低能電子顯微鏡

低能電子顯微鏡或LEEM是一種分析性表面科學技術，用于對原子清潔的表面，原子與表面的相互作用以及薄膜成像。在低能電子顯微鏡中，電子槍發射高能電子（15-20 keV），使用一套聚光鏡聚焦，然后通過電磁偏轉器（通常為60?或90?）發送。“快速”電子穿過物鏡，并在樣品表面附近開始減速至低能量（1-100 eV），因為樣品保持在接近噴槍電位的狀態。現在將低能電子稱為“表面敏感的”，并且可以通過調整入射電子的能量（樣品和電子槍電勢之差減去功函數）來改變近表面采樣深度樣本和系統）。低能量的彈性反向散射電子通過物鏡返回，再加速到電子槍電壓（因為物鏡接地），然后再次通過分束器。但是，現在電子從聚光鏡中移出，進入投影儀的鏡頭。將物鏡的后焦平面成像到投影儀鏡頭的物平面中（使用中間透鏡）會在成像平面上產生衍射圖樣，并以多種不同方式記錄。衍射強度分布圖案將取決于樣品表面的周期性，并且是電子波性質的直接結果。可以通過關閉中間透鏡并在物鏡的后焦平面（或在最先進的儀器中，在分離器的中央）插入對比光圈，來生成衍射圖樣強度的單個圖像。 （通過物鏡的激發來選擇），從而可以實時觀察表面上的動態過程。這些現象包括（但不限于）：層析成像、相變、吸附、反應、偏析、薄膜生長、蝕刻、應變消除、升華和磁微結構。由于樣本的可及性，因此可能進行這些調查。允許在很寬的溫度范圍內進行各種各樣的原位研究。

LEEM與常規電子顯微鏡的主要區別在于四個方面：

1. 由于樣品對低能電子不透明，因此樣品必須在成像光學系統的同一側（即通過物鏡）進行照明。
2. 為了分離入射的和彈性散射的低能電子，科學家使用磁性“電子棱鏡”分束器，將電子聚焦在電子束路徑的平面內和平面外（以避免圖像和衍射圖的畸變）。
3. 在靜電浸沒式物鏡中，物鏡使樣品接近噴槍的物鏡，僅在與樣品表面相互作用之前，才將高能電子減慢至所需能量。
4. 該儀器必須能夠在超高真空（UHV）或10?^-10托（760托= 1 atm，大氣壓）下工作，盡管“近環境壓力”（NAP-LEEM）儀器是通過增加更高的壓力室和差分泵送級，允許樣品室壓力高達10?^-1 mbar。

一個典型的LEEM裝置由電子槍組成，用于通過熱離子或從源頭發射場而產生電子。在熱電子發射中、電子逸出源尖端（通常由LaB ₆制成）通過電阻加熱和施加電場有效降低電子逃逸表面所需的能量。一旦獲得足夠的熱振動能，電子便可以克服靜電能壘，從而使電子進入真空并沿透鏡柱向下加速至噴槍電位（因為透鏡處于接地狀態）。在場發射中，源極尖端（通常是鎢）不是銳化尖端以從表面振動激發電子，而是將尖端銳化到一個小點，以便在施加大電場時它們集中在尖端，從而降低了逃逸的障礙從而使電子從尖端到真空能級的隧穿更加可行。

聚光器/照明光學器件用于聚焦離開電子槍的電子，并操縱和/或平移照明電子束。使用電磁四極電子透鏡，其數量取決于設計人員希望的分辨率和聚焦靈活性。但是，LEEM的最終分辨率通常由物鏡確定。

照明光束孔徑允許研究人員控制被照明樣品的區域（LEEM版本的電子顯微鏡的“選定區域衍射”，稱為微衍射），位于照明側的光束分離器中。

需要磁束分離器來分辨照明和成像束（同時又在空間上分離每個光學器件）。電子束分離器的技術已經有了很大的發展。早期的分離器在圖像或衍射平面中引入了畸變。但是，IBM最近開發了一種混合棱鏡陣列/嵌套二次場設計，將電子束聚焦在電子束路徑的平面內外，使圖像和衍射平面的偏轉和轉移不會失真或能量分散。

靜電浸沒物鏡用于通過樣品后面的2/3放大虛像來形成樣品的真實圖像。物鏡和樣品之間的靜電場的均勻性受到球形和色差的限制，而球形和色差大于任何其他透鏡，這最終決定了儀器的整體性能。

對比光圈位于光束分離器的投影機鏡頭一側的中央。在大多數電子顯微鏡檢查中，對比度孔徑被引入物鏡的后焦平面（實際衍射平面所在的位置）。但是，在LEEM中并非如此，因為無法進行暗視場成像（非鏡面光束的成像），因為光圈必須橫向移動并且會在較大偏移時攔截入射光束。因此，研究人員調整物鏡的激發，以便在光束分離器的中間產生衍射圖樣的圖像，并使用插入其中的對比度光圈選擇所需的光斑強度來成像。該孔徑允許科學家對可能特別感興趣的衍射強度成像。

