在透射电子显微镜（ TEM )中，被高电压加速的电子照射到样品上，与样品发生各种相互作用。

由于TEM的样品厚度非常薄， 所以会有许多电子不发生相互作用就直接穿过样品， 这种电子称为透射电子。 除这种电子外， 其余的电子与样品发生散射， 可以分为弹性散射( elastic scattering) 和非弹性散射( inelastic scattering)两类。 对于弹性散射， 被散射电子的方向发生变化， 但能量不变。而电子的能量发生变化的所有的电子都属于非弹性散射电子。

下面这张示意图很清楚得展示了三种电子的区别：

简单来说，专门关注非弹性散射过程，将发生能量损失的电子谱展开，从而分析样品组成元素等特征的表征技术就是电子能量损失谱EELS。

如果你从事与材料分析有关的研究，大概率会接触到这种表征技术。尤其在与TEM联用后，可以很方便得用于研究样品所含的各类元素及比例，其内层壳电子激发谱的精细结构研究，又可以反应费米能级附近的态密度、原子间距等信息。

人射电子经受能量损失的过程有很多种，具有代表性的有：

(1)晶格振动引起的散射(声子激发)—约 0.1 eV 以下；

(2)价电子集体激发(等离子激发)—约 30 eV 以下；

(3)带间跃迁—约 10 eV 以下；

(4)内壳层电子激发(核心激发)—约 13 eV 以上；

(5)自由电子激发(放出二次电子)—约 50 eV 以下的背底；

(6)韧致辐射(发岀连续 X 射线)—主要是背底

大致的能量损失区间是很重要的一个参考标准，根据这个，可以快速粗略得初判EELS中各个能量损失峰背后的物理机制。当然，这也是物理所研究生面试的时候，很喜欢问的一类问题，考察你对典型物理现象的量化概念掌握程度。毕竟，搞研究不是周而复始得证明那些定理和公式，而是自己去处理分析一大堆被湮没在底噪中的确切数据。按照数量级，将各种数据进行预处理分类，是很重要的一步。不然，在实际研究中真的寸步难行。

举一个典型的氧化铁的电子能量损失谱EELS来具体说明：

在能量损失谱的最左侧， 有一个锐峰， 其能量损失为零， 称为零损失（ zero loss)峰，这对应的是入射电子能量。 在零损失峰的旁边， 出现一个伴随有等离子激发的电子能量损失峰，损失能量大致就在30eV以下，峰强也较弱。 而在损失能量较高的谱右侧区域， 可以观察到三个明显的内壳层电子激发的能量损失峰。根据能量损失峰的峰值和峰强分析，可以确定这三个峰分别代表了碳、氧、铁三种元素。这个样品是氧化铁，所以出现O-K峰和Fe-L峰不足为奇，之所以会有C-K峰，则是因为与试样重叠的支持膜中含有碳。

对于通常使用的 EEIS 仪器，分辨率的限制导致我们无法探测到上面所说的(1)声子激发， 而⑸和⑹的激发过程不形成明显的峰，一般只形成谱的背底。

本文是《张朝阳的物理课》6.10日线下课的拓展内容