고해상도 전자 에너지 손실 분광기

고해상도 전자 에너지 손실 분광학(HREELS)은 표면 과학에서 사용되는 도구다.표면에서 전자의 비탄성 산란은 물질 표면이나 표면에 흡착된 분자의 전자적 흥분 또는 진동 모드를 연구하는데 이용된다.HREELS는 다른 전자 에너지 손실 분광학(EELS)과 대조적으로 10⁻³ eV ~ 1 eV 범위에서 작은 에너지 손실을 다룬다.표면 구조 조사, 촉매, 표면 음핵 분산 및 상피 성장 모니터링에 중요한 역할을 한다.null

HREELS 개요

표면 축음기를 15mV와 38mV에서 보여주는 HREELS 스펙트럼.탄성 산란 봉우리 양쪽에 있는 봉우리의 모습은 라만 분광법과 비교해 보면 알 수 있다.

일반적으로 전자 에너지 손실 분광법은 물질에 비탄력적으로 산란했을 때 전자의 에너지 손실을 기초로 한다.알려진 에너지(E_i)를 가진 입사 광선이 표본에 흩어져 있다.이러한 전자의 산란은 샘플의 전자 구조를 흥분시킬 수 있다.만일 이것이 산란된 전자가 흥분작용을 일으키는 데 필요한 특정 에너지(ΔE)를 상실하는 경우.그러한 산란 과정을 비탄성이라고 한다.에너지 손실이 예를 들어 원자 K-셸에서 M-셸로 전자가 방출되기 때문이라고 가장 쉽게 상상할 수 있을 것이다.이러한 흥분 에너지는 전자의 운동 에너지로부터 빼앗긴다.산란된 전자(E_s)의 에너지를 측정하여 에너지 손실을 계산할 수 있다.측정된 데이터로부터 강도 대 에너지 손실 다이어그램이 설정된다.음핵에 의해 산란되는 경우, 이른바 에너지 손실도 에너지의 이득이 될 수 있다(반스톡스 라만 분광법과 유사하다).이러한 에너지 손실은 다른 실험이나 이론과 비교하여 표본의 표면 특성에 대한 결론을 도출할 수 있게 한다.null

표면 구조물의 배설은 보통 10⁻³ eV에서 10 eV까지의 매우 낮은 에너지다.라만 산란과 같이 작은 에너지 손실만 있는 HREELS 스펙트럼 전자에서 흥미로운 특징은 모두 매우 가까운 곳에 위치하며 특히 매우 강한 탄성 산란 피크에 가깝다.따라서 뱀장어 분광기는 높은 에너지 분해능을 요구한다.그래서 이 뱀장어 체제는 고해상도 뱀장어라고 불린다.이 맥락에서 분해능은 스펙트럼의 두 형상이 단지 그러한 형상의 평균 에너지로 나눈 에너지 차이로 정의되어야 한다: $\Delta E/E$ $\Delta E/E$ / $\Delta E/E$

장어의 경우 고해상도 달성을 위해 가장 먼저 생각해야 할 것은 매우 정밀하게 정의된 에너지와 고품질 분석기의 입사 전자를 사용하는 것이다.더 높은 분해능은 입사 전자의 에너지가 에너지 손실보다 그리 크지 않을 때에만 가능하다.따라서 HREEL의 경우 입사 전자의 에너지는 대부분 10² eV보다 상당히 작다.null

10개의² eV 전자가 평균 자유 경로가 약 1nm(몇 개의 단열기에 대응) 정도로 낮은 에너지와 함께 감소한다는 점을 고려하면 이는 HREELS가 표면 민감 기술임을 자동으로 시사한다.HREELS를 반사모드로 측정하고 초고진공(UHV)으로 구현해야 하는 이유다.이는 매우 높은 에너지에서 작동하고 있는 코어 레벨의 장어와 대조적이며, 따라서 전송 전자현미경(TEM)에서도 발견될 수 있다. 또한 기계의 발달로 TEM에서 진동 분광법을 수행할 수 있게 되었다.^[1]^[2]null

HREELS에서는 전자 에너지 손실만 측정할 수 있을 뿐 아니라, 종종 특정 에너지 손실의 전자의 각도 분포가 표면의 구조물에 흥미로운 통찰력을 준다.null

HREELS의 물리학

위에서 언급한 바와 같이 HREELS는 표면의 비탄성 산란 과정을 포함한다.이러한 프로세스의 경우 에너지 절약과 표면에 평행한 모멘텀의 투영 보존은 다음을 유지한다.

