电子碰撞激发二次电子能谱精细结构研究：新谱数据分析方法及其在近自由电子金属中的应用

为解决二次电子能谱精细结构机制不明的问题，研究人员通过CMA（圆柱镜分析仪）测量了Li、Mg等近自由电子金属（NFE）及其化合物的能谱，提出对数微分谱（DLS）方法解析激发函数，发现二次电子精细结构主要源于等离子体衰变电子、慢速俄歇电子及带间跃迁激发电子。该研究为材料表面分析提供了新工具，成果发表于《Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena》。

　　

在材料科学领域，二次电子成像是表征表面结构的核心技术，尤其在超低加速电压（<2?kV）下可呈现物质分布特征。然而，这种材料对比度的物理机制长期未明，尤其是二次电子能谱中叠加在“无特征”背景上的精细结构，其起源众说纷纭：早期研究认为等离子体衰变（plasmon decay）是主导因素，但仅局限于铝等少数近自由电子金属（NFE）；俄歇电子贡献因谱线重叠难以量化；而带间跃迁激发电子的作用多限于直接发射案例。更棘手的是，传统能谱仪因能量轴漂移和强度标定问题，难以获取高精度数据。

针对这一难题，由Hashimoto Satoshi等人组成的研究团队利用自主设计的圆柱镜分析仪（CMA），通过绝对增益测量和法拉第杯电流检测技术，首次系统分析了Li、Mg、Al等NFE金属、Al₂
O₃
和GaAs化合物以及过渡金属Fe的二次电子能谱。他们创新性提出对数微分谱（Differential Logarithm Spectrum, DLS）方法——通过对数坐标下能谱微分处理，从“无特征”背景中提取出激发函数，从而解析精细结构的物理来源。

关键技术方法
研究采用CMA分析仪（消除补偿电极以形成均匀电场）测量200-500?V加速电压下的二次电子能谱，结合电子能量损失谱（EELS）对比。通过Ar离子溅射清除表面污染物，利用DLS算法分离背景与特征峰，定量分析等离子体衰变、俄歇过程及带间跃迁的贡献。

能量分布公式化突破
团队将二次电子能量分布N(E)分解为初级电子激发的本底N_v
(E)与各类激发贡献Nⁱ
_ex
(E)，建立数学模型。DLS分析显示，Al的能谱可划分为四个特征区：10?eV以下的低能区、10-70?eV的等离子体衰变主导区、70?eV以上的弹性散射区，以及叠加在背景上的俄歇电子峰。

NFE金属的普适性机制
在Al、Mg等金属中，DLS谱与EELS的等离子体峰位高度吻合，证实等离子体衰变电子通过级联过程（cascade process）产生10-50?eV的精细结构。慢速俄歇电子（如Al的LMM峰）则贡献了30?eV以下的特征峰。而在Al₂
O₃
中，带间跃迁将电子激发至未占据态，形成独特的15?eV和28?eV峰；GaAs则同时呈现等离子体衰变和带间跃迁的双重特征。

跨材料验证
过渡金属Fe的对比实验表明，其能谱缺乏NFE金属的典型等离子体峰，但保留俄歇电子特征，佐证了NFE金属机制的独特性。通过DLS方法，研究者首次实现三类激发源的定量分离：1）等离子体衰变电子；2）慢速俄歇电子；3）带间跃迁或内壳层激发电子。

这项研究不仅解决了二次电子能谱解析的长期争议，更通过CMA-DLS技术体系为材料表面分析建立了新范式。其核心价值在于：首次系统论证等离子体衰变在NFE金属中的普适性作用，阐明俄歇电子在级联过程中的定量贡献，并揭示带间跃迁在化合物体系中的独特效应。这些发现为超低电压电子显微镜的对比度优化、半导体界面态分析等应用提供了理论基础，相关方法已被拓展至石墨烯等新型材料的表征中。论文作者在讨论部分特别指出，该技术对理解异质结界面电子输运、催化剂表面活性位点探测等前沿课题具有潜在转化价值。