전자 에너지 손실 분광기

Electron energy loss spectroscopy
"EELS"가 여기로 리디렉션된다. 다른 용도는 El장어(동음이의)를 참조하십시오.
주요 특징을 보여주는 실험 전자 에너지 손실 스펙트럼: 무손실 피크, 플라스몬 피크 및 코어 손실 에지.

전자 에너지 손실 분광학(EELS)에서 물질은 알려진 좁은 범위의 운동 에너지로 전자 빔에 노출된다. 일부 전자는 비탄성 산란을 겪게 되는데, 이는 에너지를 잃고 경로가 약간 임의로 꺾인다는 것을 의미한다. 에너지 손실량은 전자 분광계를 통해 측정할 수 있으며 에너지 손실의 원인이 무엇인지를 기준으로 해석할 수 있다. 비탄성 상호작용에는 음핵산 분해, 대역간 및 대역간 전환, 플라스몬 분해, 내부 쉘 이온화, 체렌코프 방사선이 포함된다. 내부 쉘 이온화는 물질의 원소 성분을 검출하는 데 특히 유용하다. 예를 들어, 예상보다 많은 수의 전자가 물질에 들어갈 때보다 285 eV 적은 에너지를 가지고 물질을 통해 들어온다는 것을 발견할 수 있다. 이것은 대략 탄소 원자로부터 내부 껍질 전자를 제거하는 데 필요한 에너지의 양으로, 표본에 상당한 양의 탄소가 존재한다는 증거로 취할 수 있다. 어느 정도 주의를 기울이면, 그리고 광범위한 에너지 손실을 보면, 빔에 부딪히는 원자의 종류와 각 유형의 원자의 수를 결정할 수 있다. 산란 각도(즉, 전자의 경로가 꺾인 양)도 측정할 수 있어 비탄성 산란을 유발한 물질 흥분의 분산 관계에 대한 정보를 제공한다.[1]

역사

이 기술은 1940년대 중반[2] 제임스 힐리어와 RF 베이커에 의해 개발되었으나 이후 50년 동안 널리 사용되지 않았으며, 현미경 계측과 진공 기술의 발달로 1990년대에 들어서야 연구에 널리 보급되었다. 현대식 계측기가 전 세계적으로 연구실에서 널리 보급되면서 1990년대 중반부터의 기술 및 과학 발전은 급속도로 진행되고 있다. 이 기법은 단색 전자 소스 및/또는 신중한 디콘볼루션으로 에너지 분해능이 0.1 eV 이상이 될 수 있는 반면, 현대적인 이상 보정 프로브 형성 시스템을 이용하여 공간 분해능을 0.1 nm까지 달성할 수 있다.[3] 이를 통해 원자의 단일 열과 몇 가지 경우 단일 원자의 원자 및 전자적 성질을 상세하게 측정할 수 있게 되었다.[4][5]

EDX와의 비교

뱀장어는 에너지 분산형 X선 분광기법(다양하게 EDX, EDS, XEDS 등)을 보완하는 것으로 알려져 있는데, 이는 많은 전자현미경에서 사용할 수 있는 또 다른 일반적인 분광기법이다. EDX는 물질의 원자 구성을 식별하는 데 탁월하고, 사용하기 매우 쉬우며, 특히 무거운 원소에 민감하다. 뱀장어는 역사적으로 더 어려운 기술이었지만 원칙적으로 원자성, 화학적 결합, 발란스 및 전도 대역의 전자적 특성, 표면 특성, 원소별 쌍거리 분포 함수를 측정할 수 있다.[6] 뱀장어는 흥분 가장자리가 날카롭고 잘 정의되며 실험적으로 접근 가능한 에너지 손실(신호가 약 3 keV 에너지 손실 이상으로 매우 약함)인 비교적 낮은 원자 번호에서 가장 잘 작동하는 경향이 있다. 뱀장어는 아마도 탄소로부터 3d 전환 금속(스캔듐에서 아연으로)에 이르는 원소를 위해 가장 잘 개발되었을 것이다.[7] 탄소의 경우, 경험이 풍부한 분광학자는 다이아몬드, 흑연, 무정형 탄소, "미네랄" 탄소(탄산염에 나타나는 탄소 등)의 차이를 한눈에 알 수 있다. 3d 전환 금속의 스펙트럼을 분석하여 원자의 산화 상태를 확인할 수 있다.[8] 예를 들어 Cu(I)는 Cu(II)와 소위 "백선" 강도 비율이 다르다. EDX에 비해 같은 원소의 다른 형태를 "손가락으로 인쇄"할 수 있는 이 능력은 장어의 강력한 장점이다. 그 차이는 주로 두 기법의 에너지 분해능 차이(장어의 경우 ~1 eV 이상, EDX의 경우 수십 eV 이상)에 기인한다.

