电子能量损失光谱(EELS)涉及分析与样品相互作用后初始单能电子的能量分布。这种相互作用有时局限于几个原子层，就像一束低能量(100-1000 eV)的电子从固体表面「反射」出来一样。由于不涉及高压，设备相对紧凑，但低穿透深度意味着使用超高真空。否则，信息主要是从样品表面的碳质或氧化物层获得的。
在这些低初级能量下，单色仪可以将初级光束的能量扩散降低到几毫电子伏，如果光谱仪具有相当的分辨率，则光谱包含与表面原子的振动模式进行能量交换的特征，以及这些原子中的价电子激发。因此，该技术被称为高分辨率电子能量损失光谱(HREELS)， 用于研究表面和吸附原子或分子的物理和化学。
电子能量损失光谱只是众多可用于确定固体结构或化学成分的技术之一。下面列出了一些能够实现高空间分辨率的技术。每种方法都采用了众所周知的物理原理，但只有当合适的仪器可用时，才能作为微观分析工具发挥作用。
利用电子、离子和光子光束的成像和分析技术可实现的空间分辨率
01 电子能量损失谱原理介绍
EELS是利用入射电子束在试样中发生非弹性散射，电子损失的能量DE直接反映了发生散射的机制、试样的化学组成以及厚度等信息，因而能够对薄试样微区的元素组成、化学键及电子结构等进行分析。
图1 测试原理图
当电子穿过样品时，它们会与固体中的原子相互作用。许多电子在穿过薄样品时不会损失能量。一部分在与原子相互作用时会发生非弹性散射并损失能量。这会让样品处于激发态。材料可通过分析通常以可见光子、X 射线或俄歇电子形式存在的能量实现去激发。
将要研究的材料置于电子显微镜中，用一束动能分布很窄的电子轰击。一部分入射电子经历非弹性散射，其动能发生改变（通常是减小）。动能损失的机理有很多，包括:电子-声子相互作用，带内或带间散射，电子-等离子体相互作用，内壳层电子电离，及切连科夫辐射。电子的能量损失可以被电子谱仪定量的测量出来。内壳层电子电离引起的非弹性散射对于分析材料的元素构成尤为有用。比如， 碳原子的1s电子电离能为285eV。如果285eV的动能损失被探测到，则材料中一定存在碳元素。
下面介绍EELS的应用：
02 试样厚度测量
通常，如果需要知道TEM样品的局部厚度，可以将EELS或EDX分析提供的面密度转换为元素浓度，或从TEM图像估计缺陷浓度。包括以下几种方法：
1.Log-Ratio方法。 在入射光束(或区域选择孔径)定义的区域内估计样品厚度的最常用方法是记录低损耗光谱，并将零损耗峰下的面积I0与整个光谱下的总面积It进行比较。
2.K-K求和法则的绝对厚度。 能量损失谱的Kramers-Kronig分析给出了绝对试样厚度的值，以及与能量相关的介电数据，而不需要样品的化学成分。
3.贝斯和规则的质量厚度。 通过适当的校准，还可以通过对选定散射角和能量损失范围内的非弹性散射进行积分，使用电子能谱仪剔除弹性和非散射分量，从而获得局部质量厚度，可以作为STEM和ADF探测器测量高角度弹性散射的低剂量替代方案。
03 低损耗光谱
能量损失谱的1-50 eV区域包含由外层电子的非弹性散射引起的峰。在大多数材料中，主峰可以称为等离子体峰;其能量与价电子密度有关，其宽度反映了单电子跃迁的阻尼效应。
在某些情况下，这些跃迁直接出现在低损耗谱中，作为叠加在等离子体峰上的峰或精细结构振荡。低损耗谱是电子束内材料的特征，如果有合适的比较标准，并且光谱数据具有足够低的噪声水平，则可用于识别该材料。
1.低损耗精细结构鉴定