E_{i}=E_{s}+\Delta E

k_{i, }=k_{s, }+q_{}}+G

E는 에너지, k와 q는 파동 벡터, G는 상호 격자 벡터를 의미한다.이 시점에서 완벽하지 않은 표면의 경우 G는 어떤 경우에도 잘 정의된 양자 수가 아니며, 두 번째 관계를 사용할 때 고려해야 할 사항임을 언급해야 한다.i로 첨자된 계수는 산란 전자의 s 값으로 첨자된 입사 전자의 값을 나타낸다."는 표면에 평행하다는 것을 의미한다.null

흡착제의 진동 모드 흥분으로 인한 비탄성 산란 프로세스에 대한 설명은 다양한 접근법이 존재한다.가장 단순한 접근방식은 작은 산란각과 큰 산란각의 제도를 구별한다.

쌍극자 산란

쌍극자 산란법 비유적 해석

산란된 빔이 지정학적 방향에 매우 근접할 때 소위 쌍극점 산란을 적용할 수 있다.이 경우 거시적인 이론을 적용하여 결과를 설명할 수 있다.루카스와 슌지치가 소개한 소위 유전학 이론으로 접근할 수 있는데, 이 이론은 E가 양자역학적 치료법을 처음 제시한 것이다.1970년대 초 에반스와 D.L. 밀스.^[3]null

또는 완벽한 도체만을 정확히 수용하는 좀 더 생소한 모델이 있다: 표면의 단위 셀은 균일한 주위로 둘러싸여 있지 않기 때문에 전기 쌍극자 모멘트를 가져야 한다.분자가 표면에 흡착될 때 추가적인 쌍극자 모멘트가 있을 수 있고 총 쌍극자 모멘트 P가 존재할 수 있다.이 쌍극자 모멘트는 표면 위의 진공에서 장거리 전자 전위를 발생시킨다.이 잠재력에서 입사 전자는 이중극자 구조에서 진동을 유발하는 비탄력적으로 산란될 수 있다.쌍극자 모멘트는 $P+pe^{I\omega t}$ + $P+pe^{I\omega t}$ $P+pe^{I\omega t}$ $P+pe^{I\omega t}$ $P+pe^{I\omega t}$ t ${\$ $I\omega t$ 흡착액이 금속 표면에 달라붙으면 오른쪽 그림처럼 상상의 쌍극이 일어난다.따라서 표면에 정상적인 흡착된 쌍극자의 경우 쌍극 모멘트가 진공 복식으로부터 "보인다"반면 흡착된 쌍극자 표면과 평행한 쌍극자 모멘트는 사라진다.따라서 입사 전자는 표면에서 정상으로 흡착되고 에너지 손실 스펙트럼에서 진동 모드를 감지할 수 있을 때만 흡착된 쌍극자를 흥분시킬 수 있다.쌍극이 흡착된 경우 에너지 손실이 감지되지 않으며 쌍극의 진동 모드가 에너지 손실 스펙트럼에서 누락된다.전자 에너지 손실 피크의 강도를 측정하고 다른 실험 결과 또는 이론적 모델과 비교할 때 분자가 표면에 정상적으로 흡착되는지 또는 각도로 기울어져 있는지 여부도 결정할 수 있다.null

유전체 모델은 또한 분자가 흡착하는 물질이 금속이 아닐 때 잡는다.위에 표시된 그림은 $\epsilon \rightarrow \infty$ → $\epsilon \rightarrow \infty$ $\epsilon \rightarrow \infit$ 의 한계인데, 여기서 $\epsilon \rightarrow \infty$ $\epsilon$ ${\displaystyle \epsilon$ }은 $\epsilon$ 상대 유전 상수를 나타낸다.null

이 모델에서 입사 전자는 표면 위의 영역에 산란되므로 표면에 직접 영향을 주지 않으며 전달되는 운동량의 양이 적기 때문에 산란하는 것이 대부분 지정 방향이다.null

충격 산란

충격 산란이란 정사각형 방향에서 멀리 떨어진 곳에 흩어져 있는 전자를 다루는 계통이다.그러한 경우 거시적 이론은 존재하지 않으며 양자역학적 분산 이론과 같은 미시적 이론이 적용되어야 한다.대칭 고려사항은 특정 선택 규칙(탄성 산란 과정에서의 에너지 손실은 무시할 수 있다고 가정하기도 한다.null

산란 평면이 반사 대칭의 평면인 경우 산란 평면의 k마다_s 산란 진폭이 사라진다.
표면에 수직이고 산란 평면이 반사 대칭과 시간 역전의 대칭의 평면일 때, 반사 아래의 정상 좌표가 홀수인 모드에 대해 지정 방향의 산란 진폭이 사라진다.
표면에 정상적인 축이 2배 대칭의 축이고 시간 역전의 대칭이 2배 회전 시 정상 모드가 홀수인 모드에 대해 지정 방향의 산란 진폭이 사라진다.

