmerken
acroniem	EELS
type	spectroscopie
materie	geleidbare vaste stof, die niet uiteenvalt onder een elektronenstraal of in vacuüm
gerelateerd	MREELS, HREELS, RHEELS
combinatie	TEM-EELS
Portaal	Materiaalkunde ; Scheikunde ; Natuurkunde

Elektronen-energieverlies-spectroscopie (EELS) is een materiaalkarakteriseringstechniek, die kan worden gebruikt in combinatie met een transmissie-elektronenmiscroscoop (TEM).

Bij EELS wordt een materiaal blootgesteld aan een elektronenstraal met een bekend en smal bereik aan kinetische energieën. Sommige elektronen ondergaan een inelastische verstrooiing, wat betekent dat ze energie en momentum verliezen aan het materiaal en ze afwijken van het pad van de bundel. De hoeveelheid energieverlies kan worden gemeten via een elektronenspectrometer en geïnterpreteerd in termen van de oorzaak van het energieverlies. Inelastische interacties omvatten het aanslaan van fononen, inter- en intra-band overgangen, aangeslagen plasmonen, binnenschil ionisaties en Cherenkov straling. De ionisaties in de binnenschil zijn bijzonder nuttig voor het detecteren van de opbouw van elementen in een materiaal. Je zou bijvoorbeeld kunnen ontdekken dat een groter dan verwacht aantal elektronen met 285eV minder energie door het materiaal heen komt dan ze hadden voordat ze het materiaal binnengingen. Dit is ongeveer de hoeveelheid energie die nodig is om een binnenschaalelektron uit een koolstofatoom te verwijderen, wat kan worden beschouwd als bewijs dat er een aanzienlijke hoeveelheid koolstof in het monster aanwezig is. Met enige zorg, en kijkend naar een breed scala aan energieverliezen, kan men bepalen welke soorten atomen en het aantal atomen van elk type door de bundel worden getroffen. De verstrooiingshoek (dat wil zeggen, de mate waarin het pad van het elektron wordt afgebogen) kan ook worden gemeten, waardoor informatie wordt verkregen over de dispersierelatie van de materiaalexcitatie die de inelastische verstrooiing veroorzaakte.^[1]

Geschiedenis bewerken

De techniek is ontwikkeld door James Hillier en RF Baker in het midden van de jaren '40^[2] maar werd de volgende 50 jaar niet veel toegepast, pas in de jaren negentig werd de techniek op grotere schaal gebruikt in het onderzoek als gevolg van de vooruitgang in microscoopinstrumentatie en vacuümtechnologie. Nu moderne instrumenten op grote schaal beschikbaar komen in laboratoria over de hele wereld, zijn de technische en wetenschappelijke ontwikkelingen vanaf het midden van de jaren negentig snel gegaan. De techniek kan profiteren van moderne aberratie-gecorrigeerde sondevormingssystemen om ruimtelijke resoluties tot ~ 0,1 nm te bereiken, terwijl met een monogechromeerde elektronenbron en / of zorgvuldige deconvolutie de energieresolutie 0,1 eV of beter kan zijn.^[3] Dit heeft gedetailleerde metingen van de atomaire en elektronische eigenschappen van enkele kolommen met atomen mogelijk gemaakt, en in enkele gevallen metingen van enkele atomen.^[4]^[5]

Varianten bewerken

Voorbeeld van ionisatierand van de binnenschil (kernverlies) EELS-gegevens van La _0.7 Sr _0.3 MnO ₃, verkregen op een raster transmissie-elektronenmicroscoop.

Schematische opstelling van een transmissie-elektronenmicroscoop.

Er zijn verschillende methodes van EELS, voornamelijk geclassificeerd door de geometrie en door de kinetische energie van de invallende elektronen (meestal gemeten in kilo-elektronenvolt of keV). Waarschijnlijk de meest voorkomende methode is transmissie-EELS, waarbij de kinetische energieën typisch 100 tot 300 keV zijn en de invallende elektronen volledig door het materiaalmonster heen gaan. Meestal gebeurt dit in een transmissie-elektronenmicroscoop (TEM), hoewel er enkele speciale systemen bestaan die extreme resolutie mogelijk maken in termen van energie- en momentumoverdracht ten koste van ruimtelijke resolutie (MREELS).

