Современная электроника №6/2026

ВОПРОСЫ ТЕОРИИ 62 WWW.CTA.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 6 / 2026 Теория Ритчи о существовании поверхностных коллективных возбуж- дений была подтверждена в работе К.Дж. Пауэлла (C.J. Powell) и Дж.Б. Сво- на (J.B. Swan) [11]. В этой статье, опубликованной в журнале Physical Review, авторы изме- ряли спектры потерь энергии элек- тронов с энергиями 760, 1000, 1520 и 2020 эВ. В эксперименте «Powell & Swan» электроны, образовавшиеся в катоде, ускорялись фиксирован- ным напряжением, формируя пучок с очень узким энергетическим разбро- сом, который направлялся на метал- лическую мишень (рис. 4). В эксперименте Пауэлла и Суона (1959 г.) мишенями служили тонкие самоподдерживающиеся алюминие- вые плёнки (Thin Aluminum Foils). Плёнки изготавливались методом вакуумного напыления алюминия в виде гладких, однородных по тол- щине плёнок на подложку, которая затем растворялась. Толщина плёнок варьировалась от нескольких сотен до нескольких тысяч ангстрем (типично 100–1000 Å). Через такую мишень элек- троны могли пройти без критическо- го поглощения, но при этом успевали взаимодействовать с коллективными модами (плазмонами). При попадании на мишень часть электронов проходила её насквозь без взаимодействия, формируя так назы- ваемый «пик нулевых потерь» (Zero Loss Peak – ZLP), представляющий собой самый интенсивный, первый пик в спектре EELS. Этот пик позво- лял оценить толщину образца и раз- решение прибора. Другая часть электронов при про- хождении через мишень теряла энер- гию (ΔE) на возбуждение плазмонов или других коллективных мод. Вышед- ший из образца пучок попадал в энер- гоанализатор, который представлял собой аналог схемы Мёлленштедта, показанный на рис. 2. Регистрация рассеянных электронов осуществлялась с помощью детектора на основе пластического сцинтилля- тора и фотоумножителя (ФЭУ). Опре- деление зависимости интенсивности счёта от положения щели (магнитно- го поля) позволила авторам формиро- вать энергетические спектры потерь электронов для различной толщины плёнок (рис. 5). В результате многочисленных изме- рений авторы выявили двенадцать пиков потерь в своих спектрах и уста- новили, что каждый из них представ- ляет собой суперпозицию двух типов «элементарных» потерь энергии: 10,3 эВ и 15,3 эВ (рис. 5). То есть весь наблюдаемый спектр потерь алюми- ния можно разложить на комбина- ции двух фундаментальных потерь. Пик 15,3 эВ они отождествили с плаз- менным возбуждением в объёме алю- миния (Bulk Plasmon), согласно рабо- там Пайнса – Бома. В то же время пик 10,3 эВ обусловлен поверхностными плазмонами Ритчи (Surface Plasmon). Важным было то, что при умень- шении толщины плёнки положение и относительная интенсивность низ- коэнергетичного пика 10,3 эВ заметно менялись, тогда как поведение 15,3 эВ пика оставалось более объёмным. Это явилось ярким доказательством того, что два пика имеют разную физиче- скую природу: один объёмную, другой поверхностную. В следующей своей статье Пауэлл и Свон получили аналогичные резуль- таты для магния [12]. Затем Пауэлл продолжил работу на сплавах Al–Mg и Al–Cu, в которой показал, что если пики действительно имеют коллек- тивную природу, то при изменении состава сплава их энергии должны меняться не скачком, а непрерывно, вместе с электронной структурой и эффективной концентрацией свобод- ных электронов. Важным завершением этого цикла стала работа Пауэлла, в которой было продемонстрировано, что поверх- ностное окисление быстро приводит к исчезновению низкоэнергетиче- ских потерь у Al и Mg, тогда как объ- ёмный пик сохраняется по-другому. Это было практически прямым дока- зательством, что пик с низким уров- нем энергии расположен именно на поверхности и чрезвычайно чувстви- телен к её состоянию [13]. В описанном цикле работ Пауэлл и Свон не просто «замерили» энерге- тические потери в тонких металли- ческих плёнках, а провели и доско- нально описали параметрический эксперимент, предоставив возмож- ность другим лабораториям убедить- ся в достоверности полученных ими результатов. Эта работа легла в осно- ву стандарта для всех будущих EELS- исследований твёрдых тел. Методика измерений, которую использовали в своих экспериментах Пауэлл и Свон, постоянно модернизи- ровалась и оформилась со временем в отдельное направление, получив- шее общее название «Transmission Electron Microscopy – TEM». Исполь- зование компьютерной техники и машинной обработки результатов измерений привели к созданию в кон- Рис. 4. Схема измерения энергетических потерь электронов в эксперименте «Powell & Swan – 1959» Рассеянный электрон Падающий электрон Образец