CN112649453A - 一种测量待测样品四维电子能量损失谱的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量待测样品四维电子能量损失谱的方法，所述方法包括如下步骤：S1、将制备好的待测样品放入电镜，旋转待测样品至待测的带轴；S2、在电镜的电子束的汇聚半角为第一汇聚半角下校正像散，再切换电子束的汇聚半角为第二汇聚半角；S3、调整电镜相机上的衍射斑使待测动量区位于狭缝光阑的预留区域内；S4、插入所述狭缝光阑使得所述狭缝光阑位于所述预留区域内；S5、插入单色仪，限制通过电子束的能量，提高能量分辨率；S6、调整像散；S7、获得待测样品当前位置的能量‑动量图。该方法可以测量纳米结构的能量‑动量谱，不需要大块的单晶样品，是角分辨光电子能谱和高分辨电子能量损失谱仪的有效补充。

Description

一种测量待测样品四维电子能量损失谱的方法

技术领域

本发明利用新型狭缝光阑实现了四维电子能量损失谱(二维空间+能量+动量)的测量，可以表征材料的电学、磁学性质，应用于物理学研究。

背景技术

近年来，随着电子显微学的发展，普通的成像方式如环形暗场像、中心明场像等成像方式由于只能获得强度信息，局限性越来越大。科学家提出了多种方法用来获得更多维度的信息，如叠层衍射成像技术：通过入射束在样品扫描，在每个扫描位置下记录二维衍射强度图案，从而构建出具有四维空间的衍射数据；超快透射电子显微镜技术：该技术结合了透射电镜的空间分辨率和飞秒激光的时间分辨率，使超高时空尺度下研究物质的动力学过程具有可能性。

然而，这些技术都没有将动量和能量结合起来，而电子能量损失谱包括了电子与原子相互作用发生非弹性散射的丰富信息，可以深入分析物质的多种物理和化学性质。能量与动量的结合对于我们测量声子色散、电子能带结构、分析电子-声子相互作用是非常必要的。

发明内容

本发明提供一种测量四维电子能量损失谱的方法，所述方法不仅能够测量从10meV–1000eV的能量-动量谱，而且不需要大块单晶，空间分辨率高，为研究界面、表面等空间依赖的物理问题提供了新的研究方案。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种测量四维电子能量损失谱的方法，所述方法包括如下步骤：

S1、将制备好的待测样品放入电镜，旋转待测样品至待测的带轴；

S2、在电镜的电子束的汇聚半角为第一汇聚半角下校正像散，再切换电子束源的汇聚半角为第二汇聚半角；

S3、调整电镜相机上的衍射斑使待测动量区位于狭缝光阑的预留区域内；

S4、插入所述狭缝光阑使得所述狭缝光阑位于所述预留区域内；

S5、插入单色仪，限制通过电子束的能量，提高能量分辨率；

S6、调整像散；

S7、获得待测样品当前位置的能量-动量图；

其中，所述第一汇聚半角的弧度大于所述第二汇聚半角的弧度，所述第一汇聚半角的弧度范围为15-35mrad，第二汇聚半角的弧度范围为0.1-3mrad。

优选的是，所述四维指二维x-y平面空间、能量空间和动量空间。

优选的是，所述狭缝光阑尺寸为长1-3mm、宽0.02-0.15mm。

优选的是，所述电镜包括扫描透射电镜；

优选的是，所述扫描透射电镜的型号包括：Nion UltraSTEM^TM 200，NionUltraSTEM^TM 100，Nion Ultra-HERMES^TM；

