材料分析(EDS)实验报告

材料专业实验报告 题 目 电子探针能谱 EDS 元素分析实验 学 院 先进材料与纳米科技学院 专 业 材料物理与化学 姓 名 学 号 2016 年 6 月 30 日 电子探针能谱 EDS 元素分析实验 1 实验目的 1 了解能谱仪 EDS 的结构和工作原理 2 掌握能谱仪 EDS 的分析方法 特点及应用 2 实验原理 在现代的扫描电镜和透射电镜中 能谱仪 EDS 是一个重要的附件 它同主机共用一 套光学系统 可对材料中感兴趣部位的化学成分进行点分析 面分析 线分析 它的主要 优点有 1 分析速度快 效率高 能同时对原子序数在 11 92 之间的所有元素 甚至 C N O 等超轻元素 进行快速定性 定量分析 2 稳定性好 重复性好 3 能用 于粗糙表面的成分分析 断口等 4 能对材料中的成分偏析进行测量 等等 1 EDS 的工作原理 探头接受特征 X 射线信号 把特征 X 射线光信号转变成具有不同高度的电脉冲信号 放大器放大信号 多道脉冲分析器把代表不同能量 波长 X 射线的脉冲信号按高度编入 不同频道 在荧光屏上显示谱线 利用计算机进行定性和定量计算 2 EDS 的结构 1 探测头 把 X 射线光子信号转换成电脉冲信号 脉冲高度与 X 射线光子的能量成正比 2 放大器 放大电脉冲信号 3 多道脉冲高度分析器 把脉冲按高度不同编入不同频道 也就是说 把不同的特征 X 射 线按能量不同进行区分 4 信号处理和显示系统 鉴别谱 定性 定量计算 记录分析结果 3 EDS 的分析技术 1 定性分析 EDS 的谱图中谱峰代表样品中存在的元素 定性分析是分析未知样品的第一 步 即鉴别所含的元素 如果不能正确地鉴别元素的种类 最后定量分析的精度就毫无意 义 通常能够可靠地鉴别出一个样品的主要成分 但对于确定次要或微量元素 只有认真 地处理谱线干扰 失真和每个元素的谱线系等问题 才能做到准确无误 定性分析又分为 自动定性分析和手动定性分析 其中自动定性分析是根据能量位置来确定峰位 直接单击 操作 定性分析 按钮 即可在谱的每个峰位置显示出相应的元素符号 自动定性分析识 别速度快 但由于谱峰重叠干扰严重 会产生一定的误差 2 定量分析 定量分析是通过 X 射线强度来获取组成样品材料的各种元素的浓度 根据实 际情况 人们寻求并提出了测量未知样品和标样的强度比方法 再把强度比经过定量修正 换算成浓度比 最广泛使用的一种定量修正技术是 ZAF 修正 3 元素的面分布分析 在多数情况下是将电子束只打到试样的某一点上 得到这一点的 X 射线谱和成分含量 称为点分析方法 在近代的新型 SEM 中 大多可以获得样品某一区域 的不同成分分布状态 即 用扫描观察装置 使电子束在试样上做二维扫描 测量其特征 X 射线的强度 使与这个强度对应的亮度变化与扫描信号同步在阴极射线管 CRT 上显示出 来 就得到特征 X 射线强度的二维分布的像 这种分析方法称为元素的面分布分析方法 它是一种测量元素二维分布非常方便的方法 3 实验设备和材料 1 实验设备 NORAN System SIX 2 实验材料 ZnO 压敏断面 4 实验内容与步骤 一 点分析 一 点分析 该模式允许在电镜图像上采集多个自定义区域的能谱 1 1 采集参数设置 采集参数设置 由该模式的目的可知 其采集参数设置包括电镜图像采集参数设置和能谱采集参数设置 对其进行合理设置 2 2 采集过程 采集过程 单击采集工具栏中的采集开始按钮 采集一幅电镜图像 可以立即采集独立区的能谱 也 可以批量采集多区域的能谱 立即采集独立区域的能谱立即采集独立区域的能谱 1 单击点扫工具栏中的立即采集按钮 使其处于被按下的状态 2 选择一种区域形状 3 在电镜图像上指定区域位置 4 等待采集完成 5 如想增加一个新区域 单击指定一个新的区域位置 批量采集多区域的能谱批量采集多区域的能谱 1 单击点扫工具栏中的立即采集按钮 使其处于抬起的状态 2 单击点扫工具栏中的批量采集按钮 使其处于被按下的状态 3 选择一种区域形状 4 在电镜图像上指定区域位置 5 重复第 3 4 步 指定多个区域 6 单击采集工具栏中的按钮 系统将采集每一个区域的谱图 3 查看信息 1 单击点扫工具栏中的重新查看按钮 2 在电镜图像上单击想要查看信息的区域 全谱分析模式分析 该模式可以对所采电镜图像的每一个像素点采集一组经过死时间修正的能谱数据 一 旦采集 并存储后 就可以在脱离电镜支持的条件下 生成能谱进行定性 定量分析 生成 面分布图像 生成线扫描图像 输出报告等 1 1 采集参数设置采集参数设置 该模式下的采集参数设置分为以下两部分 1 电镜图像采集参数设置 该部分参考 