Table of Contents
מבוא: תפקידה של אלקטרון אנרגיה אובדן ספקטרוסקופיה בחומרים מתקדמים
אלקטרון אנרגיה אובדן ספקטרוסקופיה (EELS) התפתחה כטכניקה אנליטית חיונית בהנדסת אלקטרוניקה, במיוחד עבור האופי המפורט של חומרים דו-ממדיים (2D) שכבתיים (EELS) כמו תעשיית המוליכים למחצה דוחפת לעבר ממדים סטנדרטיים של מכשירים אטומיים, הבנת המבנה האלקטרוני, הקומפוזיציה הכימית, וסביבות החיבור של חומרים ב- ננומטרי הופך חיוני.LS, כאשר משולבים עם סריקה של מיקרוסקופית אלקטרונים (EMST), מציעה שילוב של שיטות ספציפיות של ויזואליות, כלומר, כלומר, 2D, שיטות ספציפיות של שיטות שונות, ורזולוציה גבוהה, אשר יהיו, ורזולוציה גבוהה, אשר יהיו, ו-D, אשר יהיו, אשר יהיו, אשר יהיו, כלומר, כלומר, כלומר, 2D, כלומר, שיטות שונות של שיטות שונות של שיטות שונות של תכונות שונות של תכונות שונות של תכונות שונות של תכונות שונות של מערכות ספציפיות של מערכות ספציפיות של מערכות ספציפיות של מערכות EED, אשר יהיו חיוניות.
עקרונות מימון של אלקטרון אנרגיה אובדן ספקטרוסקופיה
איך EELS עובד
ב-EELS, קרן ממוקדת של אלקטרונים באנרגיה גבוהה (בדרך כלל 60-300 keV) מועברת באמצעות דגימה אולטרה-אין. as אלקטרונים לעבור דרך החומר, הם עוברים פיזור בלתי-מחדש, לאבד כמויות דיסקרטיות של אנרגיה התואמת לציטוטים ספציפיים בתוך הדגימה.
תכונות מפתח ומשמעות גופנית שלהם
שני אזורים עיקריים של ספקטרום EEL ניתחו באופן שגרתי.ה-FLT:0 (Los-loss ZoneFLT:1 כולל את שיא אפס-הפסד (בדרך כלל מפוזר אלקטרונים) ותכונות כגון פילסמוני שטח, מעברים בין פסים ונקודתיים של פערים כימיים (Stepateus-pateus-pateus-pate) ליד מספר ה-D-of-of-of-of-Freligine-to-to-to-to-to-to-to-D.
Instrumentation and Detector Developments
מערכות EELS מודרניות מעסיקות מקורות אלקטרונים מומנים כדי להשיג החלטות אנרגיה מתחת 10 meV, המאפשרים את המחקר של phonons וציטוטים אנרגיה נמוכה בחומרים 2D. גלאי אלקטרונים ישירים שיפרו באופן דרמטי את יחס האות-ל-אין, המאפשר רכישת במינונים נמוכים יותר אלקטרונים וצמצום הנזקים האינפורמטיביים אלה הרחיבו את טווח החומרים שניתן לנתח, כולל חומרים רגישים ו-FDLCDS (OF) שנמצאת בסקירה מקיפה של 2D) בסקירה כללית של כלי .
EELS Applied to Layered 2D Materials
Graphene: Mapping תכונות ופגמים אלקטרוניים
Graphene, שכבה אחת של חומרים spigFLT:0 [2earFLT:1] אטומי פחמן מהונדסים, היה אחד החומרים 2D הראשונים שנלמדו באופן נרחב על ידי EELS.הפחמן K-edge בגרפן מראה שיא חד ב -285 e המקביל להחלפה של שדות הליבה 1s ל- ⁇ לא עסוק *, ואחריו תכונה רחבה יותר * יחסי של ריצוף אלקטרונים זה יכול להציג את מספר משקעים רגישים עם תכונות אלה.