优选的是，所述电镜的空间分辨率约为1-40nm，动量分辨率约为0.02-0.8nm^-1，能量分辨率约为6-20meV；

优选的是，所述电镜的光源发出的高能电子束的能量为30-400keV。

优选的是，S3中通过投影透镜调整电镜相机上的衍射斑；

优选的是，通过投影透镜调整电镜相机上的衍射斑包括对所述投影透镜进行旋转、放缩和/或平移操作；

优选的是，中心透射斑和两个一阶衍射斑位于狭缝光阑的预留位置内。

优选的是，在步骤S7之后还包括如下步骤：使所述电镜的电子束在待测样品上扫描以获得待测样品的四维电子能量损失谱；

优选的是，使用电荷耦合器件CCD收集电子以获得待测样品当前位置的能量-动量图。

优选的是，所述四维电子能量损失谱包括声子色散，所述能量区间为10-500meV；

优选的是，所述四维电子能量损失谱包括电子能带结构，所述能量区间为0.1-10eV；

优选的是，所述四维电子能量损失谱包括等离子体的色散曲线，所述能量区间为0.1-10eV；

优选的是，所述四维电子能量损失谱包括芯电子损失谱，所述能量区间为20-1000eV；

优选的是，所述待测样品包括金刚石/立方氮化硼异质结、钇铁石榴石与铂异质结、单层二维材料、或碳纳米管；

优选的是，所述单层二维材料包括单层二维材料WSe₂。

优选的是，在步骤S2之后、步骤S3之前还包括如下步骤：

在电镜光路中插入所述狭缝光阑，所述狭缝光阑位于所述待测样品和所述电镜相机之间的衍射平面上；

标记所述狭缝光阑的位置以得到所述预留区域；

抽出所述狭缝光阑使所述狭缝光阑不在所述电镜光路中。

本发明提供一种新型的狭缝光阑结合扫描透射电子显微镜测量四维电子能量损失谱的方法。该方法基于扫描透射电镜的高空间分辨率、小汇聚半角的高动量分辨率和最新单色仪的高能量分辨率，通过狭缝光阑选择待测的动量方向，实现能量-动量谱的测量，结合扫描电子束，从而得到四维电子能量损失谱(二维空间+能量空间+动量空间)。该方法可以高效得到样品的四维信息，与现有电镜系统兼容，方便现有电镜系统升级。而且该方法可以测量纳米结构的能量-动量谱，很小样品即可测量，是角分辨光电子能谱和高分辨电子能量损失谱仪(需要大块晶体)的有效补充。

现有的TEM的狭缝光阑是在平行电子束下，是没有空间分辨的。本发明中的狭缝光阑是在一定汇聚半角下，狭缝宽度是和相应汇聚半角匹配的，兼具空间分辨和动量分辨，而且有很高的能量分辨率，这是普通TEM所不具备的。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1显示为本发明进行四维电子能量损失谱测量时电镜的简化结构图和光路图。

图2为金刚石c-C/立方氮化硼c-BN异质结界面附近的环形暗场像(a)，以及分别位于金刚石一侧(b)、界面(c)、立方氮化硼一侧(d)的三个位置处的色散图像。

图3为钇铁石榴石YIG/铂Pt异质结界面附近铁的磁圆二向色谱的相关图，包括样品的环形暗场像(a)(b)、衍射图样(c)和不同位置处的磁圆二向色谱(d)(e)(f)。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

图1显示为本发明进行四维电子能量损失谱测量时电镜的简化结构图和光路图，如图1所示，所述电镜包括光源、狭缝光阑、透镜等部件。所述光源包括电子束光源，其可以产生大汇聚半角电子束及小汇聚半角电子束，其中，所述大汇聚半角在15-35mrad，例如可以是15mrad、20mrad、25mrad、30mrad、35mrad，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。所述光源产生的电子束依次经待测样品、狭缝光阑和透镜后被信号收集仪器所收集。所述小汇聚半角在0.1-3mrad之间，例如可以是0.1mrad、0.75mrad、1.5mrad、3mrad，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

所述的狭缝光阑尺寸为长1-3mm、宽0.02-0.15mm；在一些具体的实施例中所述的狭缝光阑尺寸为2mm×0.03mm、2mm×0.06mm、2mm×0.125mm，但不限于所列举的数值。

所述透镜包括电磁透镜，所述电磁透镜主要包括静电透镜和磁透镜两种。

在一些具体的实施例中，所述电镜的型号包括：Nion UltraSTEM^TM 200，NionUltraSTEM^TM 100，Nion Ultra-HERMES^TM。

