电子显微镜中的康普顿散射

2016-04-18新闻资讯

通常情况下,在透射电子显微镜中手机电子能量损失谱是在光阑以光轴为中心的条件下记录而得到;如果收集光阑远离光轴中心或者入射电子束倾斜几度,只收集大角散射下的非弹性散射电子,就可以得到固体样品的电子康普顿散射谱。康普顿散射实验是一种直接测量材料电子动量密度分布的独特技巧术。先阶段,光子康普顿散射技术已经发展的非常成熟,Cooper等在《X-射线康普顿散射》一书中已经做了系统详细的介绍。康普顿轮廓是散射原子钟基态电子动量在动量转移方向的几率分布;通过傅立叶变换可以获得电子在坐标表象中的波函数信息。由于康普顿轮廓主要对原子的外层电子敏感,隐藏其可以用来研究组成物质原子的阶态电子的特性,而这正是凝聚态物理研究所需要的。

在透射电子显微镜中利用电子取代光子获得康普顿散射谱最早由Williams等在1981年提出。与传统的康普顿散射实验相比较优势非常明显:在一定的动量转移下,电子费弹性散射截面壁光子非弹性散射截面大5个数量级;在透射电镜中可以很容易得到非常高的动量和空间分辨率,可以使康普顿效应的研究推进到材料的纳米级别领域。利用透射电镜还可以同时得到样品的以下传统信息:高分辨像、衍射花样、能量散射谱和能量过滤像等。此外,在透射电镜中记录的电子能量损失近边精细结构可以用来研究材料未占据态的电子结构,因此利用电子能量损失谱可以同时研究固体中电子的基态和激发态的性质。

三十多年过去,利用透射电子显微镜研究固体材料的电子动量密度分布一直未引起人们的广泛关注。究其原因有一下三点:(1)在当时,利用电子能量损失谱康普的散射的时间虽然从光子康普顿散射的几天或者几个小时缩小到一个小时以内,但对电镜工作者而言还是太长。(2)背低的去除问题,康普顿散射谱的宽度一般有几百电子伏特,传统的电子能量损失去除背底的方法无效。(3)电子衍射问题,每个衍射点都可以当做发生康普顿散射的新的源,导致记录的康普顿轮廓是多个不同动量转移下的叠加。

20世纪90年代,苏党生等利用Fourier和Hankel变样详细研究了大散射角下散射过程中的多重散射情况;在理论上很好的解决了电子能量损失在康普顿散射区域的背底去除以及电子衍射引起的多重衍射问题。在实验上,对于晶体样品,Jonas等利用倾斜样品的办法使用电子衍射的影响减到最小。近年来,一方面现代场发射枪透射电镜使入射电子束的强度大大增强;另一方面随着新一代探测器的广泛应用及其分析软件的更新。