如果样品包含产生尖锐等离子体峰的区域，则很容易识别所涉及的材料，如金属钠、铝或镁。 其他材料更难表征，因为它们的等离子体峰很宽，发生在有限的范围内，通常为15-25 eV。
然而，通过与候选材料记录的低损耗光谱进行仔细比较，有时可能会识别出未知的相位。这种指纹识别方法被用来识别内部氧化的Si/Ni合金中25-250 nm的沉淀为无定形SiO2 和硅中10-100 nm的沉淀为SiC。
由于多重散射，低损耗光谱的整体形状取决于样品的厚度，因此为了避免未知材料和参考材料之间的厚度差异造成的误差，应该消除多重散射，例如通过傅里叶对数反褶积。
许多有机化合物在主等离子体峰值以下的能量处具有独特的精细结构，见图2。但是， 如果结构不突出，则使用多个最小二乘拟合进行仔细比较可以测量成分。
图2 薄膜中测量能量损失函数中的低损耗精细结构
2.等离子体能量和合金成分的测量
当合金元素被添加到金属中时，晶格参数和/或价可能会改变，导致价电子密度和等离子体能量Ep的变化。对于给定的合金体系，使用已知成分的校准样品，可以通过实验确定其在Ep中的强度。在某些情况下，等离子体激元能量随成分x线性变化。
为了使信噪比最大化， 试样厚度应大致等于等离子体平均自由程 ，因此应避免使用超薄试样。但在较厚的样品中，双散射峰的尾部取代了第一等离子体峰，使其能量损失更高；反褶积是必要的，以消除多重散射和确保可重复性。表面氧化物或污染层也会引起峰值位置的移动，但通过仔细的样品制备和清洁的真空条件可以将其最小化。如果样品是结晶的，应避免强衍射取向。
等离子体位移法已被用于证明晶界处的溶质损耗，估计扩散常数，并检查飞溅冷却合金中的溶质再分配。
等离子体位移方法也被应用于金属-氢系统，其中氢通常在等离子体能量中引入向上的位移。对于这些系统，自由电子公式给出的等离子体能量通常低至1-3 eV，但预测金属和氢化物自由电子值之间的差异有时与观测结果非常吻合。这些等离子体位移研究的重要性在于， 分散的氢无法通过WDX或EDX光谱检测到，而锂的量化很难通过核心损耗EELS或EDX进行检测。
3.小颗粒的表征
由于小粒子具有高的表面体积比，它们的激发由局域表面等离子体模式主导。
表面模式散射涉及低于体积等离子体峰值的能量损失；这种散射的细节取决于界面的几何形状和与能量相关的介电常数的不匹配。在小探针和单个球形颗粒的情况下，低损耗谱取决于探针的位置，并且对于金属球体和覆盖有氧化层的球体是不同的。
小粒子中的等离子体模式在光信号处理、生物传感和癌症治疗等方面有着重要的应用，现代TEM-EELS系统为研究这些模式提供了很好的工具。
图3 对银粒子的STEM能量滤波图像
对于三角形银粒子，最低能量(1.75 eV)模式在粒子的角落处振幅最大，在边缘处振幅为2.7 eV，在几何中心周围振幅为3.2 eV，如图3a所示。使用边界元计算的模拟得到了非常相似的强度分布(图3b)。
透射电镜的横截面样品对比不大，Si和SiO2的平均自由程非常相似，但等离子体激元能量相差很大 ：Si为17 eV，而SiO2为23 eV。能量选择断层扫描被用来提供三维可视化，通过记录一系列的TEM图像在标本倾斜高达±60°在4°增量。计算机软件允许对17±2 eV图像进行三维对齐和重建，如图4a所示。
正如离域等离子体散射所期望的那样，粒子本身具有柔软的轮廓，但它们是通过选择阈值强度来描绘的，其轮廓如图4所示为网格图像，揭示了粒子的不规则形状。这种复杂的形貌与该材料所观察到的光致发光和电致发光的宽光谱范围是一致的，而每个颗粒的大表面积可能是发光效率高的原因。
