EELS Flashcards
(148 cards)
1
Q
Fordeler og ulemper med inelastisk spredning
A
Fordeler:
- Inelastisk spredte elektroner gir krystallografisk informasjon via Kikuchi og HOLZ linjer i diffrkasjonsmønsteret
- Fin detaljer i refleksene i CBED mønsteret
- Eksitasjonsprosesser og -fenomener relatert til materialegenskaper og struktur kan samles i et EELS spekter.
Ulemper:
- Kromatisk aberrasjon fra energitapselektroner som følger ulik veilengder i objektiv aperturen begrenser bildeoppløsningen
- Prøveødeleggelse igjennom hyppig produksjon av fononer
2
Q
Hva er en PEELS, GIF og Ω-filter?
A
Parallel Energy-Loss Electron Spectrometer
- Spektrometer utviklet av Gatan som bruker et magnetisk prisme system for å dispersere elektroner med ulike energi. Den magnetiske sektoren kan også bli sett på som en linse. Sitter etter prøven.
Gatan Image Filter (GIF)
- Energifilter som velger elektroner baser på deres fart ved å balansere et et magnetisk prisme/sektor med et elektrostatisk speil. Ofte plassert som en tilleggsdel etter PEELS-en.
Ω-filter
- Energifilter uviklet av JEOL som sitter integrert i TEM kolonnen og sitter mellom prøven og utsiktsskjermen/detektoren. Ω kommer av formen på filteret.
3
Q
Fordeler med magnetisk prisme over elektrostatisk eller en kombinasjon
A
- Kompakt og enkelt grensesnitt med TEM-en
- Betydelig energioppløsning for å differensiere alle elementer av den periodiske tabell i spekteret
- Mulig å dispersere elektroner i energirekkevidden 100-400keV
4
Q
Hvordan korrigerer den magnetiske prisme for aberrasjoner fra av-akse elektroner?
A
Spektrometeret er en aksisk asymmetrisk linse (eneste i TEM-en). Vanlige er korrigert for tredjeordens aberrasjoner. Kvadrupler, sektupler og andre fokuserende elektronikk er brukt for å begrense høyere ordens aberrasjoner.
5
Q
Definisjon av dispersjon
A
Avstanden i et spektrum (dx) mellom elektroner som har forskjellig energi med dE
Merk: Typisk forstørret med 15 for dE/dx oppløsning ned til 1eV
6
Q
Hva avgjør spektrometeroppløsningen? Gi eksempler for ulike kilder
A
Energioppløsningen er definert ved FWHM av en fokusert ZLP. Typisk avgjort brightness (strømtetthet/areal) av elektronkilden.
β = 4ie/πd0α0
Ved 100kV (mulig med enda lavere med monokromator-> 0.1meV)
- Termioniske W: 3 eV (Gaussisk)
- Termionisk LaB6: 1.5 eV (Gaussisk)
- Termionisk Schottkey FEG: 0.7 eV
- Cold FEG: 0.3 eV (Asymmetrisk pga tunneling)
Design av kilde primært avhenger av arbeidsfunksjonen, arealet til kilden og konvergeringsvinkelen.
7
Q
Hva inneholder spektrometer objektivplanet når vi operer i diffraksjons- og bildemodus?
A
Motsatt
8
Q
Hva avgjør den effektive samlingsvinkelen i dedikert STEM, bildemodus og diffraksjonsmodus?
A
- DSTEM: β = d/2h hvor d er inngangsaperturen og h er avstanden mellom aperturen og prøven. h er vanligvis 100 mm. d kan typisk være 1 mm.
- Bildemodus: Uavhengig av inngangsaperturen, men heller bestemt av kameralengden via magnifiseringen av DP mønsteret og den maksimale radiusen av DP-en i fokalplanet til spektrometeret. β = re/L
- Diffraksjonsmodus: Inngangsaperturen kan begrense samlingsvinkelen direkte og vil være linket til konvergeringsvinkeln av bilde som formes ved prosjektor linsen. β = D d / D a L hvor er avstanden mellom prosjektorkrysningen og avbildningsplanet og D a er avstanden mellom krysningen og inngangsaperturen.
For alle ønsker vi β typisk til 5 mrad.
9
Q
Retningslinjer for valg av samlingsvinkel
A
- Generelt, en stor samlingsvinkel vil gi en høy intensitet men dårlig energioppløsning
- Hvis du samler spekteret ditt i bildemodus uten en objektiv aperture vil du ikke begrense energioppløsningen men få veldig dårlig romligoppløsning.
- Hvis du er i diffraksjonsmodus og kontrollerer β med inngangsaperturen vil en stor aperture gi lavere energioppløsning og motsatt.
- Generelt, mindre samlingsvinkler gir høyere signal-til-støy forhold i spekteret
10
Q
Hvilke problemer finnes ved PEELS-en?
A
Artifekter:
- Høy lekasjestrøm -> Dårlig diode -> Fjern mørkestrømmen med software
- Kannal-til-kanal forsterkningsvariasjon -> Forskjellig dioderesponse ->Samle spektre på forskjellige diode arrayer og sammenlegge
- Intern skannestøy -> Elektronisk utlesing -> Juster elektrnoikken og fjern mørketellinger
- Spøkelsestopper -> Metning av diode -> Kjør flere utlesninger
- Ikke-linæreresponser -> YAG scintilatoren er skadet -> Bytt scintillator
Utstrekning pga PSFa
11
Q
Hvordan fungerer hovedsakelig in monokromator?
A
En monokromator er effektivt et EELS system tilpasset på en elektronkilde som bruker perpendikulære eletrostatiske og magnetiske felt for å velge ut elektroner som reiser i en rett linje i filteret (balansere krefter og løser for farten)
12
Q
Røflig, hvordan klassifiserer vi spredningbegivenhetsbidrag i EELS?
A
Enslig, plural (1<events<20), multiple (20<events)
13
Q
List noen typiske energitapsprosesser?
A
Low-loss:
- Fononspredning - EL < 0.1eV
- Inter- og intrabånd (enkel spredning) - 2 < EL < 20 eV
- Plasmon interaksjoner - 5 < EL < 30 eV
Core-loss:
- Indreskallionisering - 50 < EL < 2000 eV
14
Q
Hva er karakteristiske spredningsvinkler?
