电子能量损失谱原理及在注氢方面的应用

李建喜

0原理

当入射电子束照射试样表面时，将会发生入射电子的背向散射现象，背向散射返回表面的电子由两部分组成，一部分没有发生能量损失，称为弹性散射电子，另一部分有能量损失，称为非弹性散射电子。

在非弹性散射电子中，存在一些具有一定特征能量的俄歇电子，其特征能量只同物质的元素有关，如果在试样上检测这些俄歇电子的数目按能量分布，就可以标定物质的各元素组成，称为俄歇电子能谱分析技术。

如果其特征能量不但同物质的元素有关，而且同入射电子的能量有关，则称它为特征能量损失电子。如果在试样上检测能量损失电子的数目按能量分布，就可获得一系列谱峰，称为电子能量损失谱，利用这种特征能量电子损失谱进行分析，称为电子能量损失谱分析技术。

1特点

1.电子能量损失谱(Electron energy loss spectroscopy,简称EELS)可以实现横向分辨率10 nm，深度0.5~2 nm的区域内成分分析;2.具有X射线光电子能谱(X-ray photo spectroscopy,简称XPS)所没有的微区分析能力;3.具有比俄歇电子能谱(Auger electron spectroscopy,简称AES)更为表面和灵敏的特性;4.更重要的是能辨别表面吸附的原子、分子的结构和化学特性，而成为了表面物理和化学研究的有效手段之一;

2电子能量损失过程

1.激发晶格振动或吸附分子振动能的跃迁，属于声子激发或吸收，损失能量在几十至几百meV范围;2.体等离子体或表面等离子体(电子气)激发，或价带跃迁，能量损失值在1~50 eV左右;3.芯能级电子的激发跃迁，能量在102~103 eV量级;4.自由电子激发(二次电子)，约50 eV以下:韧致辐射(连续X射线)。最后两个激发过程只形成谱的背底。

3电子所损失的能量使物体产生各种激发类型

1) 单电子激发包括价电子激发和芯能级电子激发。2)等离子体激元激发。3)声子激发。4)表面原子、分子振动激发。

4在注氢方面的应用案例

通过离子注入的方法在 CeO2基体中引入大量低价阳离子( H+ ), 并在带有电子能量损失谱 (EELS) 附件的高分辨透射电子显微镜 (HRTEM) 下原位观察和分析CeO2的结构变化和价态变化,这有助于了解 CeO2中Ce4+ /Ce3+ 氧化还原反应的微观过程。

图3是严重损伤区内CeO2和注氢之前 CeO2的 EELS谱, 可以看出 Ce的M4和 M5特征峰的后边峰 (post-edge peaks) 的强度和大小在注氢前后没有任何变化 (图 3a), 这表明 Ce的价态没有任何改变[8]; 相反, 氧的 K特征峰 (O-K peak) 的前边峰 (pre-edge peaks)在注氢后几乎消失(图 3b), 这一现象在纯的 O-Ce体系中是 CeO2转变为 Ce2O3 (或 Ce4+ 转变为 Ce3+ ) 的客观反映 , 而在本实验中则只能把它归结为有一定量的氢聚集在严重损伤区晶格的间隙处并极大地改变了氧的电子云分布这样一种可能。但无论如何,氧的 K特征峰的前边峰的消失表明在严重损伤区内氧的状态的确被改变了。这种变化对 CeO2的使用性能会产生什么样的影响是值得进一步研究的一个问题。