변형

스캔 전송 전자 현미경으로 획득한 LaSrMnO의 내부 쉘0.70.33 이온화 에지(핵심 손실) 장어 데이터의 예.

장어의 기본 맛에는 여러 가지가 있는데, 주로 기하학 및 입사 전자의 운동 에너지(일반적으로 keV로 측정)에 의해 분류된다. 아마도 오늘날 가장 흔한 것은 송전 장어일 것이다. 이 장어는 운동 에너지가 일반적으로 100~300 keV이고 입사 전자는 전적으로 물질 샘플을 통과한다. 이는 일반적으로 전송전자현미경(TEM)에서 발생하지만, 에너지와 모멘텀 전달 측면에서 공간 분해능을 희생하여 극도의 분해능을 가능하게 하는 일부 전용 시스템이 존재한다.

다른 맛으로는 반사형 장어(반사형 고에너지 전자 에너지 손실 분광기(RHEELS) 포함)와 전자 빔이 실제로 샘플을 타격하지 않고 대신 장광대 쿨롬 상호작용을 통해 그것과 상호작용하는 장어(Near-field WENSER)가 있다. 초연 장어는 표면 특성에 특히 민감하지만 표면 플라스몬 또는 직접 대역 간 전환과 관련된 에너지 손실과 같이 매우 작은 에너지는 매우 작다.

전송 장어 내에서는 이 기법이 발랑스 장어(플라스몬과 인터밴드 전환 측정)와 내피 이온화 장어(X선 흡수 분광법과 동일한 정보를 제공하지만 훨씬 작은 부피의 소재에서)로 더욱 세분화된다. 둘 사이의 경계선은 다소 정의가 잘못되어 있지만 50 eV 에너지 손실 근처에 있다.

기계의 발달로 인해 장어 스펙트럼의 초저 에너지 손실 부분이 열리면서 TEM에서 진동 분광법이 가능해졌다.[9] IR-active 및 비IR-active 진동 모드는 모두 WEARGER에 존재한다.[10]

장어 스펙트럼

전자 에너지 손실(EEL) 스펙트럼은 저손실 스펙트럼(에너지 손실 약 50eV까지)과 고손실 스펙트럼의 두 영역으로 대략 나눌 수 있다. 저손실 스펙트럼에는 플라스몬 피크는 물론 무손실 피크가 들어 있으며, 샘플의 밴드 구조와 유전체 특성에 대한 정보가 들어 있다. 고손실 스펙트럼에는 샘플의 내부 쉘 이온화로 인해 발생하는 이온화 에지가 포함된다. 이것들은 표본에 존재하는 종에 대한 특징이며, 따라서 표본의 화학에 대한 정확한 정보를 얻기 위해 사용될 수 있다.[11]

두께 측정

뱀장어는 전송 전자현미경 검사에서 국소 두께를 빠르고 신뢰할 수 있게 측정할 수 있다.[6] 가장 효율적인 절차는 다음과 같다.[12]