A
Det er den mest sannsynlige spredningsvinkelen for en gitt energitapsprosess. Den vil være toppen på Betheryggen.
Ikke-relativistisk: θE = EL/ (2E)0
Relativistisk: θE = EL/ (0.5*γmv2)
Avkutningsvinkel: θc = (2*θE)1/2
Relavtivt lave spredningsvinkler opp mot 7-8 mrad sammenlignet med spredningsvinkler til krystallografiske reflekser 10++ mrad.
15
Q
Har ZLP-en kun nullenergitapselektroner?
A
Nei! Potensielt bidrag fra pluralspredning, fononer, inter/intrabånd, osv…
16
Q
Hvordan kan du fjerne bakgrunnen?
A
- Bruke en monokromator
- Dekonvoluering for å fjerne pluralspredning ved høye energitap
- Tilpasse med en polynomfunksjon
17
Q
Hvilke fordeler har energifiltrering på avbildning og diffraksjonsmønstre?
A
- Forberede romligoppløsning i bilde ved å ta bort kromatisk aberrasjon
- Forsterke bildekontrast uansett hvilke operasjonsmekanisme
- Forberede kontrasten i diffraksjonsmodus. Tar bort diffusespredning mellom refleksene og effekten av at inelastisk spredte elektroner drar ut utslukningsfeilen som reduserer diffraksjonskontrast
- Fremheve findetaljer i avbildning og diffraksjonsmønstre
- Fasekontrast er fremhevet ved at man fjerner diffuse spredning i bakgrunnen
Merk: Vi effektivt fjerner plasmontoppene.
18
Q
Hvordan kan du gjøre faseidentifiseringer i low-loss?
A
Fingerprinting prosess som sammenligner spektra fra databaser opp mot formen på plasmontopper og båndgap/struktur
19
Q
Hvordan kan vi gjøre dielektriskemålinger fra EELS?
A
Ved å anta en fri-elektron modell (Drudemodell) vil intensitene vi ser i spekteret være relatert til den imaginære delen av den dielektriskekonstanten og dermed permittiviteten fra veldig lave energitap. Det vil være sammenlignbart med UV-spektroskopi. Man kan få energiavhengigheten til den dielektriskefunksjonen via Kramer-Kroniger ligningen.
20
Q
Hvordan får du det beste low-loss spekteret?
A
Du trenger en FEG, høy-oppløselig og høy-dispersivende spektrometer, og ideelt sett også en monokromator for å fjerne ZLP.
21
Q
Hva er plasmoner?
A
Kollektive oscillasjoner av frie elektroner for å motvirke elektriskefelt i materialet. Primært longitudinal i bulk, men finnes også mer kompleksenoder blant annet på overflater. Modelleres via forflytningen av elektroner lignende en klassisk kondensator og den gjennopprettende kraften som dannes av elektriskefeltet. Modellerer til slutt som en enkel harmonisk oscillator med kvanifiserte energier primært relatert til elektrontettheten.
22
Q
Hvordan måler du tykkelse med plasmoner?
A
Plasmoner følger en Poissonstatistikk for sannsynligheten for at slike spredningsbegivenheter inntreffer. Tykkelsen vil da være relatert til den gjennomsnittligefrielengden elektronene kan propagere i materialet og forholdstallet mellom nulltapstoppen og plasmonene (hele spekteret).
23
Q
Hvilken informasjon kan du dra ut fra low-loss spekteret for enkle spredningsevent?
A
Du kan studere båndgapet som kommer av elektrontapet fra overgangen mellom et valenselektron som blir eksitert til stand i ledningsbåndet.
24
Q
List hva du kan bruke low-loss spekteret til
A
Man kan finne:
- Lokale dielektriske funksjonen
- Frie elektrontettheten
- Tykkelsen
- Båndgapet
- Observere inter/intrabånd overganger
- Kjemiske bilder og dermed identifisere elementer
25
Hva kan en skift i plasmontoppen bety?
I noen binære sammensetningsystemer kan en finne komposisjonen ved å se på en skift i plasmon-toppen. Det skjer på grunn av interaksjoner med molekulære orbitaler.
26
Sammenlign fluorescerende utbytte for XEDS og EELS - Hva er forskjellig?
De detekterte elektronene i EELS kommer fra primær prosessen som ioniserte kjerneatomer, mens XEDS har en begrensning for analyse av lette elementer pga de konkurrende prosessene mellom produksjon av x-ray og Auger elektroner hvor sistnevnte dominerer for lette elementer. XEDS dektere sekundære prosessen av emittering av røntgenstråling. Merk at geometrien til detektorene er også viktig her. Resultatet er mye høyere effektivitet i EELS, i tillegg bærer EELS kjemisk informasjon om bånd og omgivelser mens EXEDS spektrum kun har element informasjon.
27
Hvorfor pleier vi å bruke L og M kanter heller enn K når vi core-loss analyse?
K-skall elektroner trenger mer energi for å bli kastet ut ettersom Z øker siden de da vil være tettere bundet til kjernen. K-skallet er det innerste skallet og vil da være "dypest" i energibrønden" vår. Ofte bedre signal på L- og M-kantene.
Sammenlignet med plasmon eksiteringer som krever mye mindre energi så er også ioniseringstverrsnittet relativetlig lite og har en stor gjennomsnittligfribevegelse. Derfor er intensitetene mindre, og blir mindre for høyere energier, som gjør det vanlig å velge L og M kanter.
Det er også storsannsynlighet for pluralspredning og dermed en konvoluering av low-loss spekteret som betyr at nok intensitet blir viktig.
28
Full ut nomenklaturen for de følgende kantene:
- K, L1, L2/3, M1, M2/3, og M4/5
- K = 1s med spin 1/2
- L1 = 2s med spin 1/2
- L2 og L3 = 2p med spin 1/2 og 3/2
- M1 = 3s med spin 1/2
- M2 og M3 = 3p med spin 1/2 og 3/2
- M4 og M5 = 3d med spin 3/2 og 5/2
29
Hva er ELNES?
