EELS 电子能量损失能谱

电子能量损失能谱（Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS） 是装设在穿透式电子显微镜（TEM）下的高阶成份分析检测仪器，利用高能电子束穿透样品时，与材料原子中的电子发生非弹性散射（Inelastic Scattering），导致入射电子产生特定程度的能量损失。

当电子束与材料中的原子作用时，可能会激发内层电子（Core Electrons）或价电子（Valence Electrons），使电子束失去对应的能量，透过量测与分析这些电子能量损失的分布情形，即可获得材料在纳米甚至原子尺度下的重要资讯，包括元素种类、化学键结状态、电子结构以及能带结构等。

此外，EELS 亦可结合 Energy Filtered TEM（EFTEM，能量过滤成像） 技术，透过选择特定能量范围的电子来形成影像，有效提升影像对比度，并用于观察样品中特定元素或化学态的空间分布，使材料成分与结构的解析能力大幅提升。

在 EELS 光谱中，通常可分为两个主要分析区域：

在电子显微镜材料分析中，电子能量损失能谱（EELS）与能量散射 X 光能谱（EDS / EDX）都是常用的元素分析技术，皆可结合 TEM 或 SEM 进行材料成分分析，但其分析原理与适用情境有所不同，实务上这两种技术通常 互补使用，以获得更完整的材料资讯。

EDS 主要透过电子束激发样品后所产生的 特征 X-ray 来判断材料中的元素组成，因此非常适合快速辨识材料中存在的元素种类与分布；而 EELS 则是量测电子穿透样品后所产生的 能量损失讯号，除了元素资讯外，还能进一步解析 化学键结、氧化态与电子结构等更深入的材料特性。

此外，EELS 在能量解析度与纳米尺度分析能力上具有优势，其能量解析度可达 约 1 eV 或更低，能够有效区分部分 EDS 难以分辨的元素讯号重叠问题，例如半导体材料中常见的元素讯号干扰。

在实际材料分析中，EELS 与 EDS 通常会 搭配使用，例如在半导体材料或纳米材料分析中，EDS 可快速确认材料中的元素组成；EELS 则可进一步解析元素的化学态与电子结构，透过两种技术的整合分析，可以更完整地理解材料的 元素组成、化学键结与纳米尺度结构特性，对先进半导体制程与纳米材料研究具有重要价值。

闳康科技具备完整的 TEM / STEM / EELS 整合分析平台，能够针对先进材料与半导体制程结构进行纳米尺度的元素与化学键结分析。透过高解析能量分析系统与专业资料解析能力，可深入解析材料中的 元素分布、化学键结状态与电子结构，提供高可信度的材料微观结构资讯，EELS 分析在纳米材料研究中具有极高价值，因其具备 高能量解析度、高空间解析度与对低原子序元素的高灵敏度，能够分析碳、氮、氧等元素的分布与化学态，并在纳米尺度下进行精确的元素 mapping 与化学键结判读，闳康科技可透过 STEM-EELS 扫描分析与 Energy-Filtered TEM 技术，建立材料在纳米尺度下的成分与电子结构分布，并可应用于先进半导体制程材料与纳米材料研究。

图｜Energy Filtered TEM

 

能量过滤成像观察材料结构差异

利用 Energy Filtered TEM 技术，透过选择不同能量范围的电子讯号，可观察材料结构的对比变化。不同能量过滤条件下，材料内部结构与元素分布会呈现不同影像特征。

图｜Near Edge Fine Structure (ELNES)

 

化学键结与氧化态分析

利用 EELS 的 Near Edge Fine Structure（ELNES） 分析，可辨识不同化学键结状态，图中显示 16 nm 半导体制程 FinFET 栅极氧化层的氧元素能谱差异，藉此区分不同氧化物材料。

图｜STEM-EELS Line Scan

 

纳米尺度元素分布分析

结合 STEM 扫描与 EELS 能谱分析，可沿指定路径进行线扫描（Line Scan），获得材料中元素浓度的纳米尺度变化，常用于半导体低介电材料或多层薄膜材料分析。