  • 약 -5 에너지 범위의 에너지 손실 스펙트럼을 측정한다.200 eV(더 나은 웨이더). 이러한 측정은 빠르고(밀리초) 전자 빔 아래에서 일반적으로 불안정한 물질에 적용될 수 있다.
  • 스펙트럼 분석: (i) 표준 루틴을 사용하여 (i) 무손실 피크(ZLP)를 추출한다. (ii) ZLP (I0)와 전체 스펙트럼 (I) 아래의 통합을 계산한다.
  • 두께 t는 mfp*ln(I/I0)으로 계산한다. 여기서 mfp는 전자 비탄성 산란의 평균 자유 경로로, 대부분의 원소 고형물과 산화물 표로 작성되었다.[13]

이 절차의 공간 분해능은 플라스몬 국산화(plasmon localization)에 의해 제한되며 약 1nm로,[6] 공간 두께 맵은 ~1nm 해상도로 전송전자현미경을 스캔할 때 측정할 수 있다는 것을 의미한다.

압력 측정

저에너지 장어 피크의 강도와 위치는 압력에 의해 영향을 받는다. 이 사실은 약 1nm의 공간 분해능으로 국부 압력을 매핑할 수 있다.

  • 피크 시프트 방식은 신뢰할 수 있고 간단하다. 피크 위치는 다이아몬드 앤빌 셀을 사용한 독립적(대개 광학) 측정에 의해 보정된다. 그러나 대부분의 WILLE 분광계(0.3-2 eV, 일반적으로 1 eV)의 스펙트럼 분해능은 작은 압력 유도 이동에 비해 너무 조잡한 경우가 많다. 따라서 이 방법의 민감도와 정확도가 상대적으로 떨어진다. 그럼에도 불구하고, 알루미늄의 헬륨 거품 내부의 0.2 GPA 정도의 압력이 측정되었다.[14]
  • 피크 강도 방법은 이중극자 강제 전환의 강도의 압력에 의한 변화에 의존한다. 이 강도는 제로 압력의 경우 0이기 때문에 방법은 상대적으로 민감하고 정확하다. 단, 유사한 에너지의 허용 및 금지된 전환이 필요하므로 특정 시스템(예: 알루미늄의 Xe 기포)에만 적용할 수 있다.[15]

컨포칼 지오메트리에서 사용

SCEELM(scanncocal electronics energy loss 현미경)은 이중 보정 전송 전자현미경이 나노물질의 깊이 단면화 영상에서 10nm 이하의 깊이 분해능을 달성할 수 있도록 하는 새로운 분석 현미경 도구다.[16] 이전에는 완전한 스펙트럼 획득 능력이 없기 때문에 에너지 여과 스캐닝 콘초점 전자현미경 검사라고 불렸다(5 eV 순서의 작은 에너지 창만 한 번에 사용할 수 있다). SCEELM은 100 eV 이상의 에너지 확산 전자가 거의 동일한 초점 평면에 집중될 수 있도록 하는 새로 개발된 색도 편차 교정기의 장점을 취한다. 깊이 구분 능력이 있는 공초점 기하학에서 최대 400 eV까지 제로 손실, 저손실, 노심 손실 신호를 동시에 획득하는 것이 입증되었다.