이 모든 선택 규칙은 흡착된 분자의 정상적인 좌표를 식별하는 것을 가능하게 한다.null

중간 음이온 공명

중간 음이온 공진에서 전자는 산란 과정에서 흡착된 분자와 복합 상태를 형성한다.그러나 이러한 주의 수명은 너무 짧아서 이런 종류의 산란이 거의 관찰되지 않는다.이 모든 체제들은 단 하나의 미시적 이론의 도움으로 한 번에 설명할 수 있다.null

진동 고유모드의 관점에서 쌍극자 산란 선택 규칙

미세한 이론은 쌍극자 산란 선택 규칙에 보다 정확한 방법으로 접근할 수 있게 한다.산란 단면은 0이 아닌 매트릭스 원소 $\left\langle i\right|p_{z}\left|f\right\rangle$ ⟨ $\left\langle i\right|p_{z}\left|f\right\rangle$ $\left\langle i\right|p_{z}\left|f\right\rangle$ z $\left\langle i\right|p_{z}\left|f\right\rangle$ $\left\langle i\right|p_{z}\left|f\right\rangle$ ${\$ i $\langle i_{z}\좌측$ f\ $right\angle }}}$ 의 경우에만 비반사된다 $\left\langle i\right|p_{z}\left|f\right\rangle$ 여기서 $나$ 는 흡착된 분자의 초기 $및$ f의 최종 진동 에너지 수준과 쌍극 모멘트의 z $성분$ 을_z 나타낸다.null

쌍극자 모멘트는 충전 시간 길이와 비슷한 것이기 때문에 $p$ 는_z $z$ 와 대칭 특성이 동일하며, 이는 완전히 대칭이다.따라서 $i$ 와 $f$ 의 산물은 또한 완전히 대칭 함수여야 하며 그렇지 않으면 매트릭스 요소가 사라진다.그러므로

분자의 완전히 대칭적인 지면 상태로부터의 배설은 완전히 대칭적인 진동 상태에서만 가능하다.

이것은 쌍극자 산란을 위한 표면 선택 규칙이다.비산 강도나 흡착제의 원자의 변위에 대해서는 언급하지 않지만, 총 쌍극자 모멘트는 매트릭스 요소에서 연산자다.이것은 표면에 평행한 원자의 진동 또한 표면에 정상적인 쌍극자 모멘트의 진동을 일으킬 수 있기 때문에 중요하다.따라서 위의 "디폴 산란" 섹션의 결과는 정확하게 정확하지 않다.null

선택 규칙에서 정보를 얻으려고 할 때는 순수 쌍극자 또는 충격 산란 영역을 조사하는지 신중히 고려해야 한다.표면에 강한 바인딩으로 인한 추가적인 대칭 파괴가 고려되어야 한다.또 다른 문제는 더 큰 분자의 경우 많은 진동 모드가 퇴화되는데, 이것은 강한 분자-표면 상호작용에 의해 다시 해결될 수 있다는 것이다.또한 그러한 상호작용은 분자가 스스로 갖지 못한 완전히 새로운 쌍극자 모멘트를 생성할 수 있다.그러나 주의 깊게 조사할 때 보통 쌍극모드의 분석을 통해 분자가 표면에 어떻게 달라붙는지를 아주 잘 파악할 수 있다.^{[citation needed]}null

고해상도 전자 에너지 손실 분광계

HREELS 설정의 원리

HREELS에 사용되는 전자는 낮은 에너지를 가지기 때문에 샘플 재료에서 매우 짧은 평균 자유 경로 길이뿐만 아니라 정상적인 대기 조건에서도 자유 경로 길이를 가진다.따라서 UHV에 분광계를 설치해야 한다.분광계는 일반적으로 컴퓨터 시뮬레이션 설계로 허용 가능한 전자 유량을 유지하면서 분해능을 최적화한다.null

