看懂 EELS 谱图：零损失峰、低损失区、芯损失区有何用？

EELS作为集成在透射电子显微镜（Transmission Electron Microscope，TEM）中的一项强大分析技术，其表征的过程主要分为三步：

1、电子入射：用已知能量的高能电子束（TEM电子束）照射在薄样品上。

2、能量损失：入射电子与样品中的原子相互作用，会激发原子内层电子、等离子体振荡等过程损失部分能量。

3、数据记录：通过能量分析器测量电子损失后的能量分布，并绘制以“能量损失值-电子计数”为横-纵坐标的EELS谱图，并通过谱图解析获取样品信息。

图2 典型电子能量损失谱（EELS）装置示意图

（DOI：10.1002/adfm.202107190）

EELS谱图的核心价值在于不同峰/区域的能量损失信号，其可明确划分为：零损失峰（ZLP）、低损失区、芯损失区。各峰/区域的具体作用如下：

零损失峰（Zero-Loss Peak，ZLP）：位于谱图最左侧，能量损失为0eV

(1) 谱图校准的“基准原点”

ZLP能量位置定义为能量损失-0 eV，为所有峰的校准标准。

(2) 测量样品厚度

ZLP的峰值强度结合Egerton公式可以计算样品厚度。

低损失区（Low-loss Excitations）：能量范围通常为0-50eV，部分场景可拓展至100eV

入射电子与外层电子相互作用，激发价电子（价电子激发峰）和等离子体振荡（等离子体峰）。

(1) 等离子体峰（Plasmon Peak）

不同材料的等离子体峰位不同，可用于材料识别与相区分。

如：电池材料中，Li金属的等离子体峰=7eV，Li2O=15eV。

(2) 价电子激发峰（Valence Excitation Peaks）

入射电子占据外层轨道跃迁到空轨道，峰位对应轨道能级差。可用于化学键和官能团的识别，特定化学键对应特征激发峰。

如：聚合物中，C=C的π-π跃迁峰=7eV，C=O的π-π跃迁峰=5eV，可通过特征峰的有无判断官能团的存在与否

芯损失区（Core-Loss Excitations）：能量范围通常＞50eV

入射电子与样品内层电子（Core电子，如C 1s、O 1s）相互作用，将内层电子激发至空轨道，形成吸收边。

(1) 电离边位置：元素定性分析

不同元素的内层电子结合能固定，电离边的能量损失值可作为元素的“特征指纹”，尤其擅长轻元素的分析。

如：Li K-edge=55eV，C K-edge=284eV，O K-edge=532eV

（2）边前背底扣除：元素定量分析

芯损失区的背景信号（边前）由电子多重散射与二次激发产生，通过各种方法扣除，可获得真实的元素特征峰强度，从而计算元素的相对含量。

（3）能量损失近边结构（ELNES）：化学环境与价态分析

内层电子激发后跃迁收到周围原子的化学键、配位环境、氧化态影响，表现为电离边后的峰形、峰位差异，可用于氧化态的判断，化学键与配位环境分析。

如：Fe的L_2,3-edge中，Fe²⁺的L₂峰=721eV，Fe³⁺的L₃峰=708eV，可通过峰位置偏移区分材料中的Fe的价态信息。

图3 典型EELS谱图及各峰/区域的名字与相应意义

（DOI：10.1002/adfm.202107190）