Metal Dichalcogenides (TMDs)
חומרים כגון MoSveFLT:0.2FLT:1hil, WSFLT:203FLT 3, ו MoSeveFLT:42FLT:5 להציג תכונות אלקטרוניות תלויות שכבתיות, עם מעבר מכוונת פער ישיר של הלהקה כאשר דקה לניתוח מנטרולציה מתמקדת על ידי ירידה נמוכה של תכונות אלקטרוניות וניתוקציה (LEC) על מנת לספק את התכונות האלקטרוניות של 2D.
Hexagonal Boron Nitride (hBN)
hBN הוא רחב פס-band-gap 2D insulator המשמש כשכבה תת-סטריט ודיאלקטרית ב 2D hetero Structures. EELS של hBN מגלה B K-edge ו- N K-edge עם מבנה עדין חד-כימי, כי הוא רגיש מאוד ל-FLT:02FLT:1LT 1 .
Hetero Structures and Interfacial Analysis
אולי היישום החזק ביותר של EELS בהנדסה אלקטרוניקה הוא האופי של מבנים אנכיים hetero שנעשו על ידי ערימה של חומרים 2D שונים. אינטראקציות אינטרlayer להוביל להעברה, שינויים בסביבה דיאלקטרית מקומית, ואת היווצרות של תבניות moiré. EELS בשילוב עם תופעות הפיכה יכול למפות את ההרכב האלמנטרי על פני הרזולוציה אטומית.
היתרונות של EELS בהנדסה אלקטרוניקה
ללא תחרות סודיות ואנרגיה
עם מודרני תיקון STEMs, EELS יכול להשיג החלטות מרחביות מתחת 0.1 nm - מסוגל למפות עמודות אטומיות בודדים ואפילו אטומי דונט יחיד.רזולוציה האנרגיה, במיוחד עם מונוכמטורים, יכול להיות טוב יותר מ 10 meV עבור משקעים נמוכים, המאפשר מחקר של מודים מזויפים ואלקטרון-phonling זה הפיכה כפולה עושה החלטה אלקטרונית עבור מבנה 2D.
מטבוליזם מכני וכימיקלי
EELS משולב באופן שגרתי עם STEM גבוה ארקד שדה כהה כהה (HAADF) הדמיה, רגיש למספר אטומי. גישה זו corative מניבה הן מבניות (Z-contrast) והן מידע כימי (EELS) בסריקה אחת.עבור חומרים מעוכבים, זה אומר כי מספר, ערימה מכובד, וחלוקה אלמנטלית ניתן למדוד עבודה עדכנית כפי הנראה: מיפוי יחיד של חומרים אטומיים:2D.
רגישות למדינות אלקטרוניות ולונדינג
בניגוד לטכניקות כגון ספקטרום X-ray של אנרגיה (EDX), EELS רגיש מאוד לאלמנטים של C, N, O, B) ומספק מידע מבנה אלקטרוני ישיר באמצעות ELNES. זה חיוני ללימוד מצבי הוולנס של מתכות ב- TMDs, ההיבריזציה בממשקים, ואת ההיערכות ב-Heterostructures.
אפשרויות ל-Bam-Sensitive Materials
הפיתוח של גלאי אלקטרונים מהירים ותכניות רכישה נמוכות של אלקטרונים הפחית את הנזק של קרן אלקטרוני לחומרים 2D. EELS יכול להתבצע כעת על מסגרות אורגניות 2D covalent (COFs) וסרטים דקים מולקולריים שהיו בעבר שבריריים מדי.זה מרחיב את הרגישות של הטכניקה להעלאת שיעורים של חומרים אלקטרוניים מעוכבים.
השוואה עם טכניקות אפיון אחרות
ראומן Spectroscopy
Raman spectroscopy משמש נרחב עבור טביעות אצבע 2D חומרים בשל הרגישות שלה מספר שכבה, זן, ו doping. עם זאת, Raman מספק רק מידע מבנה אלקטרוני עקיף (באמצעות phonon-electron הפיכה) ויש לו מוגבל פתרון מרחבי (~0.5-1 μm עם confocal sאופטיקה). EELS מציע הרבה יותר פתרון מרחבי גבוה (ממטר לאטומי) ומדידת ישירה של מעבר אלקטרוני, כולל preshreshreshreshre, כולל פערים מהירים.