전자는 전자 소스에서 생성되는데, 텅스텐 음극을 가열하여, 이는 표류 전자가 검출기 장치로 들어오는 것을 방지하는 소위 리펠러라고 불리는 음전하로 캡슐화된다.전자는 렌즈 시스템을 통해서만 선원을 떠날 수 있다. 예를 들어, 여러 개의 슬릿으로 구성된 슬롯 렌즈 시스템처럼.이 체계의 목적은 전자를 단색화기의 입구에 집중시켜 높은 초기 전자 유량을 얻는 것이다.null

단색화기는 보통 동심 반구형 분석기(CHA)이다.보다 민감한 설정에서는 사전 모노크롬화기가 추가로 사용된다.단색화기의 과제는 전자렌즈의 도움으로 지나가는 전자의 에너지를 일부 eV로 줄이는 것이다.그것은 또한 선택된 초기 에너지를 가진 전자들만을 통과하게 한다.양호한 분해능을 달성하기 위해서는 일반적으로 잘 정의된 에너지의 입사 전자가 단색화기에 대해 ${\frac {\Delta E_{M}}{E_{i}}}$ ${\frac {\Delta E_{M}}{E_{i}}}$ ${\frac {\Delta E_{M}}{E_{i}}}$ ${\frac {\Delta E_{M}}{E_{i}}}$ E ${\frac {\Delta E_{M}}{E_{i}}}$ ${\$ 의 분해능을 선택하는 것이 이미 중요하다.즉, 단색화기를 10 eV로 떠나는 전자는 10⁻¹ eV로 정확한 에너지를 갖는다.그러면 빔의 유속이 10 A에서⁻⁸ 10⁻¹⁰ A의 순서로 된다.CHA의 반지름은 몇 10 mm의 순서로 되어 있다.그리고 디플렉터 전극에는 잘못된 E로_i 전자의 배경을 줄이기 위해 벽에서 반사되는 전자를 백스캐터하기 위한 톱니 프로필이 있다.그리고 나서 전자는 렌즈 시스템에 의해 샘플에 집중된다.이 렌즈들은 방출체와는 반대로 매우 유연하다. 왜냐하면 샘플에 잘 초점을 맞추는 것이 중요하기 때문이다.각도 분포의 측정을 활성화하기 위해 모든 원소는 표본에서 축을 캔으로 하여 회전 가능한 표에 탑재된다.그것의 음전하는 전자 빔을 넓히는 원인이 된다.CHA 디플렉터의 상단 및 하단 플레이트를 음극으로 충전하여 방지할 수 있는 사항무엇이 다시 편향 각도에 변화를 일으키며 실험을 설계할 때 고려해야 한다.null

표본의 산란 과정에서 전자는 10⁻² eV에서 최대 몇 개의 전자 전압까지 에너지를 잃을 수 있다.입사 빔보다 약 10개의⁻³ 낮은 유속인 산란 전자 빔은 분석기, 또 다른 CHA로 들어간다.null

분석기 CHA는 다시 특정 에너지의 전자만 분석 단위인 채널 전자 곱셈기(CEM)로 통과할 수 있도록 허용한다. 이 분석은 단색화기에 대해서도 동일한 사실이 유효하다.단색화기에서와 ${\sqrt {2/5}}$ 2 / ${\sqrt {2/5}}$ {\ $displaystyle$ {\ $sqrt{2/5}}}$ 의 $\sqrt{2/5}$ 높은 해상도를 원하는 것을 제외한다.따라서 이 CHA의 방사형 치수는 대부분 인자 2처럼 크다.렌즈 시스템의 이상 때문에 빔도 넓어졌다.분석기에 충분히 높은 전자 유량을 유지하기 위해 개구부는 또한 2인자 정도 더 크다.분석을 보다 정확하게 하기 위해, 특히 디플렉터 산란 전자의 배경을 줄이기 위해 종종 두 개의 분석기를 사용하거나, 잘못된 에너지의 산란 전자가 일반적으로 큰 각도로 CA를 남기기 때문에 분석기 뒤에 구멍을 추가한다.이러한 방법으로 10 eV에서 10 eV까지의 에너지⁻² 손실을 약 10⁻² eV의 정확도로 감지할 수 있다.null