Andere methodes zijn onder meer reflectie EELS (inclusief reflectie hoogenergetische elektronen energieverlies spectroscopie (RHEELS)), typisch bij 10 tot 30 keV, en afstandelijke EELS (soms near-field EELS genoemd), waarbij de elektronenbundel in feite niet van het monster afketst, maar ermee via de Coulomb-interactie op lange afstand interageert. Afzijdig EELS is bijzonder gevoelig voor oppervlakte-eigenschappen, maar is beperkt tot zeer kleine energieverliezen, zoals die van interactie met oppervlakteplasmonen of directe interbandovergangen.

Elektronen Energieverlies spectrum bewerken

Het spectrum van elektron enenergieverlies (EEL) kan grofweg worden opgesplitst in twee verschillende energie spectra: het spectrum met lage verliezen (tot ongeveer 50 eV aan energieverlies) en het spectrum met hoge verliezen. Het lage-verlies spectrum bevat zowel de nul-verlies piek (waar elektronen zonder interactie door het monster schieten) als de plasmon-pieken en bevat informatie over de bandstructuur en diëlektrische eigenschappen van het monster. Het hoge-verlies spectrum bevat de ionisatieranden die ontstaan door ionisaties van de binnenschil in het monster. Deze zijn kenmerkend voor de elementen die in het monster aanwezig zijn en kunnen worden gebruikt om informatie over de chemie van een monster te verkrijgen.^[6]

Dikte metingen bewerken

EELS maakt een snelle en betrouwbare meting van de lokale dikte van het monster in transmissie-elektronenmicroscopie mogelijk.^[7] De meest efficiënte procedure is de volgende:^[8]

Meet het energieverlies spectrum in het energiebereik van ongeveer −5 tot 200 eV (des te breder des te beter). Een dergelijke meting is snel (milliseconden) en kan dus worden toegepast op materialen die normaal onstabiel zijn onder elektronenbundels.
Analyseer het spectrum: (i) verwijder zero-loss peak (ZLP) met behulp van standaardprocedures; (ii) bereken integralen onder de ZLP ( $I_{0}$ ) en onder het hele spectrum ( $I$ ).
De dikte ${\textstyle t}$ wordt berekend als $MFP\cdot \ln {\frac {I}{I_{0}}}$ . Hier is MFP het gemiddelde vrije pad van inelastische elektronenverstrooiing, die in tabelvorm is weergegeven voor de meeste elementaire vaste stoffen en oxiden.^[9]

De ruimtelijke resolutie van deze procedure wordt beperkt door de plasmonlokalisatie en is ongeveer 1 nm,^[7] wat betekent dat ruimtelijke diktekaarten kunnen worden gemeten in raster transmissie-elektronenmicroscopie met ~ 1 nm resolutie.

Zie ook bewerken

Referenties bewerken

Bronnen, noten en/of referenties

Egerton, R. F. (1996), Electron Energy Loss Spectroscopy in the Electron Microscope, 2nd. Plenum, New York. ISBN 978-0-306-45223-9.
Spence, J. C. H. (2006). Absorption spectroscopy with sub-angstrom beams: ELS in STEM. Rep. Prog. Phys. 69 (3): 725–758. DOI: 10.1088/0034-4885/69/3/R04.
Gergely, G. (2002). Elastic backscattering of electrons: determination of physical parameters of electron transport processes by elastic peak electron spectroscopy. Progress in Surface Science 71 (1): 31–88. DOI: 10.1016/S0079-6816(02)00019-9.
Brydson, Rik (2001), Electron energy loss spectroscopy. Garland/BIOS Scientific Publishers. ISBN 978-1-85996-134-6.

