Transcript 《电子能量损失谱》课件(2007-08-03)

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
K边 1s壳层
L2,3边 2p壳层
M4,5边 3d壳层
N6,7边 4f壳层
能级位置
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
CCD
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
C //
2Pz轨道
C面:X-Y
2Px－Py轨道
188ev
BN电子散射矢量几何
000
¼
½
散射角的选择
1/2
1/4dd
00
0
α
1/d
10
0
α=1/50d
三、非晶碳、石墨和金刚石的EELS谱
C-K = 284 ev
π
σ
284ev
291ev
石墨的C-K边及石墨的径向分布函数
F
高能区
0.14nm
四、(Bi,Ca)MnO3相变引起O－K边变化
(1s
2p)
Ca＝0.95
527ev
Ca＝0.85
O-K=532ev
(Bi,Ca)MnO3相变引起O－K边变化
室温相
低温相
527ev
O-K=532ev
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
456ev
462ev
L3
L2
855ev
872ev
TiNiFe合金相变前后Ti的L2,3边变化
TiNiFe白线L2,3的P/B
3d
六、Cu和Cu合金的L2,3边：2p
Cu1－x Alx
Al＝0.8
L3: 931ev
L2: 951ev
Al＝0.5
Al＝0.25
Al＝0.0
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
可定量分析
一维“谱-像”
定量强度分布 碳空心管
锰的填充
碳-（硼-氮）-碳套管
碳-（硼-氮）-碳套管
Probe position
碳-（硼-氮）-碳套管
4.AEM：二维 “谱•像”
4.AEM： “谱分离”晶界膜
O
STEM-ADF
10
10 nm
nm
La
Si
N
Si:
Si3N4
N:
Si3N4
Si:
GB
N:
GB
4.AEM： 晶界膜变化
4
3
2
1
0
IF1 IF2
GB1 GB2
100ev
120ev
140ev
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
2.62
0.27
N%@TP
1
N:O
N:Si
N:O, N:Si ratio
0.8
0.6
0.4
GB2
0.2
0
0
0.5
1
d (nm)
1.5
2
2.5
GB1
4.AEM： “谱分离”定义晶界
Bulk: TiO
2
S5: Fe=0.5 wt. %
S5: Fe=0.1 wt.%
S5: no Fe
Bulk: SrTiO
3
520
540
560
Energy Loss (eV)
层错面能损谱-像的获得
钛酸钙中多余氧化钙原子层
BF
CaTiO3
Ca4Ti3O
10
HADF
CaO
Fault
5 nm
CaO
Bulk
Energy Loss (eV)
Energy-Filtered TEM
Zero-Loss
(10 eV)
B Mapping
CMapping
NMapping
OMapping
STEM-EELS分析
Si
O
Ti
x 1000
O
1.5
1.0
2
0.5
0
6
5
4
3
2
1
0
0
1.0
0.8
Ti
ELNES:
CaTiO
3
0.6
0.4
0.2
0
ELNES:
CaO fault
1.5
1.0
1.5
1.0
Ca/Ti
0.5
00
0.5
2
4
6
8
0
2
4
Position (nm)
6
8
0
Weight to Model
x 1000
4
Weight to Model
. Ca
6
x 1000
2
8
TiO2/ SiO2 Nanocable 表征
6000
Ti2p3/2
Data: dTi2p_C
Model: Gauss
Equation: y=y0 + (A/(w*sqrt(PI/2)))*exp(-2*((x-xc)/w)^2)
Weighting:
y
No weighting
5500
Chi^2/DoF
= 32442.08206
R^2
= 0.94843
5000
y0
xc1
w1
A1
xc2
w2
A2
Counts
4500
4000
2431.29635
?
458.12483
?
1.53871
?
6100.84287
?
463.87289
?
3.0482 ? .15844
4067.43829
?
9.43089
.01683
.03563
37.15406
.07026
22.62831
Ti2p1/2
3500
3000
2500
2000
450
455
460
Binding Energy (eV)
465
470
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