利用铝膜表面等离子体激元色散实现qEELS动量标定的原位方法及其在介电常数测量中的应用

本文介绍了一种基于铝膜表面等离子体激元（SPP）色散拟合的原位标定方法，用于解决低能损区动量分辨电子能量损失谱（qEELS）在纳米尺度光学测量中的动量标定难题。该方法通过拟合SPP色散曲线，可同步实现动量标定和表面层介电常数（εr）的精准测量，对理解材料光学性质与非局域效应具有重要意义。

　　

Section snippets

Experiment: Sample preparation and TEM set up

通过电子束蒸发在新鲜解理的NaCl单晶基底上制备了130 nm厚铝膜，并转移至钼TEM网格。样品在透射电镜（TEM）中保持≥350°C且残余气体压力低于5×10^?8 torr，以防止污染堆积。

Detection of a bulk plasmon peak and SPP dispersion curves

首先从谱图中识别体等离子体激元（BP）峰（铝为15.0 eV），随后手动选取SPP色散曲线区域（图3a）。通过提取每个动量（y方向）对应的能量损失（x方向）强度最大值，获得SPP色散数据。能量轴通过已知BP能量标定，动量轴则通过SPP色散拟合实现标定。

The effect of sample tilt

研究了样品倾斜（-6°至+13.3°）对SPP色散的影响。以0°倾斜测得的介电常数（ε_r）为基准，计算其他倾斜角度下的上下分支动量值（q_upper和q_lower）。结果显示，ε_r在倾斜范围内变化保持在±11%内，表明该方法对倾斜不敏感。

Detection of SPP dispersion curve and fitting

实验SPP强度剖面（图4）可通过三个高斯峰拟合：分别对应上分支SPP、下分支SPP及零损失峰（ZLP）的角向展宽。ZLP的存在使得SPP峰位需通过拟合精确提取，而非直接取强度最大值。

Discussion

本研究提供了qEELS动量标定的实用方法，并可同步获取表面层介电常数（ε_r）。通过该方法成功区分了氧化层与碳污染层，印证了表面化学状态对SPP色散的影响（如Stern和Ferrel及Batson等人所述）。

Conclusion

针对价带区qEELS的微小角度范围（300 keV电子能量下约±30 μrad），本研究提出了一种基于金属/半导体样品表面等离子体色散拟合的原位标定方法。相较于衍射光栅标定，该方法无需特定取向安装，且可与样品结构分析（如电子衍射、化学图谱）同步进行，为关联材料光学与结构性质提供了新途径。