本发明中的狭缝光阑是在一定汇聚半角下，狭缝宽度是和相应汇聚半角匹配的，兼具高的空间分辨率和动量分辨率，而且有很高的能量分辨率，这是普通TEM所不具备的。具体来说，所述电镜的空间分辨率约为1-40nm，动量分辨率约为0.02-0.8nm^-1，，能量分辨率约为6-20meV。在一个具体的实施例中，在60kV下，3mrad小汇聚半角，狭缝尺寸2mmx0.125mm，对应的空间分辨率约为2nm，动量分辨率约为0.6nm^-1，能量分辨率约为15meV；在30kV下，1.5mrad小汇聚半角，狭缝尺寸2mm x0.125mm，对应的空间分辨率约为8nm，动量分辨率约为0.2nm^-1，能量分辨率约为10meV。其它合理的参数组合也可用于四维电子能量损失谱的测量，也会有相应的空间、动量和能量分辨率。

采用上述电镜测量四维电子能量损失谱的方法不仅能够测量从10meV–1000eV的能量-动量谱，而且不需要大块单晶，空间分辨率高，为研究界面、表面等空间依赖的物理问题提供了新的研究方案。

在一个具体的实施例中，所述电子束中的高能电子能量为30-400keV，例如可以是30keV、60keV、100keV、200keV、300keV、400keV，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

本发明提供一种新型的狭缝光阑结合扫描透射电子显微镜测量四维电子能量损失谱的方法。结合附图1进行说明，所述方法包括如下步骤：将制备好的待测样品放入电镜，调整到待测的带轴，先在大汇聚半角下校正像散，再切换到小汇聚角(例如3mrad)，通过投影透镜(projector lens)调整(旋转、放缩、平移)电镜相机上的衍射斑使待测动量区位于狭缝光阑内，插入单色仪，插入狭缝光阑，调整EELS像散，即获得待测样品当前位置的能量-动量图(声子色散、电子能带、等离子体色散等)。电子束在样品上扫描，即可测得四维电子能量损失谱(二维空间+能量空间+动量空间)。其中，二维空间指x-y平面空间。其中，单色仪位于电镜的电子枪和待测样品之间，电子束经过单色仪而照射到待测样品上。

其中，在切换到小汇聚半角之后、调整投影透镜之前还包括如下步骤：在电镜光路中插入所述狭缝光阑，所述狭缝光阑位于所述待测样品和所述电镜相机之间；标记所述狭缝光阑的位置以得到预留区域；抽出所述狭缝光阑使所述狭缝光阑不在所述电镜光路中。

可结合附图1来理解四维电子能量损失谱的测量。小汇聚半角电子束具有很高的动量分辨率，经样品散射后在衍射面形成衍射斑，用狭缝光阑去选择特殊的衍射斑的集合，便可限制x方向的动量，可认为在动量分辨率内q_x＝0或视情况为其它值，我们便收集到了q_y方向的动量点，经过磁棱镜后我们便得到动量能量谱(q_y-E)，电子束在xy面内扫描，就可获得四维电子能量损失谱(x-y-q_y-E)。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种测量四维电子能量损失谱的方法，所述方法包括如下步骤：

将制备好的待测样品放入电子显微镜中，旋转样品至待测的带轴，在大汇聚半角下调节球差、慧差等像散，切换到小汇聚半角，通过投影透镜调整衍射斑，插入单色仪，狭缝光阑选择待测动量，调节EELS像散，电子束在样品上扫描，CCD采集到4D-EELS信号。

可选的是，所述能量动量谱包括声子色散，所述能量区间为10-500meV。

可选的是，所述能量动量谱包括电子能带结构，所述能量区间为0.1-10eV。

可选的是，所述能量动量谱包括等离子体的色散曲线，所述能量区间为0.1-10eV。

可选的是，所述能量动量谱包括芯电子损失谱，所述能量区间为20-1000eV。

可选的是，所述能量动量谱包括各种极化激元的色散谱，包括但不限于声子极化激元、激子极化激元、等离子极化激元、磁子极化激元。

可选的是，所述能量动量谱包括第一布里渊区、第二布里渊区，也可以是高阶布里渊区。

可选的是，所述调整像散用的大汇聚半角在15-35mrad，例如可以是15mrad、20mrad、25mrad、30mrad、35mrad，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

可选的是，所述测量动量分辨谱时所用的小汇聚半角在0.1-3mrad之间，例如可以是0.1mrad、0.75mrad、1.5mrad、3mrad，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