X-ray Photoelectron Spectroscopy (XPS)
XPS מספק ניתוח כימי רגיש פני השטח (למעלה 1-10 nm) והוא מצוין עבור קביעת הרכב האלמנטרי ואת מדינות כימיות. עם זאת, ההחלטה המרחבית שלה היא בדרך כלל מוגבלת כמה מיקרומטרים או גרוע יותר, אפילו עם מקורות סינכרון. EELS, עם רזולוציית תת-מטר, יכול לקבור ממשקים ב 2D hetero מבנים כי XPS לא יכול לגשת קונפוראלי, XPS הוא יותר עבור מודלים כמותיים עבור אלקטרוניקה מקומית הוא לא דורש רזולוציה גבוהה יותר.
איסוף מנהרה Microscopy ו- Spectroscopy (STM/STS)
STS מספק צפיפות מקומית של מדינות (LDOS) עם פתרון אטומי, השלמת EELS, אשר חוקרת את הרוב ולא על פני השטח.STM /STS מוגבל משטחים מוליכים ותנאים דלת-זמניים, בעוד EELS ניתן לבצע על insulators ובטמפרטורת החדר.עבור מכשירים המשלבים hBN או oxide, LS היא לעתים קרובות רק גישה למבנה מידע כולו.
שיקולים מעשיים ואסטרטגיות ניתוח נתונים
המונחים:
ניתוח EELS אמין של חומרים 2D דורש דגימות אלקטרונים- ⁇ - באופן חד פעמי או רק שכבות זעירות מועברות לרשתות TEM. פיזור מכני מניב דגימות באיכות גבוהה, אבל האזור מוגבל. Chemical vapor deposition (CVD) מספק אזורים גדולים יותר אבל מציג גבולות דגנים ו contaminants נכון להעביר שיטות (למשל, PM-APTMA יכול לנקות את משטחים חיוניים).
עיבוד נתונים ו- Quantification
Raw EEL spectra דורש preמעבדה זהירה: תת-קרקעית כהה, קבל נורמליזציה, ו deconvolution של שיא אפס-הפסד כדי להסיר השפעות פיזור מרובות (במיוחד חשוב עבור דגימות עבה יותר) הרקע תחת קצוות הליבה הוא בדרך כלל הוסר באמצעות מודל של חוק-חוק רחב. Quantification של יחס אטומי משתמש שילוב של ליבות הליבה עם קטגוריות מתאימות.
Beamנזק Mitigation
נזק Beam נשאר אתגר לחומרים רגישים 2D, במיוחד שכבות אורגניות או אלה עם מינים חלשים.אסטרטגיות כוללות שימוש במתחים האצה נמוכים (למשל, 60-80 kV במקום 200 kV), להפיץ את המינון על פני אזורים גדולים יותר, באמצעות רכישה מהירה עם אלקטרון נמוך פלוקס, וקירור Cryogenic. forTMDs, סף העקירה גבוה יותר מגרף, אך חשיפה ממושכת עלולה להוביל לאובדן סלניום או ניטור של ספקטרום של ספקטרום של ספקטרום של Elenium יכול להצביע על הספקטרום של ספקטרום של זמן.
תוצאות ויישומים חדשים
EELS (q-EELS)
EELS מסורתי משלבת מעל מגוון של העברות מומנטום.על ידי שימוש בספקטרום עם קצב כניסה אשר בוחר פיזור מסוים זוויות פיזור, מומנטום-resolved EELS (נקרא גם זווית-resolved EELS) יכול למפות את הפיזור של ציטוטים כגון plasmons, phons, ו- excitons.טכניקה זו כבר לאחרונה הוחלה 2D חומרים zen כדי להפיץ phos.
ב-Situ EELS תחת חשמל
הופעתם של בעלי קשר חשמליים עם אנשי קשר חשמליים מאפשרת EELS להתבצע על מכשירים 2D הפעלה. החוקרים יכולים ליישם מתח שער כדי לתמרן את רמת פרמי בערוץ גרפן ולהתבונן בשינויים בספקטרום EEL נמוך, כולל doping-תלוי פוליסת אנרגיה, באופן דומה, ב-EELS יושב שימש כדי לפקח על ההצתה והדההתות ב 2D, מעקב אחר חומרים כימיים של התפתחות אלקטרונית.