照明光學器件用于放大圖像或衍射圖樣并將其投射到成像板或屏幕上。用于成像電子強度的成像板或屏幕，以便我們可以看到它。這可以通過許多不同的方式完成，包括磷光屏、成像板、CCD等。

在低能電子的平行束與標本相互作用之后，電子形成衍射或低能電子顯微鏡圖案，這取決于表面的周期性，并且是電子波性質的直接結果。重要的是要指出，在常規LEED中，整個樣品表面都由平行的電子束照射，因此衍射圖將包含有關整個表面的信息。

在LEEM儀器中進行的低能電子顯微鏡（由于甚至更低的電子能量，有時也稱為超低能量電子衍射（VLEED））限制了照射到束斑的區域，通常在平方微米的數量級。衍射圖樣在物鏡的后焦平面上形成，成像到投影透鏡的物鏡上（使用中間透鏡），最終的圖樣出現在磷光屏、照相板或CCD上。

由于反射電子被棱鏡彎曲而遠離電子源，因此即使從零著陸能量開始，也可以測量鏡面反射電子，因為在屏幕上看不到該源的陰影（這在常規LEED儀器中可以避免） 。值得注意的是，衍射光束的間距不會像常規LEED系統那樣隨動能而增加。這是由于被成像的電子被加速到成像柱的高能量，因此無論入射電子能量如何，都以恒定的K空間大小成像。

微衍射在概念上完全類似于低能電子顯微鏡。但是，與LEED實驗不同，在該實驗中，采樣表面積為幾平方毫米，它會在對表面成像的同時將照明和光束孔徑插入光束路徑，從而減小采樣表面積的大小。所選區域的范圍從平方微米的幾分之一到平方微米。如果表面不均勻，則從LEED實驗獲得的衍射圖樣會出現卷積，因此難以分析。在微衍射實驗中，研究人員可以專注于特定的島、階地、區域等，并檢索僅由單個表面特征組成的衍射圖樣，從而使該技術極為有用。

明場成像使用鏡面反射（0,0）光束形成圖像。也稱為相位或干涉對比成像，明場成像特別利用電子的波特性來產生垂直衍射對比，從而使表面上的臺階可見。

在暗場成像（也稱為衍射對比成像）中，研究人員選擇所需的衍射光斑，并使用對比光圈僅使對那個特定光斑有貢獻的那些電子通過。然后，在對比孔之后的像平面中，可以觀察到電子來自真實空間的位置。這項技術使科學家能夠研究在標本的哪些區域上存在一定晶格矢量（周期性）的結構。

衍射以及明場和暗場成像都可以作為電子著陸能量的函數來執行，從而針對一定范圍的能量測量衍射圖或圖像。這種測量方式（通常稱為LEEM-IV）會產生每個衍射點或樣品位置的光譜。以最簡單的形式，該光譜給出了表面的“指紋”，從而可以識別不同的表面結構。

明場光譜法的一個特殊應用是對層狀材料（例如石墨烯、六方氮化硼和某些過渡金屬二鹵化碳）中確切層數的計數。

在光發射電子顯微鏡（PEEM）中，暴露于電磁輻射（光子）后，二次電子從表面被激發并成像。PEEM最早是在1930年代初開發的，它使用紫外線（UV）誘導（二次）電子的光發射。但是，此后，這項技術取得了許多進步，其中最重要的是將PEEM與同步加速器光源配對，從而在軟X射線范圍內提供可調的，線性偏振的，左右圓形的輻射。這樣的應用程序使科學家能夠檢索表面的地形、元素、化學和磁性對比。

LEEM儀器通常配備有用于執行PEEM成像的光源。這有助于系統對齊，并可以在單個儀器中收集單個樣品的LEEM、PEEM和ARPES數據。

在鏡面電子顯微鏡中，電子在聚光鏡的延遲場中減慢到儀器的極限，因此只能與樣品的“近表面”區域相互作用。要了解確切的對比度變化是非常復雜的，但是這里要指出的重要一點是，該區域表面的高度變化會改變延遲場的屬性，從而影響反射（鏡面）光束。由于沒有散射事件發生，所以沒有形成LEED圖案，因此反射強度很高。

低能電子從表面的彈性反向散射很強。表面的反射系數以非單調的方式很大程度上取決于入射電子的能量和核電荷。因此，可以通過改變入射在表面的電子的能量來使對比度最大化。

SPLEEM使用自旋極化照明電子通過入射電子與表面的自旋-自旋耦合成像表面的磁性結構。

其他高級技術包括：

• 低能電子電位計：確定LEEM光譜的偏移可以確定局部功函數和電勢。
• ARRES：角分辨反射電子光譜。
• eV-TEM：在LEEM能量下的透射電子顯微鏡。