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{{NoteTA|G1=Physics}}
[[File:EELS Idealised.svg|right|thumb|350px|理想的EELS光谱示意图，横轴表示能量损失，从左至右分别是零损失峰、等离子体共振峰、内层电子损失峰及精细结构]]

'''电子能量损失谱'''（{{lang-en|'''Electron energy loss spectroscopy'''}}，縮寫：'''EELS'''）是[[物理学]]及[[材料科学]]等研究领域的重要表征手段，该技术始于1940年代。在电子能量损失光谱（EELS）中，具有已知动能的电子束入射待测材料后，部分电子与原子相互作用发生[[非弹性散射]]，损失部分能量并且路径发生随机的小偏转，这个过程中能量损失的大小经{{le|电子能谱仪|Electron spectrometer}}测量并得以分析解释。通过研究非弹性散射电子的能量损失分布，可以得到原子中电子的空间环境信息，从而研究样品的多种物理和化学性质。

== 历史 ==
该技术由 James Hillier 和 R.F. Baker 在1940年代中期开发<ref>{{cite journal |last1=Hillier |first1=J. |last2=Baker |first2=R.F. |date=1944 |title=Microanalysis by means of electrons |url=https://archive.org/details/sim_journal-of-applied-physics_1944-09_15_9/page/663 |journal=J. Appl. Phys. |volume=15 |issue=9 |pages=663–675 |doi=10.1063/1.1707491 |bibcode=1944JAP....15..663H}}</ref>，但是在随后的50年没有得到广泛应用，直到1990年代由于显微仪器和真空技术的进步才在研究中更加普及。1990年代中期以来该技术发展迅速，在全世界的实验室中广泛使用。

== 原理 ==
将要研究的材料置于[[电子显微镜]]中，用已知动能的电子束轰击，损失了不同能量的电子数目被记录为电子损失能谱。电子损失能谱包括了电子与原子相互作用发生[[非弹性散射]]的丰富信息，主要可以分为三部分<ref>{{cite web|url=https://physik.uni-paderborn.de/en/lindner/research/eels/|title=Electron Energy-Loss spectroscopy (EELS)|language=en}}</ref>：
# '''零损失峰'''（ZLP，zero-loss peak）：未被散射的电子、只发生了弹性散射的电子或能量损失很小的非弹性散射的电子（例如[[声子]]散射）；
# '''低能损失区'''：能量损失小于 50 eV，例如[[等离子体]]共振、[[切伦科夫辐射]]、能带间跃迁；
# '''高能损失区'''：和内层电子相互作用导致的吸收边（Core-loss edges）、近边精细结构（Near edge fine structure）和扩展能量损失精细结构（Extended energy loss fine structure）
内层电子的电离适用于检测材料的元素组分，例如一定数量的电子穿过材料后能量减少了 285 eV，这相当于从[[碳原子]]去除一个内层电子所需的能量，从而可以推测样品中一定存在碳元素。其他的应用包括用低能损失区分析样品的[[能带结构]]和[[介电质|介电性能]]，利用零损失峰和总体能谱强度测量样品厚度等等<ref>{{cite web|url=http://www.eels.info/about/overview|title=What is EELS? &#124; EELS.info|language=en|accessdate=2017-05-25|archive-date=2017-05-16|archive-url=https://web.archive.org/web/20170516162642/http://www.eels.info/about/overview|dead-url=no}}</ref>。

== 电子能量损失谱与EDX ==
[[能量色散X射线谱|EDX]]（Energy-dispersive X-ray spectroscopy）也可以用与元素分析，尤其善于分辨重元素。与EDX相比，电子能量损失谱对于轻元素分辨效果更好，能量分辨率也好出1-2个量级。由于电子能量损失谱[[电子伏]]甚至亚电子伏的分辨率，它可以用于元素价态分析，而这是EDX不擅长的。电子能量损失谱(EELS)也许最适合从碳到3d过渡金属（从钪到锌）的元素分析<ref>Ahn C C (ed.) (2004) ''Transmission electron energy loss spectrometry in material science and the EELS Atlas'', Wiley, Weinheim, Germany, {{DOI|10.1002/3527605495}}, ISBN 3527405658</ref>。对于碳，有经验的光谱学家可以一目了然地了解金刚石，石墨，无定形碳和“矿物”碳（例如碳酸盐中出现的碳）之间的差异。 可以分析3d过渡金属的光谱以识别原子的氧化态<ref>{{Cite journal|doi=10.1016/j.micron.2006.06.017|volume=38|issue=3|pages=224–230|last=Riedl|first=T.|author2=T. Gemming |author3=W. Gruner |author4=J. Acker |author5=K. Wetzig |title=Determination of manganese valency in La1−xSrxMnO3 using ELNES in the (S)TEM|journal=Micron|date=April 2007}}</ref>。

