इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी

इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी (ईईएलएस) में सामग्री इलेक्ट्रॉनों के  बीम के संपर्क में आती है, जिसमें गतिज ऊर्जा की  ज्ञात, संकीर्ण सीमा होती है। कुछ इलेक्ट्रॉन अप्रत्यास्थ प्रकीर्णन से निकलेंगे, जिसका अर्थ है कि वे ऊर्जा खो देते हैं और उनके पथ थोड़े और यादृच्छिक ढंग से विक्षेपित हो जाते हैं। ऊर्जा हानि की मात्रा को  इलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोमीटर के माध्यम से मापा जा सकता है और ऊर्जा हानि के कारण के संदर्भ में व्याख्या की जा सकती है। बेलोचदार अंतःक्रियाओं में फोनन उत्तेजना अंतर- और अंतर-बैंड संक्रमण, plasmon उत्तेजना, आंतरिक खोल आयनीकरण और चेरेंकोव विकिरण सम्मलित हैं। सामग्री के मौलिक घटकों का पता लगाने के लिए आंतरिक-खोल आयनीकरण विशेष रूप से उपयोगी होते हैं। उदाहरण के लिए, कोई यह पा सकता है कि 285 इलेक्ट्रॉन वोल्ट कम ऊर्जा वाली सामग्री में अपेक्षा से अधिक संख्या में इलेक्ट्रॉन आते हैं, जब वे सामग्री में प्रवेश करते थे। यह लगभग कार्बन परमाणु से  आंतरिक खोल इलेक्ट्रॉन को निकालने के लिए आवश्यक ऊर्जा की मात्रा है, जिसे साक्ष्य के रूप में लिया जा सकता है कि नमूने में महत्वपूर्ण मात्रा में कार्बन उपस्तिथ है। कुछ देखभाल के साथ और ऊर्जा के हानि  की  विस्तृत श्रृंखला को देखते हुए, कोई भी परमाणुओं के प्रकार और प्रत्येक प्रकार के परमाणुओं की संख्या निर्धारित कर सकता है, जो बीम से टकरा रहे हैं। प्रकीर्णन कोण अर्थात, इलेक्ट्रॉन के पथ को विक्षेपित करने वाली राशि को भी मापा जा सकता है, जो किसी भी भौतिक उत्तेजना के फैलाव संबंध के बारे में जानकारी देता है, जिसके कारण अप्राप्य बिखराव होता है।

इतिहास
इस तकनीक का विकास 1940 के दशक के मध्य में जेम्स हिलियर और आरएफ बेकर ने किया था किन्तु अगले 50 वर्षों में व्यापक रूप से उपयोग नहीं किया गया था, केवल 1990 के दशक में सूक्ष्मदर्शी उपकरण और निर्वात तकनीक में प्रगति के कारण अनुसंधान में अधिक व्यापक हो गया था। दुनिया भर की प्रयोगशालाओं में आधुनिक उपकरण व्यापक रूप से उपलब्ध होने के साथ और  1990 के दशक के मध्य से तकनीकी वैज्ञानिक विकास तेजी से हुआ है। यह तकनीक ~0.1 nm तक के स्थानिक विभेदन को प्राप्त करने के लिए आधुनिक विपथन-सुधारित जांच प्रणाली का लाभ उठाने में सक्षम है, जबकि  मोनोक्रोमेटेड इलेक्ट्रॉन स्रोत और सावधानीपूर्वक विसंक्रमण के साथ ऊर्जा संकल्प 0.1 eV  श्रेष्ठतर हो सकता है। इसने परमाणुओं के एकल स्तंभों के परमाणु और इलेक्ट्रॉनिक गुणों के विस्तृत मापन को सक्षम किया है।