图4 利用等离子体能量差异的类似层析成像
利用等离子体能量差异的类似层析成像技术已被应用于生成聚合物(尼龙)基体内碳纳米管的三维图像 。也可以将来自轻元素的等离子体信号与同时获得的HAADF信号(来自重元素)结合起来，以显示两者的分布。如图4b所示，这是通过FIB铣削制备的针状试样记录的复合层析图像。
04 能量过滤图像和衍射模式
1.零损失图像
通过在衍射耦合模式下操作光谱仪(用于成像的TEM组)并调整光谱仪激发或加速电压，使零损耗峰通过能量选择狭缝，产生比正常(未滤波)图像具有更高对比度和/或分辨率的零损耗图像。
造成这种改善的主要因素如下：它们的相对重要性根据样品类型以及是否涉及常规TEM或STEM而变化。
2.零损耗衍射图
衍射图的能量滤波可以通过传统TEM中的成像滤波器来完成，比通过非成像光谱仪的入口孔径扫描衍射图要有效得多。 零损耗滤波消除了非弹性(主要是等离子体)散射产生的漫射背景，使微弱的衍射特征更加明显。
由于非弹性散射在小角度时最强，滤波对于低角度衍射应该特别有利，从而提高对具有大晶胞的材料的分析，例如大分子的周期性阵列或非周期性纳米结构。滤波也被用于提高透射电镜中记录的反射衍射图样的可见性，并有助于对会聚光束衍射强度的定量分析。
3.低损耗的图片
具有尖锐等离子体峰的材料的空间分布可以通过在相应的能量损失处形成图像来显示。
表面等离子激元激发的非弹性散射提供了低于体积等离子激元峰值能量的强度。在这种能量损失下，小粒子显示出明亮的轮廓，因为表面等离子激元激发的概率对于以掠过角度传播到表面的电子来说更大。 如果在非均匀样品的低损耗光谱中看到一个未识别的峰，则在该能量损失处形成图像可以帮助确定它是否来自表面模式散射。
一些有机染料(发色团)在几个电子伏特的能量处具有吸收峰，对应于可见光或紫外线光子，并且可以在光学显微镜中用作化学特异性染色。通过形成相应能量损失的图像，可以在能量过滤电子显微镜中以高空间分辨率绘制它们的分布
4.Z-Ratio图片
通过去除零损耗成分的电子光谱仪测量高角散射(由环形探测器记录)和低角散射的比率，形成z比STEM图像。 对于非常薄的样品，暗场信号主要代表弹性散射，而光谱仪信号则来自非弹性散射。
因此，比值图像中的强度是局部弹性/非弹性散射比的度量，它大致与局部(平均)原子序数Z成正比。其目的通常是为了区分元素组成的差异，同时抑制试样厚度变化和入射光束电流波动的影响。
5.对比度调整和MPL成像
对比度调整是指选择能量损失(通常在0-200 eV范围内)的能力，其中对比度足够，但足以在单个显微照片中记录图像。动态范围有时是零损耗图像厚(例如，0.5 μm)生物组织切片的问题，因为染色区域相对于未染色区域散射非常强。
生物组织中的结构敏感对比度有时可以通过选择250 eV左右的能量损失来最大化，刚好低于碳的k边，这样碳对图像的贡献就最小化了。 含有较低边缘元素(硫、磷或重金属污物)的结构在图像中显得明亮，形成反向的「暗场」对比。
05 核损耗光谱的元素分析
铁芯损耗信号的量化需要将其与背景分离。
最简单的方法是通过在前边缘区域内拟合来模拟前边缘背景，在边缘之后的能量窗口(通常为50-100 eV)上积分芯损耗信号时考虑到该背景。 当两个或更多的边缘能量接近，或者当一个元素以低浓度存在，或者在一个不是很薄的样品中处于低能量边缘时，这个过程就会出现问题。
在这种情况下，通过对背景和边缘分量的多重最小二乘(MLS)拟合可以更成功地模拟核心损耗信号。通常，标准试样用于记录边缘形状，而计算截面用于推导元素比。另一种方法是通过减去样品附近区域记录的光谱来研究浓度差异。