↑ Egerton, R. F. (2009). Electron energy-loss spectroscopy in the TEM. Reports on Progress in Physics 72 (1). DOI: 10.1088/0034-4885/72/1/016502.
↑ Baker, J. (September 1944). Microanalysis by means of electrons. J. Appl. Phys. 15 (9): 663–675. DOI: 10.1063/1.1707491.
↑ Rose, H. H. (1 april 2008). Optics of high-performance electron microscopes. Science and Technology of Advanced Materials 9 (1): 014107. PMID 27877933. PMC 5099802. DOI: 10.1088/0031-8949/9/1/014107.
↑ Ramasse, Quentin M. (October 2013). Probing the Bonding and Electronic Structure of Single Atom Dopants in Graphene with Electron Energy Loss Spectroscopy. Nano Letters 13 (10): 4989–4995. ISSN: 1530-6984. PMID 23259533. DOI: 10.1021/nl304187e.
↑ Tan, H. (September 2011). 2D atomic mapping of oxidation states in transition metal oxides by scanning transmission electron microscopy and electron energy-loss spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 107 (10). PMID 21981530. DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.107602.
↑ Hofer, F. (2016). Fundamentals of electron energy loss spectroscopy. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 109: 012007. DOI: 10.1088/1757-899X/109/1/012007.
↑ ^a ^b Egerton 1996.
↑ Iakoubovskii, K. (2008). Thickness measurements with electron energy loss spectroscopy. Microscopy Research and Technique 71 (8): 626–31. PMID 18454473. DOI: 10.1002/jemt.20597. Gearchiveerd van origineel op 31 juli 2020.
↑ Iakoubovskii, Konstantin (2008). Mean free path of inelastic electron scattering in elemental solids and oxides using transmission electron microscopy: Atomic number dependent oscillatory behavior. Physical Review B 77 (10): 104102. DOI: 10.1103/PhysRevB.77.104102. Gearchiveerd van origineel op 31 juli 2020.

[1] Egerton, R. F. (2009). Electron energy-loss spectroscopy in the TEM. Reports on Progress in Physics 72 (1). DOI: 10.1088/0034-4885/72/1/016502.

[2] Baker, J. (September 1944). Microanalysis by means of electrons. J. Appl. Phys. 15 (9): 663–675. DOI: 10.1063/1.1707491.

[3] Rose, H. H. (1 april 2008). Optics of high-performance electron microscopes. Science and Technology of Advanced Materials 9 (1): 014107. PMID 27877933. PMC 5099802. DOI: 10.1088/0031-8949/9/1/014107.

[4] Ramasse, Quentin M. (October 2013). Probing the Bonding and Electronic Structure of Single Atom Dopants in Graphene with Electron Energy Loss Spectroscopy. Nano Letters 13 (10): 4989–4995. ISSN: 1530-6984. PMID 23259533. DOI: 10.1021/nl304187e.

[5] Tan, H. (September 2011). 2D atomic mapping of oxidation states in transition metal oxides by scanning transmission electron microscopy and electron energy-loss spectroscopy. Phys. Rev. Lett. 107 (10). PMID 21981530. DOI: 10.1103/PhysRevLett.107.107602.

[6] Hofer, F. (2016). Fundamentals of electron energy loss spectroscopy. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 109: 012007. DOI: 10.1088/1757-899X/109/1/012007.

[FOOTNOTEEgerton1996-7] Egerton 1996.

[8] Iakoubovskii, K. (2008). Thickness measurements with electron energy loss spectroscopy. Microscopy Research and Technique 71 (8): 626–31. PMID 18454473. DOI: 10.1002/jemt.20597. Gearchiveerd van origineel op 31 juli 2020.

[9] Iakoubovskii, Konstantin (2008). Mean free path of inelastic electron scattering in elemental solids and oxides using transmission electron microscopy: Atomic number dependent oscillatory behavior. Physical Review B 77 (10): 104102. DOI: 10.1103/PhysRevB.77.104102. Gearchiveerd van origineel op 31 juli 2020.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]