== 厚度测量 ==
EELS可以用来测量薄膜厚度。不难证明，没有经历非弹性散射的电子数目随样品厚度指数衰减。而这部分电子的相对数目可以通过计算零损失峰的面积I与整个谱的面积之比I<sub>0</sub>而获得。利用公式：<math>I/I_0=\exp{(-t/l)}</math>，l是非弹性散射长度，与材料特性有关<ref>"Mean free path of inelastic electron scattering in elemental solids and oxides using transmission electron microscopy: Atomic number dependent oscillatory behavior" Phys. Rev. B 77, 104102 (2008)</ref>；样品厚度t因此可以被计算出来。

EELS允许在[[透射电子显微镜]]中快速和可靠地测量局部厚度{{sfn|Egerton|1996}}。最有效的过程如下<ref>{{cite journal |last1=Iakoubovskii |first1=K. |last2=Mitsuishi |first2=K. |last3=Nakayama |first3=Y. |last4=Furuya |first4=K. |year=2008 |title=Thickness measurements with electron energy loss spectroscopy |journal=Microscopy Research and Technique |volume=71 |issue=8 |pages=626–31 |doi=10.1002/jemt.20597 |pmid=18454473 |url=http://pubman.nims.go.jp/pubman/item/escidoc:1587374:1/component/escidoc:1587373/mrt626.pdf |access-date=2017-03-15 |archive-date=2017-09-22 |archive-url=https://web.archive.org/web/20170922235558/http://pubman.nims.go.jp/pubman/item/escidoc:1587374:1/component/escidoc:1587373/mrt626.pdf |dead-url=no }}</ref>：

* 在-5..200 eV的能量范围内测量能量损耗谱（更宽更好）。 这种测量快（毫秒），因此可以应用于在电子束下通常不稳定的材料。
* 分析光谱：（i）使用标准程序提取零损失峰（ZLP）; （ii）计算在ZLP（I0）和整个光谱（I）下的积分。
* 厚度t计算为mfp*''ln(I/I<sub>0</sub>)''。 这里mfp是电子非弹性散射的平均自由程，最近已经列出了大多数元素固体和氧化物<ref>{{cite journal |last1=Iakoubovskii |first1=Konstantin |last2=Mitsuishi |first2=Kazutaka |last3=Nakayama |first3=Yoshiko |last4=Furuya |first4=Kazuo |year=2008 |title=Mean free path of inelastic electron scattering in elemental solids and oxides using transmission electron microscopy: Atomic number dependent oscillatory behavior |journal=Physical Review B |volume=77 |issue=10 |bibcode=2008PhRvB..77j4102I |doi=10.1103/PhysRevB.77.104102 |url=http://pubman.nims.go.jp/pubman/item/escidoc:1587372:1/component/escidoc:1587371/Prb104102.pdf |access-date=2017-03-15 |archive-date=2016-03-03 |archive-url=https://web.archive.org/web/20160303215455/http://pubman.nims.go.jp/pubman/item/escidoc:1587372:1/component/escidoc:1587371/Prb104102.pdf |dead-url=no }}</ref>。

这个过程的空间分辨率受等离子体定位限制，约为1 nm {{sfn|Egerton|1996}}，意味着空间厚度图可以在扫描透射电子显微镜中测量，具有~1 nm的分辨率。

== 参阅 ==
*  [[透射电子显微镜]]

== 參考文獻 ==
{{reflist}}

== 外部链接 ==
* {{En}}[http://www.weels.net 在康奈尔大学（Cornell）的EELS精细结构指纹数据库] {{Wayback|url=http://www.weels.net/ |date=20200221065632 }}
* {{En}}[https://eelsdb.eu/ A database of EELS and X-Ray excitation spectra] {{Wayback|url=https://eelsdb.eu/ |date=20160816171904 }}
* {{En}}[http://research.engineering.cornell.edu/muller/csi.cfm Cornell Spectrum Imager, an EELS Analysis open-source plugin for ImageJ] {{Wayback|url=http://research.engineering.cornell.edu/muller/csi.cfm |date=20121003001249 }}
* {{En}}[http://hyperspy.org HyperSpy, a hyperspectral data analysis Python toolbox especially well suited for EELS data analysis] {{Wayback|url=http://hyperspy.org/ |date=20200817122333 }}
* {{En}}[http://www.eelsmodel.ua.ac.be/ EELSMODEL, software to quantify Electron Energy Loss (EELS) spectra by using model fitting] {{Wayback|url=http://www.eelsmodel.ua.ac.be/ |date=20170412025325 }}

[[Category:光谱学]]
[[Category:科学技术]]