为了确定元素比，必须在无标准程序(使用计算或参数化的横截面和基于标准的(k因子)方法。无标准的方法很方便，但要求收集半角是已知的，至少是近似的。k方法使用一个或多个已知成分的标准样品，其中包含每个分析元素。如果未知样品和标准样品使用相同的值，则不需要入射光束能量和收集角度。一些系统误差的来源，如鲜为人知的横截面和色差效应，在使用k因子方法时可以消除。
虽然核心损耗光谱原则上可以识别元素周期表中的任何元素，但有些元素比其他元素更容易被检测到。 EELS最常用于分析低原子序数的元素，这类元素难以用EDX光谱定量。
06 空间分辨率和检测限
在能量损失光谱或能量过滤成像中获得的空间分辨率取决于几个因素，现在要讨论。在堆芯损耗微分析的情况下，空间分辨率与元素检测限的概念密切相关。
可以通过EELS识别原子序数的单原子图像 ，如图5a。钆(Gd)原子被放置在C82富勒烯分子中，而C82富勒烯分子又被包裹在单壁碳纳米管中(形成所谓的豆荚)。原子受到空间限制，次级电子(在富勒烯和有机化合物中造成大部分损害的电子)可以自由逸出。即便如此，原子数的评估(从背景减去Gd n边)得到的数值在0到4之间，表明在强辐照下，一些Gd原子沿着纳米管迁移并聚集在一起。随后在60 keV下的测量表明，没有观察到Er原子的运动，尽管Ca原子图像的强度比l壳层截面的预期强度低300倍，表明在电子暴露过程中有运动出束。
图 5 识别晶体的单个原子
研究者使用像差校正的STEM识别了晶体CaTiO3中的单个La原子，见图5.33c。据说信噪比足以确定单个原子的电子性质(例如，价电子)。作者指出，由于通道的存在， 不同元素信号的强度随深度的变化而不同 ，这可以通过与计算机模拟探针扩散的比较来确定原子的深度。
07 来自EELS的结构信息
固体中的非弹性散射对样品的晶体学和电子结构以及元素组成都很敏感。因此，结构信息可以从非弹性强度对试样取向的依赖，从散射的角度依赖，或从存在于能量损失谱的低损耗或核心损耗区域的精细结构中获得。
1.电离边的取向依赖性
在晶体样品中，透射电子波函数可以写成布洛赫波的和，内壳激发的概率正比于这个和的模的平方。总强度分布具有晶格的周期性，节点和天线在每个单元胞内的位置是晶体取向的敏感函数。
在能量损失较高的情况下，来自内壳层的电子散射位于每个原子的中心附近，因此，当样品沿垂直于入射光束的轴倾斜时，核心损失强度将发生变化。在x射线研究中，这被称为博尔曼效应。虽然它代表了晶体材料的EELS元素分析中的一个误差来源，但它可以建设性地用于确定特定元素的晶体位置，通过其电离能选择。
在EELS的情况下，引起内壳激发的初级电子在被检测到之前可能会在样品内进一步移动。 在这样做的过程中，他们再次受到引导，这影响了他们在特定方向逃跑的可能性(一种被称为阻挡的效果)。如果以入射光束方向为中心的收集孔径来定义该方向，则晶体对非弹性散射电子的阻挡作用增强了入射光束的通道(相当于粒子通道实验中的双对准)，并且EELS观察到的取向依赖性可能比x射线发射光谱中观察到的更大。
通道实验需要包含与入射光束直径一样大的单晶区域的样品，通常是几纳米，因为较小的探针的收敛会降低取向效应。试样厚度应至少等于消光距离，以便在每个单元胞内提供电流密度的显著变化。否则，方向依赖性较弱，测量结果容易产生统计误差。消光距离不仅与入射电子速度成正比，而且还取决于晶体取向和原子序数。
2.核损耗衍射图
非晶试样具有轴对称散射分布;在低能量损失情况下，强度在非散射方向上达到峰值，而在远高于电离阈值的能量损失情况下，强度以扩散环的形式出现。在晶体样品的情况下，弹性散射导致包含布拉格斑点(或环，对于多晶体)和菊池线或带的衍射图样。
在扫描透射电子显微镜中，通过以一定角度摇摆入射光束或使用样品后偏转线圈通过小孔径探测器扫描衍射图案，可以记录能量过滤的衍射图案，但更有效的方法是使用固定入射光束和成像滤波器。
在低能量损失时，衍射图类似于零损耗图，但衍射斑被非弹性散射的角宽度加宽。
3.ELNES特征
在含有配位键的化合物中，如矿物和有机配合物，有时需要知道金属离子周围最近邻配体的配位数和对称性。电离边缘的能量损失近边结构(ELNES)近似表示产生该边缘的原子处的局部态密度。这种解释与发射电子后向散射的多重散射(XANES)计算是一致的，该计算表明，散射是相当局部的，只涉及几个邻近的壳层。
有时，被射出的核心电子的散射主要来自原子的单壳层，这些原子是强散射的物质，如O2-或F-离子。实际上，离子形成了一个笼子或势垒，阻碍了内层电子的逸出。然后，当应用于矿物标本时，近边缘精细结构可以作为配位指纹。
在聚合物和大分子的情况下，XANES结构可以提供作为整个结构构建块的官能团的指纹。 散射是局域化的这一事实使得分子轨道计算可以作为解释和标记峰的基础。
图 6 含碳酸盐阴离子的矿物的碳k边与单质碳的k边比较
图6所示为受激原子处于三角形平面配位(三个最近邻位于一个平面内)的ELNES。碳化物基团的碳k边的特点是π *峰较窄，在10-11 eV分离时，σ *峰较宽，与任何单质形式的碳的精细结构大不相同。在棱柱状(非平面)配位中和在菱铁矿中的三角配位硼中也观察到同样的k边精细结构。
08 特定材料的应用
1.半导体及电子器件
随着半导体器件向纳米尺寸缩小，TEM-EELS在研究其材料特性方面变得越来越有用。例如，了解器件内半导体或电介质的带隙如何变化是很重要的。除非提供的能量超过直接带隙(通常为1ev或更多)，否则半导体或绝缘体中的偶极子跃迁不会发生。因此，能量损失谱应该显示为零强度，随后在带隙能量Eg处急剧上升，从而提供Eg的测量。
在实践中，有两个问题。 首先，在薄样品中，零损耗峰非常强，其尾部可以延伸到几个电子伏特。
通过使用配备单色仪的TEM和将平行记录光谱仪设置为足够高的能量色散(低电子伏特/通道)，可以最小化这些尾。即便如此，通常需要通过拟合和减法或傅立叶比反卷积来去除高e尾。
有研究者通过对强度上升与其之前的背景进行线性拟合，从交点选取Eg，实现了测量不同厚度SiO2薄膜带隙的一致性，见图7。
图7 TEM-EELS系统测量不同厚度氧化硅薄膜的带隙
2.陶瓷和高温超导体
在Si3N4结构陶瓷中，力学和热性能受晶体/非晶界面的原子和电子结构的控制，其中可能发生原子间混合和重阳离子的部分排序。
研究者利用EELS获得了β-Si3N4SiO2界面上光原子的位置信息。图8a显示了原子分辨率的亮场图像，显示了晶体β-Si3N4和非晶态SiO2之间存在短程有序。为了识别沿界面和跨界面的成分，在80 kV(避免辐射损伤)下， 通过光栅扫描像差校正探针进行原子分辨EELS ，同时在每个像素处收集光谱(0.05 s)。图8d, e显示了同时获取的z -对比度图像中从六个不同位置获取的Si-L23边缘。
图8 原子分辨率EELS分析
在所有六个位置的硅信号都显示出Si-N和Si-O键的特征(Si3N4和SiO2参考光谱的峰a、b和c)，但在位置1、2、3和4显示出更强的Si-O键，因为105eV的峰(标记为b)更明显。在位置4和6的Si信号，代表终止Si3N4结构的两端，有细微的不同特征，表明不同的键合特征。为了进一步研究，O和N k边与Si L23边同时获得，并通过在40 ev窗口内积分这些信号，计算元素O/N比，如图8g所示。
3.碳基材料
当石墨样品的厚度减少时，体等离子体(7和27 eV)的峰值最终会发生红移，在单石墨烯层的情况下约为5和14.5 eV。这些变化与使用局部密度泛函码的计算结果基本一致(。它们也可以被视为从体等离子体到表面等离子体的变化，记住两个表面模式是高度耦合的，并且色散使峰值依赖于q。
单层石墨烯 的面外模式(q||c)趋近于零，其π等离子激元呈现线性色散。对于两层材料也观察到线性色散，但对于三层材料则更接近于二次色散。单层材料的电子衍射图不存在高阶劳厄带，且随试样取向变化不大。当入射电子能量超过60 keV时，石墨烯会受到撞击过程的破坏。
碳纳米管 是一种卷起来的石墨烯片，上面覆盖着类似富勒烯的末端结构，存在于单壁(SWCNT)和多壁(MWCNT)形式。单壁碳纳米管π共振能量(15 eV)接近单层石墨烯，呈现线性色散，而4 eV以下的带间跃迁则不表现色散。随着壁厚的增加，介电性能越来越接近石墨。
富勒烯 是在由碳蒸气凝聚而成的煤烟中发现的，它是由弯曲成球形或椭球形的石墨状薄片组成的分子。固体形式(富勒石)可以用苯提取，或者通过将沉积物升华到衬底上以形成薄膜。C60富勒石的能量损失谱在25.5 eV处有一个主(σ +π)等离子体峰，在6.4 eV处有一个π共振峰，还有几个副峰。
金刚石 结合了高硬度，导热性和折射率(2.4)，非常低的导电性和对可见光的透明度。天然钻石是根据红外光谱进行分类的:与II型钻石不同，I型钻石含有相当数量的氮，要么是分离的(Ia型)，要么是分散的(Ib型)。
在薄样品中，发生在碳k边前约5 eV的强度小幅上升(例如，图5.37)更为突出，并且可能与石墨表面层的带隙或π *水平内的表面状态有关。使用空间差分EELS检测到当电子束被放置在位错附近时，在前边缘区域有额外的强度，这可能表明激发到缺陷或杂质状态。在金刚石的{111}自由表面存在一层氧，这是根据对反射模式能量损失光谱中的氧k边的观察推断出来的。
4.聚合物和生物标本
光谱成像在光谱采集后提供了广泛的数据操作的可能性。例如，它允许分割用于测量特定细胞器中的小浓度元素。 可以通过检查主要成分(C、N、O)的k边来识别相似组成的区域 ，并将这些区域的光谱相加，为测量平均微量元素浓度提供足够的统计数据。
5.辐射损伤和钻孔
辐射损伤为电子束分析的空间分辨率提供了一个基本的物理限制，因此最小化这种损伤是很有意义的。。
电子在TEM样品中经历弹性和非弹性散射 。100 mrad以下的弹性散射，用于形成衍射图案和亮场图像，涉及可忽略的能量传递(<0.1 eV)，并且不会损坏样品。然而，通过较大角度散射的电子可以传递几个电子伏特的能量，如果入射能量超过某个阈值，则会导致位移(或撞击)损伤。
高角度散射是一种罕见的事件，因此撞击损伤仅在高电子剂量(典型>1000 C/cm2)下才重要，并且仅在导电材料(特别是金属)中才值得注意，在那里高密度的自由电子可以防止辐射分解造成的损伤。其结果是晶体内或晶界处原子的永久位移和从样品表面去除原子(电子诱导溅射)。在后一种情况下，薄碳表面涂层已被证明在有限的时间内有效地保护试样。