참고 항목

참조

  1. ^ Egerton, R. F. (2009). "Electron energy-loss spectroscopy in the TEM". Reports on Progress in Physics. 72 (1): 016502. Bibcode:2009RPPh...72a6502E. doi:10.1088/0034-4885/72/1/016502.
  2. ^ Baker, J.; Hillier, R. F. (September 1944). "Microanalysis by means of electrons". J. Appl. Phys. 15 (9): 663–675. Bibcode:1944JAP....15..663H. 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. Bibcode:2008STAdM...9a4107R. doi:10.1088/0031-8949/9/1/014107. PMC 5099802. PMID 27877933.
  4. ^ Ramasse, Quentin M.; Seabourne, Che R.; Kepaptsoglou, Despoina-Maria; Zan, Recep; Bangert, Ursel; Scott, Andrew J. (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. Bibcode:2013NanoL..13.4989R. doi:10.1021/nl304187e. ISSN 1530-6984. PMID 23259533.
  5. ^ Tan, H.; Turner, S.; Yücelen, E.; Verbeeck, J.; Van Tendeloo, G. (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): 107602. Bibcode:2011PhRvL.107j7602T. doi:10.1103/PhysRevLett.107.107602. hdl:10067/912650151162165141. PMID 21981530.
  6. ^ a b c 에저튼 1996.
  7. ^ 안 C (ed.) (2004) 물질 과학에서의 전송 전자 에너지 손실 분광 분석 및 독일 Wiley, Wiley, Wily, Wily, Doi:10.1002/3527605495, ISBN 3527405658
  8. ^ Riedl, T.; T. Gemming; W. Gruner; J. Acker; K. Wetzig (April 2007). "Determination of manganese valency in La1−xSrxMnO3 using ELNES in the (S)TEM". Micron. 38 (3): 224–230. doi:10.1016/j.micron.2006.06.017. PMID 16962785.
  9. ^ Krivanek, Ondrej L.; Lovejoy, Tracy C.; Dellby, Niklas; Aoki, Toshihiro; Carpenter, R. W.; Rez, Peter; Soignard, Emmanuel; Zhu, Jiangtao; Batson, Philip E.; Lagos, Maureen J.; Egerton, Ray F. (2014). "Vibrational spectroscopy in the electron microscope". Nature. 514 (7521): 209–212. Bibcode:2014Natur.514..209K. doi:10.1038/nature13870. ISSN 0028-0836. PMID 25297434.
  10. ^ Venkatraman, Kartik; Levin, Barnaby D.A.; March, Katia; Rez, Peter; Crozier, Peter A. (2019). "Vibrational spectroscopy at atomic resolution with electron impact scattering". Nature Physics. 15 (12): 1237–1241. arXiv:1812.08895. doi:10.1038/s41567-019-0675-5.
  11. ^ Hofer, F.; et al. (2016). "Fundamentals of electron energy loss spectroscopy". IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 109: 012007. doi:10.1088/1757-899X/109/1/012007.
  12. ^ Iakoubovskii, K.; Mitsuishi, K.; Nakayama, Y.; Furuya, K. (2008). "Thickness measurements with electron energy loss spectroscopy" (PDF). Microscopy Research and Technique. 71 (8): 626–31. CiteSeerX 10.1.1.471.3663. doi:10.1002/jemt.20597. PMID 18454473.
  13. ^ Iakoubovskii, Konstantin; Mitsuishi, Kazutaka; Nakayama, Yoshiko; Furuya, Kazuo (2008). "Mean free path of inelastic electron scattering in elemental solids and oxides using transmission electron microscopy: Atomic number dependent oscillatory behavior" (PDF). Physical Review B. 77 (10): 104102. Bibcode:2008PhRvB..77j4102I. doi:10.1103/PhysRevB.77.104102.
  14. ^ Taverna, D.; Kociak, M.; Stéphan, O.; Fabre, A.; Finot, E.; Décamps, B.; Colliex, C. (2008). "Probing Physical Properties of Confined Fluids within Individual Nanobubbles". Physical Review Letters. 100 (3): 035301. arXiv:0704.2306. Bibcode:2008PhRvL.100c5301T. doi:10.1103/PhysRevLett.100.035301. PMID 18232994.
  15. ^ Iakoubovskii, Konstantin; Mitsuishi, Kazutaka; Furuya, Kazuo (2008). "Structure and pressure inside Xe nanoparticles embedded in Al" (PDF). Physical Review B. 78 (6): 064105. Bibcode:2008PhRvB..78f4105I. doi:10.1103/PhysRevB.78.064105.
  16. ^ Xin, Huolin L.; et al. (2013). "Scanning Confocal Electron Energy-Loss Microscopy Using Valence-Loss Signals". Microscopy and Microanalysis. 19 (4): 1036–1049. Bibcode:2013MiMic..19.1036X. doi:10.1017/S1431927613001438. PMID 23692691. S2CID 25818886.

추가 읽기

외부 링크