電子エネルギー損失分光

電子エネルギー損失分光（EELS）とは

電子エネルギー損失分光（EELS）は、物質に電子線を照射し、非弾性散乱によるエネルギー損失を測定することで元素や状態を分析する手法です。電子線の焦点を絞ることで、特定の地点を詳細に調査できるため、高い空間分解能を持つEELSは、ナノメートルオーダーの精度での分析が可能です。また、高感度のEELSを用いることで、単一の原子の分析も行うことができます。

EELSの原理

EELSでは、電子の非弾性散乱が基本的な現象です。単色化された電子を固体に照射した際には、以下のような現象によってエネルギーの損失が生じます：

• - 原子振動（フォノン）による0〜500meVのエネルギー損失
• - 価電子帯における電子のバンド間遷移に伴う数10eVのエネルギー損失
• - プラズモンの素励起による数10eVのエネルギー損失
• - 内殻電子の電子遷移が引き起こす数10〜数1000eVのエネルギー損失

EELSスペクトルの構成

EELSスペクトルは、以下の主要な要素から構成されます：

• - ゼロロスピーク：弾性散乱によって生じます。
• - ローロス領域：プラズモン共鳴やバンド間遷移に起因します。特にプラズモン共鳴は、電子密度にのみ依存するため、局所的な電子密度を測定する手段となります。バンド間遷移の解析にはクラマース・クローニッヒ解析が用いられ、そこから結合状態密度（JDOS）を求めることができます。これにより、複素屈折率や反射係数を推算できます。
• - コアロス領域：内殻電子の遷移によって引き起こされるエネルギー損失が観察されます。内殻電子の遷移は元素に依存するため、この領域の分析によって元素特定が可能です。また、吸収端の微細構造を解析することで、X線照射によるXAFS（XANESおよびEXAFS）と同様に、状態分析も実施できます。

透過EELSと反射EELS

透過EELS

透過型電子顕微鏡を用いた透過EELSでは、薄膜を透過する電子を測定し、厚み方向に平均化した情報を利用してバルク分析が可能です。この手法は、エネルギー分解能がEDSよりも優れているため、元素および状態分析に強力な手段となります。さらに、照射する電子線を1nm以下に絞ることで、固体の局所的な状態を深く分析できます。使用する電子は100〜1000keVの高エネルギーです。

反射EELS

反射EELSは1〜2000eV程度の低速電子を用いて行われ、しばしば低エネルギーEELS（LEELS）とも呼ばれます。この手法により、固体表面の数原子層や、その表面に吸着した分子の分析が可能です。特に、ミリeVレベルのEELSを高エネルギー分解能で測定する手法は高分解能EELS（HREELS）と称されます。また、損失ピークの角度依存性を測定し、表面状態の詳細な分析を行う角度分解EELS（AR-EELS）という手法も存在します。これらの技術によって、物質の微細構造や特性をより深く理解することができます。

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