低能电子显微镜

低能电子显微镜或LEEM是一种分析性表面科学技术，用于对原子清洁的表面，原子与表面的相互作用以及薄膜成像。在低能电子显微镜中，电子枪发射高能电子（15-20 keV），使用一套聚光镜聚焦，然后通过电磁偏转器（通常为60˚或90˚）发送。“快速”电子穿过物镜，并在样品表面附近开始减速至低能量（1-100 eV），因为样品保持在接近喷枪电位的状态。现在将低能电子称为“表面敏感的”，并且可以通过调整入射电子的能量（样品和电子枪电势之差减去功函数）来改变近表面采样深度样本和系统）。低能量的弹性反向散射电子通过物镜返回，再加速到电子枪电压（因为物镜接地），然后再次通过分束器。但是，现在电子从聚光镜中移出，进入投影仪的镜头。将物镜的后焦平面成像到投影仪镜头的物平面中（使用中间透镜）会在成像平面上产生衍射图样，并以多种不同方式记录。衍射强度分布图案将取决于样品表面的周期性，并且是电子波性质的直接结果。可以通过关闭中间透镜并在物镜的后焦平面（或在最先进的仪器中，在分离器的中央）插入对比光圈，来生成衍射图样强度的单个图像。 （通过物镜的激发来选择），从而可以实时观察表面上的动态过程。这些现象包括（但不限于）：层析成像、相变、吸附、反应、偏析、薄膜生长、蚀刻、应变消除、升华和磁微结构。由于样本的可及性，因此可能进行这些调查。允许在很宽的温度范围内进行各种各样的原位研究。

LEEM与常规电子显微镜的主要区别在于四个方面：

1. 由于样品对低能电子不透明，因此样品必须在成像光学系统的同一侧（即通过物镜）进行照明。
2. 为了分离入射的和弹性散射的低能电子，科学家使用磁性“电子棱镜”分束器，将电子聚焦在电子束路径的平面内和平面外（以避免图像和衍射图的畸变）。
3. 在静电浸没式物镜中，物镜使样品接近喷枪的物镜，仅在与样品表面相互作用之前，才将高能电子减慢至所需能量。
4. 该仪器必须能够在超高真空（UHV）或10 ^-10托（760托= 1 atm，大气压）下工作，尽管“近环境压力”（NAP-LEEM）仪器是通过增加更高的压力室和差分泵送级，允许样品室压力高达10 ^-1 mbar。

一个典型的LEEM装置由电子枪组成，用于通过热离子或从源头发射场而产生电子。在热电子发射中、电子逸出源尖端（通常由LaB ₆制成）通过电阻加热和施加电场有效降低电子逃逸表面所需的能量。一旦获得足够的热振动能，电子便可以克服静电能垒，从而使电子进入真空并沿透镜柱向下加速至喷枪电位（因为透镜处于接地状态）。在场发射中，源极尖端（通常是钨）不是锐化尖端以从表面振动激发电子，而是将尖端锐化到一个小点，以便在施加大电场时它们集中在尖端，从而降低了逃逸的障碍从而使电子从尖端到真空能级的隧穿更加可行。

聚光器/照明光学器件用于聚焦离开电子枪的电子，并操纵和/或平移照明电子束。使用电磁四极电子透镜，其数量取决于设计人员希望的分辨率和聚焦灵活性。但是，LEEM的最终分辨率通常由物镜确定。

照明光束孔径允许研究人员控制被照明样品的区域（LEEM版本的电子显微镜的“选定区域衍射”，称为微衍射），位于照明侧的光束分离器中。

需要磁束分离器来分辨照明和成像束（同时又在空间上分离每个光学器件）。电子束分离器的技术已经有了很大的发展。早期的分离器在图像或衍射平面中引入了畸变。但是，IBM最近开发了一种混合棱镜阵列/嵌套二次场设计，将电子束聚焦在电子束路径的平面内外，使图像和衍射平面的偏转和转移不会失真或能量分散。

静电浸没物镜用于通过样品后面的2/3放大虚像来形成样品的真实图像。物镜和样品之间的静电场的均匀性受到球形和色差的限制，而球形和色差大于任何其他透镜，这最终决定了仪器的整体性能。

对比光圈位于光束分离器的投影机镜头一侧的中央。在大多数电子显微镜检查中，对比度孔径被引入物镜的后焦平面（实际衍射平面所在的位置）。但是，在LEEM中并非如此，因为无法进行暗视场成像（非镜面光束的成像），因为光圈必须横向移动并且会在较大偏移时拦截入射光束。因此，研究人员调整物镜的激发，以便在光束分离器的中间产生衍射图样的图像，并使用插入其中的对比度光圈选择所需的光斑强度来成像。该孔径允许科学家对可能特别感兴趣的衍射强度成像。

