EELS 電子能量損失能譜

電子能量損失能譜（Electron Energy Loss Spectroscopy, EELS） 是裝設在穿透式電子顯微鏡（TEM）下的高階成份分析檢測儀器，利用高能電子束穿透樣品時，與材料原子中的電子發生非彈性散射（Inelastic Scattering），導致入射電子產生特定程度的能量損失。

當電子束與材料中的原子作用時，可能會激發內層電子（Core Electrons）或價電子（Valence Electrons），使電子束失去對應的能量，透過量測與分析這些電子能量損失的分布情形，即可獲得材料在奈米甚至原子尺度下的重要資訊，包括元素種類、化學鍵結狀態、電子結構以及能帶結構等。

此外，EELS 亦可結合 Energy Filtered TEM（EFTEM，能量過濾成像） 技術，透過選擇特定能量範圍的電子來形成影像，有效提升影像對比度，並用於觀察樣品中特定元素或化學態的空間分布，使材料成分與結構的解析能力大幅提升。

在 EELS 光譜中，通常可分為兩個主要分析區域：

在電子顯微鏡材料分析中，電子能量損失能譜（EELS）與能量散射 X 光能譜（EDS / EDX）都是常用的元素分析技術，皆可結合 TEM 或 SEM 進行材料成分分析，但其分析原理與適用情境有所不同，實務上這兩種技術通常 互補使用，以獲得更完整的材料資訊。

EDS 主要透過電子束激發樣品後所產生的 特徵 X-ray 來判斷材料中的元素組成，因此非常適合快速辨識材料中存在的元素種類與分布；而 EELS 則是量測電子穿透樣品後所產生的 能量損失訊號，除了元素資訊外，還能進一步解析 化學鍵結、氧化態與電子結構等更深入的材料特性。

此外，EELS 在能量解析度與奈米尺度分析能力上具有優勢，其能量解析度可達 約 1 eV 或更低，能夠有效區分部分 EDS 難以分辨的元素訊號重疊問題，例如半導體材料中常見的元素訊號干擾。

在實際材料分析中，EELS 與 EDS 通常會 搭配使用，例如在半導體材料或奈米材料分析中，EDS 可快速確認材料中的元素組成；EELS 則可進一步解析元素的化學態與電子結構，透過兩種技術的整合分析，可以更完整地理解材料的 元素組成、化學鍵結與奈米尺度結構特性，對先進半導體製程與奈米材料研究具有重要價值。

閎康科技具備完整的 TEM / STEM / EELS 整合分析平台，能夠針對先進材料與半導體製程結構進行奈米尺度的元素與化學鍵結分析。透過高解析能量分析系統與專業資料解析能力，可深入解析材料中的 元素分布、化學鍵結狀態與電子結構，提供高可信度的材料微觀結構資訊，EELS 分析在奈米材料研究中具有極高價值，因其具備 高能量解析度、高空間解析度與對低原子序元素的高靈敏度，能夠分析碳、氮、氧等元素的分布與化學態，並在奈米尺度下進行精確的元素 mapping 與化學鍵結判讀，閎康科技可透過 STEM-EELS 掃描分析與 Energy-Filtered TEM 技術，建立材料在奈米尺度下的成分與電子結構分布，並可應用於先進半導體製程材料與奈米材料研究。

圖｜Energy Filtered TEM

 

能量過濾成像觀察材料結構差異

利用 Energy Filtered TEM 技術，透過選擇不同能量範圍的電子訊號，可觀察材料結構的對比變化。不同能量過濾條件下，材料內部結構與元素分布會呈現不同影像特徵。

圖｜Near Edge Fine Structure (ELNES)

 

化學鍵結與氧化態分析

利用 EELS 的 Near Edge Fine Structure（ELNES） 分析，可辨識不同化學鍵結狀態，圖中顯示 16 nm 半導體製程 FinFET 柵極氧化層的氧元素能譜差異，藉此區分不同氧化物材料。

圖｜STEM-EELS Line Scan

 

奈米尺度元素分布分析

結合 STEM 掃描與 EELS 能譜分析，可沿指定路徑進行線掃描（Line Scan），獲得材料中元素濃度的奈米尺度變化，常用於半導體低介電材料或多層薄膜材料分析。