HREEL 분광기의 일반적 문제

전자 흐름 때문에 조리개들은 음전하가 될 수 있으며, 이는 지나가는 전자에 대해 효과적으로 작아지게 한다.이는 리펠러, 렌즈, 선별 요소 및 반사경의 다른 전위를 일정하게 유지하는 것이 어쨌든 어렵기 때문에 설정 설계를 수행할 때 고려되어야 한다.렌즈 또는 CHA 디플렉터의 전위가 불안정할 경우 측정된 신호에 변동이 발생할 수 있다.유사한 문제는 외부 전기장이나 자기장에 의해 발생하며, 신호의 변동을 일으키거나 일정한 오프셋을 추가한다.그렇기 때문에 샘플은 일반적으로 등전위 금속 전극으로 차폐되어 샘플 필드의 영역을 자유롭게 유지하여 프로브 전자나 샘플이 외부 전기장의 영향을 받지 않도록 한다.또한 실험에서 자기장 또는 자기장 불균형을 10 mG 또는 1 mG/cm 이하로 유지하기 위해 전체 분광계 주위에 Mu-metal과 같은 자기 투과성이 높은 물질의 실린더.같은 이유 때문에 일반적으로 코팅된 구리로 만들어진 렌즈를 제외한 모든 실험은 스테인리스 반자성강으로 설계되고 가능한 한 절연 부분은 피한다.null

참고 항목

전자 에너지 손실 분광기

참조

^ Krivanek, Ondrej L.; Lovejoy, Tracy C.; Dellby, Niklas; Aoki, Toshihiro; Carpenter, R. W.; Rez, Peter; Soignard, Emmanuel; Zhu, Jiangtao; Batson, Philip E.; Lagos, Maureen J.; Egerton, Ray F. (2014). "Vibrational spectroscopy in the electron microscope". Nature. 514 (7521): 209–212. doi:10.1038/nature13870. ISSN 0028-0836. PMID 25297434.
^ Venkatraman, Kartik; Levin, Barnaby D.A.; March, Katia; Rez, Peter; Crozier, Peter A. (2019). "Vibrational spectroscopy at atomic resolution with electron impact scattering". Nature Physics. arXiv:1812.08895. doi:10.1038/s41567-019-0675-5.
^ E.Evans; D.L. Mills (1972). "Theory of Inelastic Scattering of Slow Electrons by Long-Wavelength Surface Optical Phonons". Phys. Rev. B. doi:10.1103/PhysRevB.5.4126.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)

참고 문헌 목록

Brydson, R. (2001). Electron Energy Loss Spectroscopy. Electron Energy Loss Spectroscopy.
Ertl, G; J. Küppers (1985). Low Energy Electrons and Surface Chemistry. VCH, Weinheim.
Ibach, H. (1977). Electron Spectroscopy for Surface Analysis. Springer, Berlin, Heidelberg.
Ibach, H. (1991). Electron Energy Loss Spectrometers. Springer, Berlin, Heidelberg.
Ibach, H.; D.L. Mills (1982). Electron Energy Loss Spectroscopy and Surface Vibrations. Academic Press, New York.
A.A. Lucas; M. Sunjic (1971). "Fast-Electron Spectroscopy of Surface Excitations". Phys. Rev. Lett. doi:10.1103/PhysRevLett.26.229.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)

외부 링크

[1] Krivanek, Ondrej L.; Lovejoy, Tracy C.; Dellby, Niklas; Aoki, Toshihiro; Carpenter, R. W.; Rez, Peter; Soignard, Emmanuel; Zhu, Jiangtao; Batson, Philip E.; Lagos, Maureen J.; Egerton, Ray F. (2014). "Vibrational spectroscopy in the electron microscope". Nature. 514 (7521): 209–212. doi:10.1038/nature13870. ISSN 0028-0836. PMID 25297434.

[2] Venkatraman, Kartik; Levin, Barnaby D.A.; March, Katia; Rez, Peter; Crozier, Peter A. (2019). "Vibrational spectroscopy at atomic resolution with electron impact scattering". Nature Physics. arXiv:1812.08895. doi:10.1038/s41567-019-0675-5.

[EvansMills-3] E.Evans; D.L. Mills (1972). "Theory of Inelastic Scattering of Slow Electrons by Long-Wavelength Surface Optical Phonons". Phys. Rev. B. doi:10.1103/PhysRevB.5.4126.{{cite journal}}: CS1 maint: 작성자 매개변수 사용(링크)

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