Elektronen-Energieverlustspektroskopie

Elektronenenergieverlustspektroskopie wird auch im Deutschen meist mit dem Akronym EELS (für engl. Electron Energy Loss Spectroscopy) abgekürzt, weiterhin findet man in älterer Literatur teilweise EEVA (Elektronenenergieverlustanalyse).

Bei dieser Spektroskopieart wird das Spektrum des Energieverlustes zunächst monoenergetischer („monochromatischer“) Elektronen nach Wechselwirkung mit einer Probe bestimmt. Monoenergetisch bedeutet hier insbesondere, dass die Breite der Energieverteilung der Primärelektronen klein gegenüber der Breite des gemessenen Spektrums sein soll, die Breite dieser Primärenergieverteilung bestimmt natürlich auch die erreichbare spektrale Auflösung des Verfahrens.

Die Primärelektronen wechselwirken über ihr Elektrisches Feld mit den geladenen Teilchen der Probe (in Atomkernen mit Neutronen zusammengefasste Protonen sowie Elektronen). Da die Atomkerne sehr viel massereicher sind als einzelne Elektronen, ist der Energieübertrag von den Primärelektronen auf die Kerne vernachlässigbar (sogenannte elastische und quasielastische Streuung). Anders ist das bei der Wechselwirkung mit den Festkörperelektronen. Hier kann es zu merklichen Energieverlusten kommen (inelastische Streuung). Den Festkörperelektronen als Fermionen sind nun keine beliebigen Energieaufnahmen gestattet. Die für sie erlaubten energetischen Zustände und Übergänge dazwischen sind durch die Bandstruktur bzw. in guter Näherung für tieferliegende Energieniveaus durch die atomaren Bindungszustände vorgegeben. Daraus folgt eine charakteristische Wahrscheinlichkeitsverteilung für Energieüberträge: das Energieverlustspektrum, das im EELS-Experiment bestimmt wird.

Meist ist mit EELS die Anwendung der Methode im Transmissionselektronenmikroskop gemeint. Die Primärenergien liegen bei einigen 10 keV bis zu einigen 100 keV (1 keV = 1000 eV), mit einer Verteilungsbreite von meist 0,8 eV bis etwa 2,5 eV. Bei Einsatz von Feldemissionskathoden erzielt man minimale Breiten von etwa 0,35 eV, noch geringere Energiebreiten erfordern die Benutzung von energiegefilterten Elektronenquellen, sogenannten Monochromatoren. Die untersuchten Energieverluste erstrecken sich von etwa 1 eV bis zu einigen 1000 eV.

Eine Abwandlung und Verfeinerung der Methode stellt HR-EELS dar, HR steht dabei für High resolved und betrachtet den für die Schwingungsspektroskopie wichtigen Bereich um 15 bis 600 meV.

Siehe auch

• Energy Filtered Transmission Electron Microscopy

Quellen

• TU Wien: EELS - eine Einführung