 ईडीएक्स के साथ तुलना

ईईएलएस को ऊर्जा फैलाने वाला एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी | एनर्जी-डिस्पर्सिव एक्स-रे स्पेक्ट्रोस्कोपी जिसे ईडीएक्स, ईडीएस, एक्सईडीएस, आदि इसके पूरक के रूप में कहा जाता है, जो कई इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी पर उपलब्ध  अन्य सामान्य स्पेक्ट्रोस्कोपी तकनीक है। ईडीएक्स सामग्री की परमाणु संरचना की पहचान करने में उत्कृष्टता प्राप्त करता है, उपयोग करने में काफी सरल  है और विशेष रूप से भारी तत्वों के प्रति संवेदनशील है। ईईएलएस ऐतिहासिक रूप से  अधिक कठिन तकनीक रही है, किन्तु सैद्धांतिक रूप से परमाणु संरचना, रासायनिक बंधन, संयुजता और प्रवाहकत्त्व  बैंड इलेक्ट्रॉनिक गुणों, सतह के गुणों और तत्व-विशिष्ट जोड़ी दूरी वितरण कार्यों को मापने में सक्षम है। ईईएलएस अपेक्षाकृत कम परमाणु संख्या पर सबसे अच्छा काम करता है, जहां उत्तेजना के किनारे तेज, अच्छी प्रकार से परिभाषित होते हैं और प्रयोगात्मक रूप से सुलभ ऊर्जा हानियों पर होते हैं संकेत लगभग 3 केवी ऊर्जा हानि से परे बहुत कमजोर होते हैं। ईईएलएस संभवतः कार्बन से लेकर अवधि 4 तत्व  डी-ब्लॉक तत्वों स्कैंडियम से जस्ता तक के तत्वों के लिए सबसे अच्छा विकसित है। कार्बन के लिए,  अनुभवी स्पेक्ट्रोस्कोपिस्ट  दृष्टि में हीरा, ग्रेफाइट, अक्रिस्टलीय कार्बन और खनिज कार्बन जैसे कार्बोनेट में दिखने वाला कार्बन के बीच अंतर बता सकता है। परमाणुओं के ऑक्सीकरण अवस्थाों  की पहचान करने के लिए 3डी संक्रमण धातुओं के स्पेक्ट्रा का विश्लेषण किया जा सकता है। Cu(I), उदाहरण के लिए, Cu(II) की तुलना में  अलग तथाकथित सफेद-रेखा तीव्रता अनुपात है।  तत्व के विभिन्न रूपों को फिंगरप्रिंट करने की यह क्षमता ईडीएक्स पर ईईएलएस का  मजबूत लाभ है। अंतर मुख्य रूप से दो तकनीकों के बीच ऊर्जा संकल्प में अंतर के कारण है (~ 1 eV या EELS के लिए बेहतर, संभवतः EDX के लिए कुछ दसियों eV)।

प्रकार
ईईएलएस के कई मूल स्वाद हैं, मुख्य रूप से ज्यामिति द्वारा और घटना इलेक्ट्रॉनों की गतिज ऊर्जा द्वारा वर्गीकृत सामान्यतः किलोइलेक्ट्रॉन-वोल्ट (केवी) में मापा जाता है। संभवतः सबसे साधारण आज संचरण ईईएलएस है, जिसमें गतिज ऊर्जा सामान्यतः  100 से 300 केवी होती है और घटना इलेक्ट्रॉन सामग्री नमूने के माध्यम से पूरी प्रकार से निकलते हैं। सामान्यतः  यह  संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी (टीईएम) में होता है, चूंकि कुछ समर्पित प्रणालियां उपस्तिथ हैं जो स्थानिक संकल्प की कीमत पर ऊर्जा और संवेग हस्तांतरण के स्थिति में चरम संकल्प को सक्षम करती हैं।

अन्य स्वादों में प्रतिबिंब ईईएलएस प्रतिबिंबित उच्च-ऊर्जा इलेक्ट्रॉन ऊर्जा-हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी (आरएचईईएलएस) सहित, सामान्यतः 10 से 30 केवी, और अलग ईईएलएस कभी-कभी निकट-क्षेत्र ईईएलएस कहा जाता है, जिसमें इलेक्ट्रॉन बीम वास्तव में हड़ताल नहीं करता है नमूना जबकि लंबी दूरी की कूलम्ब बातचीत के माध्यम से इसके साथ बातचीत करता है। एलोफ़ ईईएलएस विशेष रूप से सतह के गुणों के प्रति संवेदनशील है, किन्तु बहुत कम ऊर्जा हानियों तक सीमित है जैसे कि सतह के प्लास्मों या प्रत्यक्ष इंटरबैंड संक्रमण से  सम्मलित हैं।