可选的是，所述的狭缝光阑尺寸为长1-3mm、宽0.02-0.15mm；在一些具体的实施例中所述的狭缝光阑尺寸为2mm×0.03mm、2mm×0.06mm、2mm×0.125mm，但不限于所列举的数值。

可选的是，测量动量分辨谱时的汇聚半角与光阑的尺寸有最佳匹配。优选地，汇聚半角0.75mrad、1.5mrad、3mrad与狭缝光阑尺寸2mm×0.03mm、2mm×0.06mm、2mm×0.125mm一一对应，效果最好。

可选的是，所述能量动量谱的能量通道可根据具体采集能量范围而定，例如声子色散选择0.5meV/ch、1meV/ch、2meV/ch，电子能带结构选择0.005eV/ch，0.01eV/ch，芯电子能量损失谱选择0.16eV/ch、0.3eV/ch，但不限于所列举的数值。

实施例一

本实施例提供了一种测量金刚石/立方氮化硼异质结界面附近的声子色散谱的方法，所述方法包括如下步骤：

将制备好的金刚石/立方氮化硼异质结电镜样品放入电镜，调整好带轴，在汇聚半角20mrad(即大汇聚半角)下调整光路后，切换到3mrad汇聚半角(即小汇聚半角)，利用投影透镜调整衍射图样，使中心透射斑和两个一阶衍射斑位于狭缝光阑的狭缝内，能量通道选择0.0005eV/ch，调整EELS像散，可以测得界面附近Γ’MΓMΓ’的色散信号。可在电子枪和样品之间插入单色仪，以限制通过电子束的能量，提高能量分辨率。

附图2给出了金刚石/立方氮化硼异质结界面附近的环形暗场像(a)，以及分别位于金刚石一侧(b)、界面(c)、立方氮化硼一侧(d)的三个位置处的色散数据。

实施例二

本实施例提供了一种测量金刚石/立方氮化硼异质结界面附近的电子能带结构的方法，所述方法包括如下步骤：

将制备好的金刚石/立方氮化硼异质结电镜样品放入电镜，调整好带轴，在汇聚半角15mrad下调整光路后，切换到0.1mrad汇聚半角，利用投影透镜调整衍射图样，使中心透射斑和两个一阶衍射斑位于狭缝光阑的狭缝内，能量通道选择0.01eV/ch，调整EELS像散，可以测得界面附近Γ’MΓMΓ’的电子能带结构。可在电子枪和样品之间插入单色仪，以限制通过电子束的能量，提高能量分辨率。

实施例三

本实施例提供了一种测量氧化镍NiO体态至表面的d-d激子色散关系的方法，所述方法包括如下步骤：

将制备好的NiO电镜样品放入电镜，调整好带轴，在汇聚半角35mrad下调整光路后，切换到0.5mrad汇聚半角，利用投影透镜调整衍射图样，使中心透射斑和两个一阶衍射斑位于狭缝光阑的狭缝内，能量通道选择0.005eV/ch，调整EELS像散，电子束从体态到扫描到样品表面，可以测得NiO的d-d激子的色散从体内到表面的变化。可在电子枪和样品之间插入单色仪，以限制通过电子束的能量，提高能量分辨率。

实施例四

本实施例提供了一种利用四维电子能量损失谱测量钇铁石榴石与铂异质结界面附近磁圆二向色性的方法，所述方法包括如下步骤：

结合附图3来看，将制备好的钇铁石榴石/铂异质结电镜样品(YIG/Pt)放入电镜，调整到[112]带轴，在汇聚半角20mrad下调整光路后，切换到3mrad汇聚半角，利用投影透镜调整衍射图样如附图3所示，能量通道选择0.16eV/ch，调整EELS像散，电子束从YIG层扫描到Pt层，可以测得Fe的L边动量分辨谱在YIG/Pt界面附近的变化。经过数据处理，附图3的下面3幅图(d)(e)(f)给出了界面附近3个位置处的电子磁圆二向色谱。可在电子枪和样品之间插入单色仪，以限制通过电子束的能量，提高能量分辨率。

实施例五

本实施例提供了一种利用四维电子能量损失谱测量单层二维材料WSe₂激子色散的方法，所述方法包括如下步骤：

将制备好的单层WSe₂样品放入电镜，在汇聚半角20mrad下调整光路后，切换到0.15mrad汇聚半角，利用投影透镜调整衍射图样，使中心透射斑和两个一阶衍射斑位于狭缝光阑的狭缝内，能量通道选择0.005eV/ch，调整EELS像散，电子束从WSe₂内部扫描到边缘，可以测得WSe₂的边缘态对激子色散的影响。可在电子枪和样品之间插入单色仪，以限制通过电子束的能量，提高能量分辨率。

实施例六

本实施例提供了一种利用四维电子能量损失谱测量碳纳米管声子色散的方法，所述方法包括如下步骤：

将制备好的碳纳米管样品放入电镜，在汇聚半角20mrad下调整光路后，切换到3mrad汇聚半角，利用投影透镜调整衍射图样，使中心透射斑和两个一阶衍射斑位于狭缝光阑的狭缝内，能量通道选择0.0005eV/ch，调整EELS像散，电子束从碳纳米管中心扫描到边缘，可以测得碳纳米管声子的色散随管壁倾角的变化。可在电子枪和样品之间插入单色仪，以限制通过电子束的能量，提高能量分辨率。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明，本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (8)

1.一种测量待测样品四维电子能量损失谱的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、将制备好的待测样品放入电镜，旋转待测样品至待测的带轴；

S2、在电镜的电子束的汇聚半角为第一汇聚半角下校正像散，再切换电子束的汇聚半角为第二汇聚半角；

S3、调整电镜相机上的衍射斑使待测动量区位于狭缝光阑的预留区域内；

S4、插入所述狭缝光阑使得所述狭缝光阑位于所述预留区域内；

S5、插入单色仪，限制通过电子束的能量，提高能量分辨率；

S6、调整像散；

S7、获得待测样品当前位置的能量-动量图；

其中，所述第一汇聚半角的弧度大于所述第二汇聚半角的弧度，所述第一汇聚半角的弧度范围为15-35 mrad，第二汇聚半角的弧度范围为0.1-3 mrad。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述四维指二维x-y平面空间、能量空间和动量空间。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述狭缝光阑尺寸为长1-3mm、宽0.02-0.15mm。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述电镜包括扫描透射电镜；

优选的是，所述扫描透射电镜的型号包括：Nion UltraSTEM^TM 200，Nion UltraSTEM^TM100，Nion Ultra-HERMES^TM；

优选的是，所述电镜的空间分辨率约为1-40nm，动量分辨率约为0.02-0.8nm^-1，能量分辨率约为6-20 meV；

优选的是，所述电镜的光源发出的高能电子束的能量为30-400keV。

5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，S3中通过投影透镜调整电镜相机上的衍射斑；

优选的是，通过投影透镜调整电镜相机上的衍射斑包括对所述投影透镜进行旋转、放缩和/或平移操作；

优选的是，中心透射斑和两个一阶衍射斑位于狭缝光阑的预留位置内。

6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在步骤S7之后还包括如下步骤：使所述电镜的电子束在待测样品上扫描以获得待测样品的四维电子能量损失谱；

优选的是，使用电荷耦合器件CCD收集电子以获得待测样品当前位置的能量-动量图。

7.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述四维电子能量损失谱包括声子色散，所述能量区间为10-500 meV；

优选的是，所述四维电子能量损失谱包括电子能带结构，所述能量区间为0.1-10 eV；

优选的是，所述四维电子能量损失谱包括等离子体的色散曲线，所述能量区间为0.1-10 eV；

优选的是，所述四维电子能量损失谱包括芯电子损失谱，所述能量区间为20-1000 eV；

优选的是，所述待测样品包括金刚石/立方氮化硼异质结、钇铁石榴石与铂异质结、单层二维材料、或碳纳米管；

优选的是，所述单层二维材料包括单层二维材料WSe₂。

8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，在步骤S2之后、步骤S3之前还包括如下步骤：

在电镜光路中插入所述狭缝光阑，所述狭缝光阑位于所述待测样品和所述电镜相机之间的衍射平面上；

标记所述狭缝光阑的位置以得到所述预留区域；

抽出所述狭缝光阑使所述狭缝光阑不在所述电镜光路中。

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