Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie

Wofür wird die EELS-Analyse verwendet?

Die EELS wird häufig in Kombination mit elektronenmikroskopischen Verfahren eingesetzt, wie Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Rastertransmissionselektronenmikroskopie (STEM), um zusätzliche Daten zu erfassen. Sie kann zur Untersuchung verschiedener Eigenschaften von Dünnschichtproben verwendet werden, beispielsweise zur Erkennung vorhandener Atome, ihrer Mengen, der Art ihrer chemischen Bindung, Oxidationszustände und sogar ihrer allotropen Formen. Dies macht die EELS in verschiedenen Branchen nützlich für die Analyse chemischer Fingerabdrücke und die Erstellung räumlicher Karten neuer Materialien während ihrer Entwicklung.

Die EELS liefert auch Informationen über die elektronischen Eigenschaften von Materialien und kann daher zur Charakterisierung von Halbleitern und anderen elektronisch aktiven Materialien verwendet werden, die die Grundlage für eine Vielzahl aktueller und zukünftiger Technologien bilden. EELS kann im submikroskopischen Maßstab eingesetzt werden und findet daher Anwendung in der Entwicklung neuer Nanotechnologien.

Wie funktioniert die Elektronen-Energieverlust-Spektroskopie?

Bei der EELS wird ein feiner Elektronenstrahl mit bekannter kinetischer Energie auf eine Probe gerichtet. Die Elektronen interagieren auf verschiedene Weise mit den Atomen in der Probe, unter anderem indem sie die Elektronen in den Atomen veranlassen, auf andere Energieniveaus zu wechseln oder vollständig entfernt zu werden. Dieser Prozess führt dazu, dass die einfallenden Elektronen einen Teil ihrer kinetischen Energie verlieren und gestreut werden. Die gestreuten Elektronen werden dann von einem Spektrometer erfasst, das die verbleibende Energie misst, die sie tragen.

Anschließend kann die Menge der verlorenen Energie berechnet werden, die spezifisch für das verursachte Ereignis und die Art des Atoms ist, mit dem es interagiert hat. Dies liefert Informationen über die Art der Wechselwirkung und somit darüber, welche Atome vorhanden sind, wo sie sich befinden und in welchen Mengen sie vorkommen. Außerdem liefert es Informationen darüber, wie sie gebunden sind und welche anderen Atome sich in ihrer Nähe befinden. Durch Wiederholung dieses Vorgangs ermöglicht die EELS die Erstellung einer Karte der verschiedenen Elemente in der Probe.

Geeignete Proben und Probenvorbereitung

EELS-Proben liegen meist in Form extrem dünner Schichten (unter 100 nm oder sogar 50 nm) vor. Daher müssen sie als dünne Schicht aufgebracht oder aus einer Massivprobe entsprechend verdünnt werden. Um die gewünschte Dicke zu erreichen, können wiederholte Verdünnungsschritte mit Methoden wie dem fokussierten Ionenstrahl (FIB) erforderlich sein. Beschädigungen und Verunreinigungen der Oberfläche sollten minimiert werden, um die Auswirkungen auf die Endergebnisse zu reduzieren.

EELS vs. EDX

Die energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX) ist eine weitere spektroskopische Elementaranalysetechnik, die ähnlich wie die EELS eingesetzt wird, üblicherweise in Verbindung mit REM oder TEM. Im Allgemeinen funktioniert die EDX am besten bei der Identifizierung relativ schwerer Elemente. Sie ist zudem einfach anzuwenden und im Vergleich zur EELS in der Regel zeit- und kosteneffizienter, was sie zu einer Standardtechnik macht.

EELS kann jedoch zusätzliche Informationen über die Struktur, chemische Bindung, elektronischen Eigenschaften und Oberflächenmerkmale der Probe liefern. Es kann auch problemlos Daten für leichtere Elemente erfassen, die in der EDX-Analyse möglicherweise nicht erscheinen. In einigen Fällen kann EELS sogar zur Unterscheidung zwischen verschiedenen Isotopen desselben Elements, wie beispielsweise Kohlenstoff, verwendet werden, was ihm sowohl in der organischen als auch in der anorganischen Analyse einen Vorteil verschafft.

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