संचरण ईईएलएस के भीतर, तकनीक को संयुजता ईईएलएस जो प्लास्मोन्स और इंटरबैंड ट्रांज़िशन को मापता है और इनर-शेल आयनीकरण ईईएलएस (जो एक्स-रे अवशोषण स्पेक्ट्रोस्कोपी के समान जानकारी प्रदान करता है, किन्तु बहुत कम मात्रा में सामग्री से) में विभाजित किया गया है। दोनों के बीच विभाजन रेखा, जबकि कुछ हद तक खराब परिभाषित है, 50 ईवी ऊर्जा हानि के आसपास है।

इंस्ट्रुमेंटल विकास ने उच्च संकल्प इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रोस्कोपी को खोल दिया है। ईईएलएस स्पेक्ट्रम का अल्ट्रा-लो एनर्जी लॉस हिस्सा, टीईएम में कंपन स्पेक्ट्रोस्कोपी को सक्षम करता है। ईईएलएस में आईआर-सक्रिय और गैर-आईआर-सक्रिय कंपन मोड दोनों उपस्तिथ हैं।

ईईएल स्पेक्ट्रम
इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि (ईईएल) स्पेक्ट्रम को मोटे तौर पर दो अलग-अलग क्षेत्रों में विभाजित किया जा सकता है: निम्न-हानि स्पेक्ट्रम (ऊर्जा हानि में लगभग 50eV तक) और उच्च-हानि स्पेक्ट्रम। कम-हानि स्पेक्ट्रम में शून्य-हानि  शिखर के साथ-साथ प्लास्मोन चोटियां भी सम्मलित हैं, और इसमें बैंड संरचना और नमूने के ढांकता हुआ गुणों के बारे में जानकारी सम्मलित है। उच्च-हानि  वाले स्पेक्ट्रम में आयनीकरण किनारे होते हैं जो नमूने में आंतरिक खोल आयनीकरण के कारण उत्पन्न होते हैं। ये नमूने में उपस्तिथ प्रजातियों के लिए विशेषता हैं, और जैसे नमूने के रसायन शास्त्र के बारे में सटीक जानकारी प्राप्त करने के लिए इसका उपयोग किया जा सकता है।

मोटाई माप
ईईएलएस संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी में स्थानीय मोटाई के त्वरित और विश्वसनीय माप की अनुमति देता है। सबसे कुशल प्रक्रिया निम्न है: इस प्रक्रिया का स्थानिक संकल्प प्लास्मोन स्थानीयकरण द्वारा सीमित है और लगभग 1 एनएम है, का अर्थ है कि ~1 nm रिज़ॉल्यूशन वाले स्कैनिंग संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी में स्थानिक मोटाई के मानचित्रों को मापा जा सकता है।
 * लगभग -5..200 eV (व्यापक रूप से बेहतर) ऊर्जा रेंज में ऊर्जा हानि स्पेक्ट्रम को मापें। ऐसा माप त्वरित (मिलीसेकंड) है और इस प्रकार इलेक्ट्रॉन बीम के तहत सामान्य रूप से अस्थिर सामग्री पर लागू किया जा सकता है।
 * स्पेक्ट्रम का विश्लेषण करें: (i) मानक रूटीन का उपयोग करते हुए जीरो-लॉस पीक (ZLP) निकालें; (ii) जेडएलपी के तहत इंटीग्रल की गणना करें (आई0) और पूरे स्पेक्ट्रम (I) के तहत।
 * मोटाई t की गणना mfp*ln(I/I0). यहाँ mfp इलेक्ट्रॉन अप्रत्यास्थ प्रकीर्णन का माध्य मुक्त पथ है, जिसे अधिकांश प्राथमिक ठोस और ऑक्साइड के लिए सारणीबद्ध किया गया है।