Energy-loss near-edge structure: Interessert i findetaljene som dannes nær ioniseringskanten til et indre-skall elektroner som ustrekker seg ~50eV etter kanten. Finstrukturen oscilleringene vi ser her forteller oss om båndeffekter og partial DOS.
30
Hva er EXELFS?
Extended energy-loss fine structure: Små intensitets oscillasjoner >50 eV etter ioniseringskanten formes av diffraksjonseffekter fra de næreste naboatomene, og kan bli brukt for å studere amorge materialer med PDF. Analogt til Extended x-ray absorpsjon fine structure (EXAFS).
31
Hva er den kritiske ioniseringskanten?
Den kritiske ioniseringskanten er den laveste energien vi signerer til energiovergangen fra energioverføringen fra strålelektroner til et indreskallelektron som bryter bindingsenergien og eksiterer det til en høyere energitilstand.
Ioniseringstverrsnittet minker gradvis etter ionisieringstoppen som kommer etter kanten. Se for deg hydrogenic modellen for ionisering av et hydrogen atom med litt sprinkled finjusterte detaljer.
32
Hva er forskjellen på hydrogenic og Hartree-Slater modellen?
Begge er interessert i å beskrive bølgefunksjonen til et atom for å studere et kvantemekanisksystem. Hydrogenic tar utgangspunkt i et isolert Hydrogen-atom og skallerer det opp linært til andre elementer. God model for absolutt tverrsnitt, men mister mye detaljer som dannes i ELNES. Egerton utviklet SIGMAK og SIGMAL utregninger for dette. Merk at de neglegerer effekten av ytreskallelektroner.
Hartree-Slater tar utgangspunkt i en fri elektronsky og løser bølgefunksjonen til elektronene som helhet, og denne utregningen er vanskeligere men er mer korrekt for findetaljene som oppstår nær kanten som kommer av partial DOS til det atomet. Spesielt bedre for M og L skall (til og med N).
33
Hva er vinkeldistribusjonen til ioniseringstapselektronene?
De varierer med 1/(θ2+θE2), og vil være på topp på θ = 0 som er fremover spredt elektroner. Merk siden vi er ved ekstremt høye energitap (>50kev) så vil avslutningsvinkelen være veldig høy!
Område vi bruker for analyse er typisk ~0.2 til 10 mrad, mens avslutningsvinkelen strekker seg til ~25 til 200 mrads. Sterkt fremoverspredt. Kan bruke en spektrometerinngangsaperture på 10 mrad og samle inn 50-100% av elektroneren!
34
Hva er Betheryggen?
Det er en toppen til vinkeldistribusjonen knyttet til en spesifikt energitap som tar sted ved θE.
35
Se for deg/Tegn EELS spekteret i relasjon til energibrønn i materialet ditt og forklar hvor ZLP, plasmontoppene og kjernetapsprosessene er i denne.
- ZLP er over energibrønnen vår siden disse elektronene ikke interagerer med atomet.
- Plasmontoppen kommer fra interaksjon med valens/ledningsbånd elektroner rett under Ferminivået.
- Relativ poisjon til indreskall ioniseringskantene kommer av jo nærmere kjernen, jo dypere i energibrønnen, og jo mer energi kreves for å eject et elektron.
- Merk at DOS vil være forskjellig for valenselektroner til ulike atomer i materialet (eks. NiO for 3d til O og Ni).
- Viktig at kjerneelektronene har nok energi til å bli eksitert til en ledig tilstand.
36
Du skal ta opp et high-loss spektrum - hva gjør du med:
(1) Stråleenergien?
(2) Konvergeringsvinkel?
(3) Strålestørrelse og strøm?
(4) Prøvetykkelse?
(5) Samlingsvinkel?
(1) Høyere strålenergi vil minke ioniseringstverrsnittet men også minke bakgrunnen fra pluralspredning. Resultatet er økt SN ratio, og er best så lenge det ikke skader prøven. Merk at det er en vinkelavhengighet også**
(2) Man må kontrollere α for kvantitativ analyse ved å kontrollere C2 aperturen/linsen hvis den er større enn β. Bør bruke en korreksjonsfaktor.
(3) Avhenger av eksperimentet (STEM mode eller TEM). Probestørrelsen blir viktig for romlig oppløsning, mens strålestrømmen blir viktig for signalintensiteten.
(4) Prøvetykkelsen bør være så liten for å minimere pluralspredningsbidrag. VIKTG!
(5) Avhenger av eksperiment. TEM mode uten objektiv aperture vil gi mye intensitet men dårlig romligoppløsning og da vil β >~100mrad. En liten spektrometer inngangsaperture vil gi god energioppløsning, og kan sammen med et mikroskop i diffraksjonsmodus gi god romlig oppløsning. β ~1-10mrad er som regel bra så lenge det er mye kortere enn Braggvinkler!
37
Hvilken energioppløsning trenger du røflig for elementanalyse i EELS?
~5 eV for her bryr vi oss om totalt tverrsnitt og ikke finstruktur. Energioppløsningen vil være begrenset av kilden hvis vi ikke har en monokromator.
38
Hvordan styrer du energitapsområde du ser på?
Det gjør vi ved å konrollere utgangskanalen i detektoren vår samt dispersjonen av elektronene som vil si noe om eV/kanal. Vi har 2048 kanaler tilgjengelig på vårt computer display.
39
Hva bør du gjøre før du gjøre core-loss analyse?
- Fokuser og opplinjer ZLP og sjekk spektrometer oppløsningen
- Se på low-loss/plasmoner for å evaluere tykkelsen.
- Se etter SN ratioen til de forventede kantene.
- Lurt å dekonvulere ut PSF
40
Hva er jump-ratio?
En merit som sier oss noe om kvaliteten fra SN ratioen til ioniseringskanten i EELS spekteret. Bør være ~5 for Karbon kanten ved 284 eV fra en 50 nm karbonfilm ved 100 eV.
41
Hvordan utfører du kvanitativ EELS analyse?
For å kvantifisere et spektrum tar man å integrer intensiteten (I) til ioniseringskantene etter man har fjernet bakgrunnen av pluralspredning. Deretter finner du antall atomer (N) ansvarlig for I, og bruker en sensitivitetsfaktor kalt partial ioniseringstverrsnitt (σ).
42
Hvilken hovedantakelser er gjort i Egertonsutleding for kvantitativ element analyse i EELS?
Hovedantakelse: Enkelspredningsbegivenheter!
I tillegg har vi neglert tilbakespredning og absorpsjonseffekter samt brukt et integreringsvindu for analysen vår.
43
Hva er uttrykket for absolutt element kvantifisering for et atom i EELS? Hvordan kan du bruke det til å avgjøre støkiometrien?
N = Ik(βΔ) / (I1(βΔ) * σK(βΔ))
N: Antall atomer
I: Intensiteten knyttet til ionisering av det indreskallet
β: Samlingsvinkelen
Δ: Integreringsvinduet
I1: Total intensitet i spekteret vårt.
σK: Partial ioniseringstverrsnitt
I1 vil være lik for de ulike atomene, og ved å sette dem lik så kan man regne ut et forholdstall for NA/NB. . Her er det en sterk analogi til Cliff-Lorimer ligningen i XEDS.
44
Hvordan kan du fjerne bakgrunnen?
En mulighet er kurvetilpasning: I = A*Ε-r
Merk at r vil minke med økende prøvetykkelse, samlingsvinkel og elektronenergitap. Tilpasningsvinduet burde ikke være mindre enn 10 kanaler og mer enn 30% av EK. Vi har to tilpasningsvinduer ett før og ett etter, og bruker ofte minsterottilpasning for å optimere.
Alternativer er trevindumetoden, jump ratio metoden og maksimumsannsynlighetsmetoden.
45
Hva er GOS?
Generalized oscillator strength: Integrer man GOS får man oscillasjonsstyrken (γ) som måler responsen av atomet til inngangselektronet). Det er et bidrag/del av partial ioniseringstverrsnittet. Man bruker det typisk for å regne ut σK(βΔ). Alternativt kan man måle det eksperimentelt, men det krever nøye kontroll på parameterne!
46
Hva er som regel forskjellen på den observerte og ideell kanten?
En konvulering med low-loss profilen på grunn av plural spredning. Vi kan fjerne det med ulike dekonvuleringsmetoder som Fourier-log (dekonvulere så subtrahere bakgrunnen), Fourier-Ratio (subtrahere bakgrunnen så dekonvulere) eller Multiple least-square (når prøven ikke er uniform tykk). Pass på artifekter!
47
Kan konvergeringsvinkelen til inngangsstrålen påvirke EELS kvantifiseringen?
Ja, spesielt hvis den er større enn β. Da må vi korrigere ved å dekonvulere vinkeldistribusjonen av ioniseringstapselektronene.
48
Hva skjer hvis du er på en soneakse når du gjør kvantifisering i XEDS eller EELS?
Du kan oppleve kanaleffekter hvis du er ved Braggbetingelsene. Kalles Borrmanneffekt i XEDS.
49
Hva er delokalisering i EELS?
Delokalisering er ejection av et indreskall elektron fra passasjen av et høyenergielektron en viss avstand fra atomet.
50
Hva er avgjørende for den romligeoppløsningen i STEM-EELS?
Probestørrelsen og inngangsaperturen.
51
Hvilke parametere bør du optimalisere for å øke gjenkjenningsgrensen (detection limit) ?
- Kantintensiteten
- SN ratio (jump ratio)
- Effektiviteten til enkel detection
- Tiden for analysen
52
Hva er årsaken til ELNES?
Elektroner som er eksitert fra et indreskall vil ha en veldefinert startstilstand, men kan okkupere alle energitilstander over ferminivået/flaten, men siden de har en ugjevn sannsynlighetsdistribusjon vil noen overganger skje oftere enn andre, og finstrukturen som dannes innen de første 50 eV etter kanten vil da speile partial DOS til atomet.
Fysisk betyr dette at elektronet blir værende i omgivelsene i elektronskyen til atomet og vil fremdeles være under påkjenning av en Coulomn attrakasjon fra kjernen. Her behandler vi elektronet som en bølge, og vil "spres" fra atomer i det lokalemiljøet, og regnes som et pluralspredning. Det lokalemiljøet her vil være sterkt avhengig av båndene mellom atomene.
53
Hva er hvitelinjer?
Det er skarpe topper som dukker opp i elementer som har veldefinerte tommetilstander og ikke et bredt kontinium. For overgangsmetaller vil dette være L2,3, mens for rare-earth vil det være M4,5. For førstenevnt kommer det av at d-skallet har tomme tilstander.
54
Hvor kommer notasjonen s, p, d og f fra?
Beskrivelsen kommer fra atomiske spektral linjer fra de elektrontilstandene med visuelt sharp, principal, diffuse and fine spektra.
55
Hvor kommer hvitelinjer fra?
De kommer av en forskjell i energtilstander i det indreskallet på grunn av spin-orbital splitting. Elektronene vil kjenne en elektromagnetisk (Lorentzkraft) fra kjernen som vil være opplinjert eller motstående til spintilstanden til elektronet. Vekselvirkningen vil enten resultere i en høyere energitilstand (tettere bundet -> Sterkere kraft) eller en lavere (løsere bundet). Fra summeringen av kvantetallene for omdreiningsmomentumet (j = s+l) og Paulisekskluderingsprinsipp vil det være dobbelt så mange tilstander i L3 som L2. Merk at kun Fe tilnærmet følger dette i ELNES, og dette har med dipoleovergangsregler og fulle d-orbitaler å gjøre.
56
Hvor mange elektroner er det plass til i s, p, d og f orbitalene?
s = 2
p = 6
d = 10
f = 14
Kan lese av periodisketabell
57
Hva er dipole overgangsregler?
Dipole overgangsregler sier at for at en energiovergang skal ta sted så må det være et oddetall endring i omdreiningsmomentum kvantetallet mellom starts- og sluttilstanden.
Utledningen tar utgangspunkt i det inelastiske formfaktoren og kommer av det nødvendige overlappet mellom bølgefunksjonene i de to tilstandene. Regelen er et resultat av pariteten til bølgefunksjonene. Hvis starttilstanden har en oddeparitet så må sluttilstanden ha en even, og motstatt.
Dipoleovergangsregler er også for eks. grunnen til at vi ikke ser L1 som er i en s-tilstand l=0 og kan kun bli eksitert til en p-tilstand l =1, men ikke til d-tilstand l = 2 eller en annen s-tilstand.
58
Hva påvirker bredden på de hvitelinjene?
Praktisk så er det PSF og energioppløsningen, men teoretisk så er det Heisenberg sitt usikkerhetsprinsipp som avgjøres etter hvor lang tid det før den ioniserte tilstanden forfaller. En kortere variasjon i tid gir en bredere topp, og siden det ofte er flere prosesser som kan relaksere ned i L2 så er L3 skarpere og mer definert.
59
Hva er en Coster-Kronig overgang?
Det er en overgang hvor hullet i en L2 tilstand raskt blir fullt av et elektron i en L3 tilstand med samtidig ejection av et Auger elektron i en d-orbital.
60
Hva påvirker ELNES i det kjemiske miljøet?
Koordinasjonen, valenstilstanden og type bånd.
61
Hva er kjemisk skift?
Kjemisk skift kommer av en differanse i kant-onset energien til et indreskall ioniseringsovergang som kommer av endring i lokal atom miljøet. Eks. For et metaloksid med ioniske bånd så vil elektronene kationet (+) oppleve en sterke tiltrekning til kjernen som gjør at elektronet sitter dypere i brønnen, mens det motsatte vil skje med elektronene i anionet som vil kjenne en svakere tiltrekning til kjernen. Tiltrekningen baserer seg på endring i de elektrostatiskekreftene som refordeling av ladning.
62
List noen metoder for å regne ut ELNES mønster
Vi bruker ofte DFT og det er beskrivelsen av elektronpotensialet og -bølgene som er avgjørende faktor (siden elektronene vil påvirke andre er dette viktig!). Noen eksempler:
- Local-density approximation (LDA)
- Augmented plane wave (APW)
- Augmented Spherical wave.
63
Hva er en exciton og hvordan kan det påvirke ELNES?
En exciton er en kvasipartikkel fra vekselvirkningen mellom et elektron og hull. En slik bundet tilstand vil endre elektronmiljøet og dermed også DOS. Dette har med at livstiden til hullet er hovedskalig flere 105 ganger lenger enn eksiteringsprosessen. Hullet vil endre antall positive ladninger og dermed endre shielding effekten fra kjernen som kan flytte energioverganger dypere i brønnen.
64
Hvordan bøyes elektronene i det magnetiske prisme?
I et homogent magnetisk felt i sektoren vil Lorentz krefter bøye elektroner med lik energi i en bue med lik kurve.
65
Hvorfor fokuseres elektronene til samme punkt etter prisme?
Veilengden til de to vil være forskjellig gjennom prisme men ha lik kurve. Det er inngang og utgangs flatene til prismen, som også fungerer som en linse, som fokuserer dem til samme punkt.
66
Hvordan fungerer et serielt spektrometer?
I et serielt spektrometer vil en åpning være plassert i fokalpunktet til den magnetiske sektoren etterfulgt av en scintillator teller, og vi teller dermed kun de elektronene med rett kurve som vil ente åpningen. Vi varierer så styrken på det magnetiske feltet og danner et spektrum av I mot energitap.
67
Hvordan fungerer et parallelt spektrometer?
Her bruker man en fotodioderekke av scintillatorer som da vil være posisjonssensitive. Vi bruker derfra fire linser etter det magnetiske prisme til å magnifisere energidispersjonen før elektronene når scintillatoren.
68
Hva er fordelen av et parallelt spektrometer over et serielt?
Mye raskere data tilegnelse, men trenger kallibrering for pikselsensitivitet.
69
Hvorfor får vi et diffraksjonsmønster av prøven i det bakre fokal planet av spektrometeret når mikroskopet er i bildemodus?
Det har med den optiske koblingen mellom det magnetiske sektor spektrometeret til mikroskopet, som vanligvis danner et objektplan av spektrometeret ved det bakrefokalplanet til prosjektorlinsen.
70
Hvordan fungerer et Wien-filter og hva er tradeoff-en med det?
Bygger på balansering av konkurrende elektrostatiske og magnetiske krefter for å velge elektroner basert på deres fart.
Praktisk så opperer man med spenninger nærme elektronkilden som muliggjør sub-eV utvelgelse. Effektivt disperserer det først elektroner med ulik energi til ulike vinkler før den tillater kun energispesifikke til å gå gjennom en exit-aperture. En monokromert stråle ned til 0.1 eV oppløsning reduserer antall elektroner med opp mot 80%.
71
Hvilke vanlige kompromier er gjort når man bruker monokromator?
Man må gjøre et kompromi mellom brightnessen til bildet, elektron monokromeringen og størrelsen på proben.
72
Hva er ofte årsaken til skarpetopper i kjernekanter?
At elektroner blir eksitert fra veldefinerte utgangstilstander til uokkuperte veldefinerte sluttilstander, e.g., antibånding orbitaler.
73
Hva kaller fysikerne og kjemikerne tilstanden i ELNES spekteret?
Fysikkere kaller det tilstander over Ferminivået (som inkludere ledningsbåndet), mens kjemikere kaller det laveste uokkuperte molekulæreorbitaler (som inkluderer antibonding orbitaler).
74
Hvordan ser kjernekantene i EELS spekteret til enkle metaller ut?
De har nesten frie elektroner, og vil derfor ha en smooth kant uten skarpe trekk.
75
Hvordan vil overgangsmetaller og sjeldne jordartsmetaller sine kjernekanter se ut?
Slike elementer vil ha en høytetthet av tilstander over Ferminivået og ha skarpe trekk ved absorpsjonskanten assosiert me uokkuperte d- og f-tilstander.
76
Ved hvilke skall ser vi skarpe absorpsjonskanter for overgangsmetaller og sjeldne jordartsmetaller?
I dem som overholder dipole overgangsregler.
77
Hva påvirker intensitetene i de hvite linjene?
Intensitene i de hvite linjene kan bli forstått av det inelastiske tverrsnittet for kjerneskall ioniseringskanter hvor ψβ er uokkuperte 3d-orbitaler, mens ψα er okkuperte 2p kjernetilstander sentrert på Ni-atomet. Intensitetene vil være høyere når det er mer uokkuperte 3d tilstander (ρ(E)). ρ(E) representerer fast-stoff effekter, og vil endres med legeringer og kjemiskebånd.
For sjeldne jordartsmetaller så gjelder det samme, men nå kommer de fra okkuperte 3d (M4,5) tilstander til uokkuperte f-tilstander (N6,7)
78
Hvorfor kan vi bruke ELNES som fingeravtrykk for det lokalemiljøet rundt et material?
Fordi antall uokkuperte tilstander er sensitive til kjemisk og strukturelle miljøet rundt the eksiterte atomet. Spesielt nyttig når elektroniske utregninger ikke er mulig.
79
Hvilke trekk ser vi vanligvis i absorpsjonskantene i halvledere og isolatorer?
Vi ser ofte markant struktur ved absorpsjonskanten som skyldes eksiteringer av kjerneelektroner i uokkuperte tilstander over båndgapet.
80
Hva endres i ELNES når det kjemiske miljøet endres?
Endringer i det kjemiske miljøet rundt et atom kan endre energien til de laveste uokkuperte tilstandene, og derfor flytte onset energien av kjernekanten. "Chemical shifts" av absorpsjonskanten reflekterer derfor endring i energi av uokkuperte tilstander, men de reflektere altså også endringen i kjernetilstandene (mer subtilt) igjennom endringer i elektron-elektron vekselvirkningene.
81
Hva skjer med ELNES under ionisering?
Ta for eksempel LiF hvor Li + har gitt et yttre elektron til F. Tapet av elektronet vil påføre en skift i K-kanten til høyere energitap på grunn reduserte skjerming av den positive ladningen til kjernen. Dette er hovedgrunnen for alle elementer for skift i energi av kjerneelektroner på grunn av intraatomiske skjerming.
82
Hvordan påvirker et kjernehull ELNES?
Dette er komplekst, men en enkel tilnærming er at ladningen til kjernen går effektivt fra Z til Z+1, og vil øke bindingsenergien for de andre elektronene.
83
Hva er energiområdet til ELNES og EXELFS?
Mellom edge onset og 50 eV, mens EXELF er over 50 eV (noen ganger 30 eV).
84
Hva bruker vi som betegnelsen for når EXELFS starter?
Det energinivået når den utgående elektronet kan bli sett på som fri.
85
Hva er årsaken til oscillasjoner i EXELFS?
Selfinterference mellom den utgående elektronbølgen og tilbakespredte bølger fra nærmestenaboskall i atomer. Konstruktiv og destruktiv interference skjer med endringer i bølgelengde. Beskriver det med en sinusbølge basert på avstanden til nærmeste nabo som får et faseskift fra sentral- og naboatomet.
86
Hva påvirker atomparavstanden i EXELFS?
Temperature og uorden vil påvirke den lokale strukturen.
87
Hva er den generelle prosedyren for å ta opp EXELFS data?
Man fjerner bakgrunnen, konverter til k-space og tar Fourier transformen. Dette gir atomparavstander til andre nabo.
88
Hva er generell utledelse for plasmon frekvenser?
- Modellere elektronskyforskyvningen som en flate kondensator (ladningsforstyrrelsen) med en forskyvning på x med en elektrostatisk gjennopprettendekraft.
- Modellere med Newtonisk mekanikk og løs for akselerasjon
- Identifisier at løsningen på differensial ligningen er bevegelsen til en udempet harmonisk oscillator.
89
Hva representerer elektrontettheten i plasmon frekvensen i vår mekaniske oscillator analogi?
Stivhet. Jo høyere elektrontetthet jo høyere plasmon frekvens.
90
Hvorfor har ikke plasmoner lang levetid?
Ofte fordi de promoterer til eksiteringer av elektroner nære Fermienergien. En kort levetid resulterer i bredetopper pga Heisenberg sitt usikkerhetsprinsipp.
91
Hvordan påvirker DOS plasmontoppene?
Frie elektroner i metaller (eks. Al) har skarpere topper enn plasmontopper i overgangsmetaller som har en høyere DOS.
92
Hvilken statistisk modell følger plasmon eksitering?
Poisson
93
Hvordan kan du måle tykkelse i low loss?
Tykkelse over mean free path er lik ln av forholdstallet mellom intensiteten til og med den n plasmontoppen over nulltapstoppen. (Utledes fra Poissson statistikken)
94
Hva er mean free path for Si?
115 nm
95
Hvordan kan du måle absolutt tykkelse med low-loss?
Hvis man vet komposisjonen så kan man estimere mean free path basert på gjennomsnittlig atomnummer, og løse for t.
96
Hva er fordelen med tykkelses målinger over CBED?
- Kan bli utført på en rekke prøvetykkelser. Selv veldig tynne.
- Fungerer på amorfe materialer.
- Mer tidseffektiv.
97
Hva skjer med total energi og momentumoverføring i inelastisk spredning?
Den er bevart men blir redistribuert over atom- og stråleelektronet.
98
For inelastisk spredning hva skjer med bølgevektoren til stråleelektronet?
Den kan endre både størrelse og retning. Dette gir en ekstra grad av frihet sammenlignet med elastisk spredning.
99
Hva er vinkelendringen fra inelastisk spredning for stråleelektronet ved den minste endringen i bølgevektoren?
Den er null! Den er fremoverspredt. Tegn Evaldsfæren og inelastisk spredning.
φ = 0 mens E er ikke lik 0.
Vi kaller dette soft spredning med stor innvirkningsgrad hvor sistnevnte betyr at stråleelektronet ikke passerer nærme sentrum av atomet. For små endringer i bølgevektor vil spredningen være sensitiv til store trekk fra store avstander av spredningspotentialet.
Merk: Dette er akkurat ved absorpsjonskanten!
100
Hvordan er endringen i bølgevektor når energitapet knyttet til spredningen er merkbart høyere enn absorpsjonskanten?
Da vil den spre til høyere vinkler og representere hard kollisjon med liten innvirkningsgrad som betyr at den passerer nærmere "sprederen". Dette vil være i dette tilfelle elektronet!
For større energitap så vil dette gå mot en gitt spredningsvinkel etter klassisk elastisk spredning (Rutherford), og resulterer i Bethe ryggen!
101
Hvorfor bryr vi oss typisk kun om spredningsvinkelen og ikke andre vinkler når vi regner ut dobbel-diffrensial tverrsnittet?
Sylindrisk symmetri.
102
Hvorfor bruker vi Dirac sin braket notasjon?
Siden to elektroner er involvert i kvantesystemet vårt
103
For inelastisk spredningsfaktor derivasjon: Hvordan kan du beskrive bølgen til stråleelektronet før interaksjonen?
Planbølge. Også etter ved å anta at detektoren er langt unna.
104
For inelastisk spredningsfaktor derivasjon: Hvordan kan du beskrive bølgen til atomelektronet før interaksjonen?
Basert på atomet og dens elektronorbitaler. Vanligvis en sfærisk eller plan bølge tilstand. Kan også løse for den radielle og sfæriske schrödinger ligningen.
105
Hva må du gjøre med Hamiltonian operatoren før du løser Schrödinger ligningen?
Man må perturbere når elektronene kommer nærme nok hverandre til å interegere. Den perturberte bidrag må innehold Coulombvekselvirkningen mellom elektronene samt det elektrostatiskepotensialet til atomet.
106
Hvilken teori bli brukt for å løse for bølgefunksjonen til stråleelektronet etter vekselvirkningen?
Tidsuavhengig perturberingsteori og gir en sfærisk bølge ganget med formfaktoren hvor formfaktoren er avhengig av perturbasjonen.
107
Hvorfor forsvinner bidraget fra atompotensialet i formfaktoren?
Fordi ψβ og ψα må være forskjellig energitilstander for atomelektronene, og dermed vil deres vektorer i Hilbertrommet være orthogonale og vi ikke har et overlapp. For elastisk så er disse like og derfor forsvant ikke dette bidraget.
108
Hva effektivt er den inelastiske form faktoren?
Det er amplituden til den utgående høyenergielektronbølgefunksjonen langd retningen k = k0 + Δk når stråleelektronet har eksitert atomovergangen fra ψα til ψβ.
109
Hva er forskjellen på elektrontettheten i elastisk og inelastisk spredning? Hvordan kan man tenke over dette?
Man kan tenke over det som at langs retningen k = k0 + Δk, vil wavelets bli emittert fra et subvolum av atomet. Hver wavelet har en relativ faseendring og aplitude som et proposjonal til elektrontettheten i elastisk spredning. Den fulle bølgefronten er den sammenhengende summen av wavelets fra alle volum av atomet vektet av elektrontettheten. For elastisk spredning er det ρ(r) = ψα*(r) ψα(r), mens for inelastisk er det overlappet mellom ρ(r)' = ψβ*(r) ψα(r)
110
Hvor kommer uttrykket Δk-2 fra i utledingen av elastisk formfaktor?
Matematisk så kom det fra integralet av et sentrosymmetrisk potensial, som fysisk var fourier transformen av Coulomb potensialet til atomet.
111
Hvorfor ser vi et hopp i intensitet for kantovergangen?
Kanskje litt diffuse spørmål, men ville få frem at det har med Pauli sitt ekskluderingsprinsipp som sier at energitilstanden som atomet må hoppe til må være uokkupert.
112
Hvilken del av prosessen kan gjøre at vår beskrivelse av ψβ og ψα kanskje ikke er helt presis?
Et kjernehull vil endre bølgefunksjonene. Det kan også fast-stoff effekter fra bånd som vil endre DOS og dermed energitilstandene.
113
Hvorfor må vi skalere dobbel differensial tverrsnittet vårt med ρ(E)dE? Hva er ρ(E)dE?
ρ(E)dE er antall tilstanden i energiintervallet i continuumet. Det vil altså bli integralet av uokkuperte tilstander tilgjengelig til atomelektronet å bli eksitert inn i. Vi må skalere med dette for å beskrive den korrekte sannsynligheten for eksiteringsprosessen for å finne ioniseringstverrsnittet.
114
Hva er GOS?
Generalized oscillator strength og er isolert spredningsegenskaper til atomet. Det er effektivt sannsynligheten for overgangen normalisert med en faktor relatert til energi og momentum overføringen.
115
Hvilken approksimering er brukt for å beskrive ioniseringstverrsnittet som funksjon av vinkelspredningen?
Den karakteristiskevinkelen for energitapet er lik φE=Δk/k0, og da kan vi approksimere Δkp = k02(φ2 + φE2)
116
Hvorfor differer φE fra det av Newtonian mekanikk?
Det er fordi det er en endring i masseenergi lik stråleelektronet etter spredning. Energitapet er stort nok for at bølgelengden endres mindre enn antatt av ikke-relativistisk tilnærming.
φE = E/2γT = ish E/2E0
117
Hva er røflig størrelses ordene for karakteristisk spredningsvinkler for φE og φ0?
φ0 = ish 100*φE
118
Hva er aksene på Betheoverflaten?
{ln(φ), E}
119
Hvordan kan du relatere inngangsaperturen til Betheoverflaten?
Man kutter effektivt spredningen over en vis φ. Signalet er derfor integralet av intensiteten innenfor dette området.
120
Hvorfor trenger vi en stor samlingsaperture selv om ioniseringskanter og inelastisk spredning er sterkt fremoverspredt?
Siden mye av signalet er samlet på Bethe ryggen! Vi trenger ofte en objektiv aperture over 10 mrad i bildemodus, og inngangsaperture i diffraksjonsmodus.
121
Hvilken energiavhengighet får du hvis du løser dobbel differensial tverrsnittet med en hydrogenisk løsning?
Det inelastiske tverrsnittet vil være proposjonal med E-1. 'r' er avhengig av størrelsen på samlingsaperturen. For store samlingsaperture vil mesteparten av indreskall spredning bidra og r er typisk 3 ved ioniseringskanten og faller mot 2 med økende energitap. Den asymptotiske 2 avhengigheten kommer av at Rutherford spredning av et enkelt fritt elektron dominerer. For liten samlingsaperture så vil energiavhengigheten bli veldig kompleks ettersom en ekskulderer Betheryggen.
122
Hvorfor referer vi til et partial ioniseringstverrsnitt i kvantitativ EELS?
Fordi vi har en fysisk aperture og detektor som begrenser vinkelen og energien vi integrer opp.
123
Når stabiliserer partial ioniseringstverrsnittet seg med hensyn på samlingsvinkelen?
Når den inkluderer Betheryggen som skyldes fallet av GOS ved store endringe i bølgevektor.
124
Hva er dipolapproksimeringen? Når/hvorfor kan den brukes og hva er det vi gjør matematisk?
Når vi skal løse for GOS gjør vi en Taylor rekke utvikling som reduserer operatøren til -iΔk * r. Elektriske dipol strålig er de dominerende overgangsprosessene i EELS, men ikke dipole overganger blir observert ved høyere Δk, og da vil høyere ordens også bidra. For energitap nærme absorpsjonskanten vil mesteparten av intensiteten skje ved små φ og små Δk, og da er dipolapproksimeringen gyldig.
125
Hva er dipoleovergangsregler?
Overgangsregler som sier noe om hvilke energioverganger som er tillate i en eksiteringsprosess. Relatert til kvantetallene så sier vi at endringen i angulær moment må være et oddetall. Relatert til symmetrien til orbitalene så sier vi at den paritet være forskjellig fra start og sluttilstanden.
126
Inelastisk røntgen- og elektronspredning overholder de samme dipoleovergangsreglene, men hvorfor er deres spektra så forskjellig?
De har forskjellig interaksjoner og dermed forskjellig strukturfaktorer samt at de se ser på forskjellig energiintervaler. Synkrotonrøntgen: 5-50 keV. EELS: <2keV
127
Hvilke prosesser bidrar til bakgrunnen når vi skal gjøre kvantitativ core-loss EELS?
Plasmon-topper, halen til andre core-loss prosesser. Artifekter i spektrometeret.
128
Hvordan vil du gjøre kvantitativ core-loss?
- Fjerne bakgrunn og/eller evt dekonvulere plural spredning.
- Integrer intensiteten over et integrasjonsvindu. Fast-stoff effekter kompliserer dette bidraget.
- Regne ut antall atomer fra en Cliff-Lorimer lignende modell.
129
Hvordan tar du opp et spektralt bilde i EELS?
Vi kan lage kjemiske kart av element distribusjonen når vi operer i STEM-EELS.
130
Hva er EFTEM?
Energi-filtrert TEM er en avbildningsmetode som dekterer kjemisk kontrast i prøven ved å justere et energy filter (slit + linse system) slik at elektroner med energitap knyttet til kjerneionisering bli avbildet.
131
Hva skjer hvis du sentrerer energi filteret i EFTEM rundt nulltapstoppen?
Man lager et elastisk bilde/diffraksjonsmønster fordi vi fjerner inelastisk spredning og dermed også kromatisk aberrasjon og inelastiskbakgrunn som sammen forbedrer kontrasten i både avbildning og diffrkasjonsmønster.
132
Hvorfor bør man forme et lite bilde med liten magnifisering og magnifisere det med linser?
For en narrow slit vil øke field of view.
133
Hva er ofte utfordringen med EFTEM?
Å samtidig oppnæ god Δk oppløsning, romgligoppløsning og høy energiutvelgelse samtidig.
134
Hvorfor krever EFI å ta ta opp energitap før og etter absorberingskanten?
På grunn av korrekt modellering av bakgrunnen.
135
Hvilke to typer elementkart blir ofte brukt?
Jump-ratio bilde: en post-edge bilde delt på et pre-edge bakgrunnsbilde
Tre-vindubilde: Intensitetene i to pre-edge bilder er ekstrapolert til energien av post-edge bilde og subtrahert.
136
Hva er fordelen med jump-ratio avbildning?
Tykkelsesvariasjoner kanseleres
137
Hva er fordelen med tre-vindubilde?
Bedre for element kvantifisering, men har mer støy på grunn av bakgrunnsubtraheringen.
138
Hvilke seks EFI er tatt opp ved samme lokasjon?
1. Ufiltrert (BFTEM) bilde (for alle energier)
2. Nulltapsbilde (5-10 eV)
3. Low-loss (plasmon) bilde (20 eV)
4. Pre-edge bilde 1 (10-20 eV)
5. Pre-edge bilde 2 (10-30 eV)
6. Post-edge bilde (10-20 eV)
139
Hvordan danner du tykkelseskart i enheter t/λ?
Ved å dele det ufiltrerte bilde på nulltapsbilde. Viktig for å identifisere irregulære prøveflater.
140
Hvorfor er ikke dekonvoluering av pluralspredning mulig i EFTEM?
Fordi et fulltsprektrum ikke er tatt opp.
141
Hva er fingerregelen for plasmontoppen?
At den skal være en femtedel av nulltapstoppen (gjelder også her som i EELS)
142
Hva bør samlingsvinkelen være?
Den bør være mellom 5-10 mrad for et foretrukket SN forhold.
143
Hvilke elementer kan vi velge kantenergien for EFI?
Z høyere enn 12. Altså Al og oppover.
144
Hvilke kanter bør en bruke for EFI?
Majoritetskanter med energier helst i siktet mellom 100 og 1000 eV
145
Hva skjer med kantenergiene ved ved lave energier i EFI?
Diffraksjonseffekter og bakgrunnen kompliserer bilde og den kjemiske analysen.
146
Under hvilke omstendigheter påvirker delokalisering EFI?
Den romlige oppløsningen kan bli redusert for energitap under 50 eV fordi ioniseringen ikke nødvendigvis skjer på atomet nærmest stråleelektronet.
147
Hvorfor danner vi ikke bilder med kanter over 1000 eV?
Lav intensitet
148
Hva bør man inkludere i post-edge bilde for best intensitet?
Man bør ha med toppen