EELS
עם מונוכרומטורים להשיג sub-10 meV רזולוציה, עכשיו ניתן למדוד את מצבי הפוני של חומרים 2D ישירות. Phon EELS מגלה את צפיפות הרטט של מדינות, עם החלטה מומנטום, פיזור הפוני.זה יש השלכות על הבנה התנהגות תרמית (פרמטר מפתח לניהול מכשירים) ואלקטרון-קונפדינג הפיכה המשפיעה על ניידות.
אתגרים וכיוונים עתידיים
תגיות: Thickness and Multiple Scattering
בעוד חומרים 2D הם דקים מטבעם, ערער אותם לתוך מבנים hetero יכול ליצור אזורים עבה יותר.כמה פיזור אירועים יכול לעוות את האזור נמוך-הפסד, מה שהופך פרשנות של תכונות plasmon קשה. מתקדם deconvolution שגרתיות מודלים תלוי עובי תלוי מודלים נדרשים. חלק קבוצות לפתח רטיצ'וגרפיה אלקטרוני בשילוב עם EELS לתקן עבור מספר פיזור.
מהירות רכישה ו-Dose
דחיפה למחקרים דינמיים (למשל, מעברי שלב, אופניים אלקטרוכימיים) דורשת רכישה מהירה יותר של EELS.אדריכלות גלאי גלאי אלקטרונים ישירים עם שיעורי מסגרת גבוהה, מאפשרים EELS עם EELS עם £2 או microII החלטה. עם זאת, את הסחר בין זמן פתרון איכות ספק מרכזי (שלל-ל-לא-לא-מס) חייב להיות מנוהל בזהירות, במיוחד עבור חומרים רגישים במיוחד.
המונחים: Complex Spectra
המבנה המצוין של EELS יכול להיות עשיר אך קשה לפרש, במיוחד עבור חומרים עם אלמנטים מרובים וחיבור מעורב. ראשון-principles חישובים (למשל, תיאוריה פונקציונלית צפיפות, DFT) משמשים יותר ויותר כדי לדמות אלNES ו-Lo-loss-Los-spectra עבור חומרים ניסיוניים. Machine Learning מוחל גם כדי להתאים באופן אוטומטי תכונות ספקטרום וזיהוי שלב זהה: LT2DLStra עבור חומרים פשוטים עבור נתונים (DLStra עבור נתונים).
שילוב עם ה- Device fabrication
עבור EELS להיות כלי בקרת איכות שגרתית בהבחנה אלקטרוניקה, הטכניקה חייבת להיות מהירה יותר וגישה יותר. in-line EELS ב fab Semiconductor למחצה אינה צפויה עקב דרישות ריק, אבל סיווג של מבני הבחינה יכול להנחות אופטימיזציה תהליך.האתגר הוא לקשור נתונים EELS עם מדדי ביצועים כגון ניידות, עמידות מגע, וכוח דיאלקטרי בין מהנדסים אלה הם צורך כדי לבסס חומרים אלה.
מסקנה
אלקטרון אנרגיה אובדן ספקטרוסקופיה היא טכניקה מובילה לחשיפת הפיזיקה המורכבת והכימיה של חומרים 2D שכבתיים בקנה מידה האטומי.היכולת שלה למפה במקביל, הרכב, ונכסים אלקטרוניים הפכה אותו כלי חיוני במרוץ לפיתוח חומרים אלקטרוניים ואופטיואלקטרוניקה הדור הבא של מכשירים אלקטרוניים ואופטטרואלקטרוניקה. LS , גרף ו- TMDs כדי מורכבות van der Waals heterostructures, EE מספק תובנות ישירות לתוך ביצועים , בעוד ש-dic.
לקריאה נוספת על יסודות ויישומים אחרונים של EELS בחומרים 2D, ראה את הביקורת מקיפה על ידי FLT:0Egerton בטבע ביקורות חומרים EELSFLT:1 ואת המדריך המעשי על ידי LT:2 ניכולס et al. חומרים מתקדמים FLT 3: