ELNES的原理及应用实例(2)

而固体中涉及外层电子状态的跃迁光谱表现为连续谱。

3）能量损失近边结构

在高能损失区，入射电子束在与薄试样相互作用的过程中会由于非弹性散射而损失一部分能量，这部分损失的能量导致试样内等离子体（价电子）被集体激发。

电子能量损失谱中电离损失阀值附近（比阀值能量损失小一些的能量损失部分），电子能量损失谱的形状是试样中原子空位束缚态电子密度的函数。原子被电离后产生的激发态电子可以进入束缚态，成为谱形的能量损失近边结构（ELNES，energy-loss near-edge structure）。通过谱形分析，可以获得试样的能带结构和元素的化学价态等重要信息。

四、能量损失近边结构的应用实例

正如上文所述，在高分辨电子显微镜（HRTEM）下获得电子能量损失谱（EELS），结合能量损失近边结构（ELNES）进行谱形分析，可以获得试样的能带结构和元素的化学价态等重要信息。 1）TiO2与Ti2O3中Ti价态区分 如图8所示，TiO2中Ti元素的价态（+4价）要高于Ti2O3中Ti元素的价态（+3价），所以TiO2中Ti元素电离损失的能量要高于Ti2O3中Ti元素电离损失的能量。

图8 TiO2与Ti2O3的电子能量损失谱

类似的，如图9所示，CeO2中Ce元素的价态（+4价）要高于Ce2O3中Ce元素的价态（+3价），所以CeO2中Ce元素电离损失的能量要高于Ce2O3中Ce元素电离损失的能量。可以看出，随着CeO2-Ce2O3体系中CeO2浓度的不断上升，Ce元素电离损失的能量也在不断上升。

图10 CeO2-Ce2O3体系的电子能量损失谱图

2）超导氧化物La2-xSrxCuO4的氧原子浓度

如图10所示是La系超导氧化物La2-xSrxCuO4的氧的K壳层电子激发谱（1s→2p）。用Sr（+2价）置换La（+3价）时，将引入空位，随Sr量的增加，氧空位量逐渐增大，以致在略低于氧的K电离边的528eV处看见小峰。这表明，超导载流子的空位主要是氧原子的位置。

图10 La2-xSrxCuO4（0≤x≤0.4）中氧的K边

3）石墨、金刚石等碳材料的区分

对于石墨态和金刚石中的碳，虽然同是碳，但由于它们的电子能级精细结构不同，谱中的能量损失近边结构也就不同，以此可以区分它们。

石墨、 金刚石等碳材料中的碳原子通过形成π键和σ键相结合，同时形成了未被电子占据的、更高能量的π*键和σ*键， 当高能电子入射时，碳原子内壳层电子将被激发至此两个未占据态能级从而使入射电子损失相应能量。从而根

据谱图中对应 π*键和*键的损失峰的不同可以区分不同种类的碳材料。如图11所示，金刚石近域精细结构产生的能量损失是289eV，而石墨近域精细结构产生的能量损失是285eV。

五、小结

图11 石墨和金刚石的近边精细结构

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