[发明专利]能量、动量二维解析的高分辨电子能量损失谱仪

说明书

技术领域

本发明属于电子谱仪的设计领域，更具体地，涉及具有能量、动量二维解析功能的高分辨电子能量损失谱仪。

背景技术

研究固体材料表面多种元激发的性质是表面物理的重要课题之一，这些元激发包括材料晶格振动(即声子)、电荷集体振荡、极化子等。其中，怎样分析电子-声子相互作用在多种新奇材料(高温超导体、石墨烯、氧化物等)中所起的作用更是凝聚态物理领域的一项重要任务。在测量表面元激发的技术中，高分辨电子能量损失谱(HREELS，High-Resolution Electron Energy Loss Spectroscopy)是一种重要、有效且不可替代的表面分析技术。理论上，元激发本身可以由能量E(Energy)、动量k(Momentum)两个参量来完整描述。因此，如果能够测量、分辨携带不同E和k信息的非弹性散射电子，记录其信号强度I(Intensity)即得到电子能量损失谱I-I(E，k)，那么就可以比较全面地描述表面元激发的性质，从而深入理解材料新奇性质的起源，为人工优化材料功能提供依据。

目前，电子能量损失谱仪(EELS，Electron Energy Loss Spectrometers)的设计方法和装置主要有以下几种方案：(1)双扇型单色器电子束源和单扇型电子能量分析器组合的模式，测量结果是损失谱I-E曲线(文献1：Electron Energy Loss Spectrometers-The Technology of High Performance，H.Ibach，Springer-Verlag Berlin Heidelberg，1991)。该型谱仪的缺点是，动量分辨测量依靠单扇型电子能量分析器的机械旋转实现，其分辨率差，数据采样密度低，数据测量重复性差，测量效率低；(2)基于点分析低能电子衍射仪(SPA-LEED，Spot-Profile-Analysis low energy electron diffraction)结构的ELS-LEED(Energy Loss Spectroscopy-low energy electron diffraction)系统，其测量结果是I-E曲线或I-k曲线(文献2：Low-energy electron diffraction with energy resolution，H.Claus，A.Büssenschütt，and M.Henzler，Rev.Sci.Instrum.63，2195(1992)；文献3：Construction of an ELS-LEED：an electron energy-loss spectrometer with electrostatic two-dimensional angular scanning，T.Nagao and S.Hasegawa，Surf.Interface Anal.30，488-492(2000))。该型谱仪的缺点是，能量分辨率差、信号微弱、测量时间长、效率低；(3)单个扇形单色器与半球形能量分析器联用的模式，测量的损失谱是I-E曲线(文献4：Electron energy loss spectroscopy of liquid glycerol，T.Kerbs，G.Andersson，and H.Morgner，Chemical Physics 340，(2007)181-186)。该型谱仪的缺点是，能量分辨率差，动量分辨率差，测量效率低。

综上所述，除了分辨率差、测量时间长、效率低等缺点，对目前的EELS来说，受设计原理本身的限制，其不能同时对能量、动量同时进行，只能得到I-E关系而得不到携带全面信息的损失谱I(E，k)，如图2所示。而在复杂体系中，由于多体效应，多种自由度相互作用，需要对实验测量数据做定量分析才能清晰地分析各种效应的作用，这需要测量损失谱I(E，k)以全面的描述元激发的性质，为定量分析提供精确的实验数据。所以说，目前的EELS很难能够精确测量、表征复杂体系中元激发的性质(如能量-动量色散关系、元激发寿命-动量色散关系、电声子耦合相互作用矩阵元|g(k，k’)|²等)，并且其采样密度小，探测效率低，远远不能满足当前的科研需求。因此研究怎样设计新型的能量、动量二维解析的电子能量损失谱仪，来测量材料表面完整的损失谱I(E，k)以精确、高效表征多种元激发的性质、全面分析复杂体系中的各种自由度所起的作用是十分必要的。

经文献检索，国际国内尚未见相关学术论文及专利文献公开报道具有能量、动量二维解析功能的高分辨反射式低能电子能量损失谱仪。

发明内容