दबाव माप
कम ऊर्जा वाली ईएलएस चोटियों की तीव्रता और स्थिति दबाव से प्रभावित होती है। यह तथ्य ~1 nm स्थानिक विभेदन के साथ स्थानीय दबाव को मैप करने की अनुमति देता है।
 * पीक शिफ्ट विधि विश्वसनीय और सीधी है। चोटी की स्थिति को हीरा निहाई सेल का उपयोग करके स्वतंत्र (सामान्यतः ऑप्टिकल) माप द्वारा कैलिब्रेट किया जाता है। हालांकि, अधिकांश ईईएल स्पेक्ट्रोमीटर (0.3-2 ईवी, सामान्यतः  1 ईवी) का वर्णक्रमीय संकल्प अक्सर छोटे दबाव-प्रेरित पारियों के लिए बहुत कच्चा होता है। इसलिए, इस पद्धति की संवेदनशीलता और सटीकता अपेक्षाकृत खराब है। फिर भी, एल्यूमीनियम में हीलियम के बुलबुले के अंदर 0.2 GPa जितना छोटा दबाव मापा गया है।
 * पीक इंटेंसिटी विधि द्विध्रुवीय-निषिद्ध संक्रमणों की तीव्रता में दबाव-प्रेरित परिवर्तन पर निर्भर करती है। क्योंकि यह तीव्रता शून्य दबाव के लिए शून्य है, विधि अपेक्षाकृत संवेदनशील और सटीक है। हालाँकि, इसके लिए समान ऊर्जाओं के अनुमत और निषिद्ध संक्रमणों के अस्तित्व की आवश्यकता होती है और इस प्रकार यह केवल विशिष्ट प्रणालियों पर लागू होता है, उदाहरण के लिए, एल्यूमीनियम में Xe बुलबुले।

कॉन्फोकल ज्योमेट्री में प्रयोग करें
स्कैनिंग कन्फोकल इलेक्ट्रॉन ऊर्जा हानि माइक्रोस्कोपी (SCEELM) नया विश्लेषणात्मक माइक्रोस्कोपी उपकरण है जो नैनोमैटिरियल्स की गहराई सेक्शनिंग इमेजिंग में सब-10 एनएम गहराई रिज़ॉल्यूशन प्राप्त करने के लिए  डबल करेक्टेड संचरण इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी को सक्षम बनाता है। पूर्ण स्पेक्ट्रम अधिग्रहण क्षमता की कमी के कारण इसे पहले ऊर्जा फ़िल्टर्ड स्कैनिंग कन्फोकल इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी कहा जाता था ( समय में केवल 5 ईवी के आदेश पर  छोटी ऊर्जा खिड़की का उपयोग किया जा सकता है)। SCEELM नए विकसित रंगीन विपथन सुधारक का लाभ उठाता है जो 100 से अधिक ईवी ऊर्जा के इलेक्ट्रॉनों को लगभग उसी फोकल विमान पर केंद्रित करने की अनुमति देता है। यह प्रदर्शित किया गया है कि शून्य हानि, कम-हानि, और कोर हानि का  साथ अधिग्रहण गहन भेदभाव क्षमता के साथ कॉन्फोकल ज्यामिति में 400 eV तक संकेत करता है।

यह भी देखें

 * ऊर्जा फ़िल्टर्ड संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी
 * मैजिक एंगल (ईईएलएस)
 * संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी
 * स्कैनिंग संचरण इलेक्ट्रॉन माइक्रोस्कोपी

बाहरी संबंध

 * A Database of EELS fine structure fingerprints at Cornell
 * A database of EELS and X-Ray excitation spectra
 * Cornell Spectrum Imager, an EELS Analysis open-source plugin for ImageJ
 * HyperSpy, a hyperspectral data analysis Python toolbox especially well suited for EELS data analysis
 * EELSMODEL, software to quantify Electron Energy Loss (EELS) spectra by using model fitting