我们最喜欢的五篇关于电子能量损失谱学发展的文献

2022-12-26 21:58:33, 北京优纳珂北京优纳珂科技有限公司

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包含聚焦透镜的180°磁偏转型电子速率分析仪中的射线路径示意图

资料来源：Microanalysis by Means of Electrons

预计阅读时长：10分钟

电子能量损失能谱（EELS）*通过测量电子与材料在电磁交互作用后，非弹性散射电子的能量损失分布，是物理学及材料科学等研究领域的重要表征手段。该技术在1940年代由 James Hillier 和 R.F. Baker率先开发,然而在随后的50年并没有得到广泛应用，直到1990年代由于电子显微镜设备及技术的进步，才在研究中更加普及并突显其重要性。在EELS近一个世纪的发展历史，有许多值得关注重大发展，我们将从众多文献中筛选出几个极为重要且也是最有趣的，与大家进行探讨。

电子能量损失（EEL）能谱可以被视为材料的指纹。其能量损失范围可以从毫电子伏特(meV)到千电子伏特(keV)，并从中提取样品的化学键结性质、原子结构排列、介电特性、能带结构、电热性质等信息。如今，这种方法是如此的先进及灵敏，以至于所有准粒子都会在EEL能谱上留下足迹，而研究人员们也正在努力提高这些特征讯号的感测度。

EES这项技术已发展将近一个世纪，科学家们借助于电子谱学和探测器技术的发展使技术获得突破性的进步。例如，得益于混合像素直接电子探测器无与伦比的量子效率及响应速度，与EEL能谱仪结合时，实现了更快的量测速度和更好的实验灵活性。我们阅读了大量这一主题的文献，选取了几篇关于技术发展的早期开创性文献，几篇描述最先进仪器的近期文献，及一份非比寻常的文献中的“珍贵”发现。

使用四级磁透镜的平行(多通道)探测电子光谱仪

O.L. Krivanek, C.C. Ahn, R.B. Keeney, 1987

科维理奖的获胜者 Ondrej Krivanek 在 Gatan 工作期间，对电子能量损失能谱仪的开发做出了巨大贡献，也为柱后能谱仪长达十年的成功奠定了基础。

这个文献描述了在柱后能谱仪中引入三个四极透镜，搭配具有前置YAG闪烁器转换的光电二极体线性阵列，通过一个计算机控制的数据传输接口取得讯号，极大地提高了仪器的操作效率和灵活性。

在那个时代，摄影胶片取像计数仍然是一个常规的手段，这项创新的工作使采集时间降低到几分之一秒，极大的简化及加速研究工作的推展，因此受到了许多博士生的赞赏。

含有磁扇区，前扇区聚焦线圈，后能谱仪透镜组件，光电二极管探测系统的平行探测系统原理图

用于能谱和成像的EELS仪器的发展

O.L. Krivanek, A.J. Gubbens, N. Dellby, 1991

EEL光谱提供了很多信息，但是人们在使用显微镜时候更加关注于成像。到1991年，平行(多通道平行探测)EELS已经成为了一项成熟的技术。因此Gatan公司将其研发资源投入到如何在影像资讯中结合谱学信息。此文献中，Gatan发表了支撑他们率先提出的能量过滤器（即后所众知的GIF）的理念。同样适用于TEM和STEM，它开启了选择特定能量损失窗口的可能性，并只使用与样品发生特定相互作用的电子来生成图像的可能性。突然间，元素图谱变得可用了，而（S）TEM图像必须以彩色打印出来！(来表示不同元素的空间分佈)

为了获得不失真的清晰图像，需要进行若干阶的色像差校正，这导致电子光学硬件设计的复杂性，伴随而来的是优化光谱仪校准的程序的复杂性。幸运的是，用户得到了功能强大的软件的帮助，这些软件极大程度地优化了光谱仪的性能。

新型柱后成像能量过滤器的测试与表征

F. Kahl, V. Gerheim, M. Linck, et al., 2019

从电子光学的角度来看，能量过滤器需要与多级像差校正器设计类似的分析和数学方法。

由于CEOS GmbH 团队在该领域拥有丰富的经验并且享有盛誉的学术背景，他们承担了设计新型柱后成像过滤器的任务，旨在提高市售产品的性能。

稳定性、可重复性和易用性也是这个项目的主要目标，正如2019年的这篇文章所展示的那样，其展示了能量过滤成像设备（CEFID）的完整特征。

原子分辨率下的单粒子冷冻电镜

T. Nakane, A. Kotecha, A. Sente, et al., 2020

不仅材料科学，如今生命科学也受益于成像滤镜的使用，即使这种技术仅在最近几年才超越了分隔这两个领域的渗透屏障。生物样品在存在较厚的非晶质情况下，由大量非弹性散射引起的图像锐利度退化可以通过零能量损耗过滤器来缓解，再加上其他设置的改进，使来自剑桥大学生物科学(分子生物学MRC实验室)的实验小组和合作者能够突破冷冻电镜的极限，成功获取单粒子影像。

使用赛默飞世尔科学公司开发的冷场发射电子枪、下一代直接电子探测器和Selectris能量过滤器，结合前文所述的能量过滤器的经验，该小组成功重构了脱铁铁蛋白影像，其分辨率达到了惊人的1.22 Å。

4D超快电子显微镜下的EELS飞秒分辨率

F. Carbone, B. Barwick, O. Kwon, et al., 2009

自然界并不一直处于基态: 材料会发生相变，化学反应不是静态的，过程中热量和声音也会向外传播。如果我们要真正研究自然形态下的物理体系，时间分辨技术必不可少。在这种技术中，样本在脉冲刺激下进入激发态，并在他们弛豫过程中进行观测。

在被称为 "Femtoland "的诺贝尔奖获得者Ahmed Zewail的实验室里，几台显微镜已经被改造并集成超快脉冲激光器，目的是以频闪方式研究可逆物理现象。并且一些标准的TEM技术已经扩展到了第四维。(三维空间+时间解析维度)

在这篇文献里Carbone等人使用超快EELS研究了石墨样品在受到短脉冲激光击中后的行为。通过监测与原子层间相互作用所对应的等离子体峰强变化，可以观察到从石墨到最著名的碳同素异构体金刚石的超快相变。

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