照明光学器件用于放大图像或衍射图样并将其投射到成像板或屏幕上。用于成像电子强度的成像板或屏幕，以便我们可以看到它。这可以通过许多不同的方式完成，包括磷光屏、成像板、CCD等。

在低能电子的平行束与标本相互作用之后，电子形成衍射或低能电子显微镜图案，这取决于表面的周期性，并且是电子波性质的直接结果。重要的是要指出，在常规LEED中，整个样品表面都由平行的电子束照射，因此衍射图将包含有关整个表面的信息。

在LEEM仪器中进行的低能电子显微镜（由于甚至更低的电子能量，有时也称为超低能量电子衍射（VLEED））限制了照射到束斑的区域，通常在平方微米的数量级。衍射图样在物镜的后焦平面上形成，成像到投影透镜的物镜上（使用中间透镜），最终的图样出现在磷光屏、照相板或CCD上。

由于反射电子被棱镜弯曲而远离电子源，因此即使从零着陆能量开始，也可以测量镜面反射电子，因为在屏幕上看不到该源的阴影（这在常规LEED仪器中可以避免） 。值得注意的是，衍射光束的间距不会像常规LEED系统那样随动能而增加。这是由于被成像的电子被加速到成像柱的高能量，因此无论入射电子能量如何，都以恒定的K空间大小成像。

微衍射在概念上完全类似于低能电子显微镜。但是，与LEED实验不同，在该实验中，采样表面积为几平方毫米，它会在对表面成像的同时将照明和光束孔径插入光束路径，从而减小采样表面积的大小。所选区域的范围从平方微米的几分之一到平方微米。如果表面不均匀，则从LEED实验获得的衍射图样会出现卷积，因此难以分析。在微衍射实验中，研究人员可以专注于特定的岛、阶地、区域等，并检索仅由单个表面特征组成的衍射图样，从而使该技术极为有用。

明场成像使用镜面反射（0,0）光束形成图像。也称为相位或干涉对比成像，明场成像特别利用电子的波特性来产生垂直衍射对比，从而使表面上的台阶可见。

在暗场成像（也称为衍射对比成像）中，研究人员选择所需的衍射光斑，并使用对比光圈仅使对那个特定光斑有贡献的那些电子通过。然后，在对比孔之后的像平面中，可以观察到电子来自真实空间的位置。这项技术使科学家能够研究在标本的哪些区域上存在一定晶格矢量（周期性）的结构。

衍射以及明场和暗场成像都可以作为电子着陆能量的函数来执行，从而针对一定范围的能量测量衍射图或图像。这种测量方式（通常称为LEEM-IV）会产生每个衍射点或样品位置的光谱。以最简单的形式，该光谱给出了表面的“指纹”，从而可以识别不同的表面结构。

明场光谱法的一个特殊应用是对层状材料（例如石墨烯、六方氮化硼和某些过渡金属二卤化碳）中确切层数的计数。

在光发射电子显微镜（PEEM）中，暴露于电磁辐射（光子）后，二次电子从表面被激发并成像。PEEM最早是在1930年代初开发的，它使用紫外线（UV）诱导（二次）电子的光发射。但是，此后，这项技术取得了许多进步，其中最重要的是将PEEM与同步加速器光源配对，从而在软X射线范围内提供可调的，线性偏振的，左右圆形的辐射。这样的应用程序使科学家能够检索表面的地形、元素、化学和磁性对比。

LEEM仪器通常配备有用于执行PEEM成像的光源。这有助于系统对齐，并可以在单个仪器中收集单个样品的LEEM、PEEM和ARPES数据。

在镜面电子显微镜中，电子在聚光镜的延迟场中减慢到仪器的极限，因此只能与样品的“近表面”区域相互作用。要了解确切的对比度变化是非常复杂的，但是这里要指出的重要一点是，该区域表面的高度变化会改变延迟场的属性，从而影响反射（镜面）光束。由于没有散射事件发生，所以没有形成LEED图案，因此反射强度很高。

低能电子从表面的弹性反向散射很强。表面的反射系数以非单调的方式很大程度上取决于入射电子的能量和核电荷。因此，可以通过改变入射在表面的电子的能量来使对比度最大化。

SPLEEM使用自旋极化照明电子通过入射电子与表面的自旋-自旋耦合成像表面的磁性结构。

其他高级技术包括：

• 低能电子电位计：确定LEEM光谱的偏移可以确定局部功函数和电势。
• ARRES：角分辨反射电子光谱。
• eV-TEM：在LEEM能量下的透射电子显微镜。