Averaged Acquisition 平均采集参数设置 2 面分布图像采集参数设置 单击采集工具栏中的采集参数设置按钮 打开采集参数设置对话框 进行设置 2 2 采集过程 采集过程 单击采集工具栏中的采集按钮 进行电镜图像的采集和面分布采集 3 3 提取所需信息 提取所需信息 1 在提取工具栏中选择一种提取工具 在电镜图像上确定提取区域 即可获得提取信息 2 对于 Spot 圆圈和 Linescan 线提取方式 可以进行参数设置 方法是 在电镜图像上 右击鼠标 在弹出的对话框中选中 Image Extract 图像提取选项卡 在这里可以设置圆圈 半径 线宽度及线上的取样点数 2 2 线扫描线扫描 1 在线扫描图像上右击鼠标 在弹出的对话框中 可以改变标题名称 改变背景色 选 择线扫描线的显示方式 是否显示光标 是否显示栅格 是否使用粗线条等 2 如想去除某个元素的线扫描 在元素周期表中右击该元素后选择 Inactive 3 在电镜图像和线扫描图像上都使用图像强度光标 当移动某一个光标时 另一个光标 也随之移动 电镜图像上的光标指示出当前光标所在位置的横 纵坐标及灰度值 线扫描 图像上的光标指示出当前光标所在位置的某一元素的计数值 4 将某一元素的线扫描图像叠加在电镜图像上显示 单击线扫描图像下的该元素标签 即可叠加 不叠加显示该元素的线扫描图像 叠加属性可按如下方式修改 单击菜单 EditProperties 并选择 Linescan Overlay 选项卡 如下图所示 3 3 面分布面分布 1 在面分布图像上右击鼠标 在弹出的对话框中 可以改变光标颜色 是否显示光标 是否叠加于电镜图像上 改变面分布颜色 面分布对比度亮度等 2 如想去除某个元素的面分布 在元素周期表中右击该元素后选择 Inactive 3 在电镜图像和面分布图像上都使用图像强度光标 当移动某一个光标时 另一个光 标也随之移动 电镜图像上的光标指示出当前光标所在位置的横 纵坐标及灰度值 面分 布图像上的光标指示出当前光标所在位置的某一元素的计数值 4 将某一面分布图像叠加在电镜图像上显示 单击面分布图像上的元素标签 即可叠 加 不叠加显示该面分布图像 实验完成后 将所需的扫描图像保存 5 实验结果及讨论 分别对 ZnO 压敏断面进行全谱分析 点分析 线分析 面分析 首先截取所选的分析图样 如下图所示 全谱分析模式全谱分析模式 Live Time 100 0 sec Detector Pioneer Quantitative Results Base 10 Element Line Weight Weight Error Atom Atom Error C K 4 33 0 83 17 96 3 46 O K 5 48 0 30 17 09 0 92 Zn K 81 50 3 67 62 16 2 80 Sb L 4 15 0 38 1 70 0 16 Bi M 4 54 0 61 1 08 0 14 Total100 00100 00 全谱分析结果表明 样品中含有 C O Zn Sb Bi 等元素 其中 Zn 的质量浓度最 大 依次排序为 Zn O Bi C Sb 同时 Zn 的原子浓度最大 依次排序为 Zn C O Sb Bi 点分析模式点分析模式 a b 图 b 反映了点 1 附近富含 Zn 元素 同时含有少量的 O C 元素 说明在大晶粒中 ZnO 占主要成分 即 ZnO 富集区杂质含量较少 c d 图 c 反映了点 2 附近富含 Bi 元素 同时含有少量的 Zn O C 元素 说明在小晶 粒中 Bi 已经掺杂进入主晶相 图 d 反映了点 3 附近富含 Zn 元素 同时含有少量的 O C 元素 e f 图 e 反映了点 4 附近富含 Zn 元素 同时含有少量的 O C 元素 说明在大晶粒中 ZnO 占主要成分 即 ZnO 富集区杂质含量较少 图 f 反映了点 5 附近富含 Zn 元素 同 时含有少量的 O Be 元素 说明在大晶粒中 ZnO 占主要成分 即 ZnO 富集区杂质含量较 少 面分析模式面分析模式 面分析结果表明 1 样品中 Zn 元素含量最多 其次是 O 元素 验证 ZnO 为主要 成分 2 样品中 Bi Sb 元素含量较少 且分布较为均匀 应该是少量的掺杂 3 Sb 元素含量较少 在小晶粒中含量较多 Bi 元素含量较少 在晶界中分布较多 根据晶体生长理论及固体物理知识 样品主要成分 ZnO 晶粒生长所需能量较少 因此 形成的晶粒较大 而重金属元素如 Sb 在小晶粒中取代 Zn 的位置 使得晶粒在生长时需要 较多的能量 因此晶粒的尺寸相对较小 而晶界处常常是空位 畸变和位错的富集区 因 此一些元素如 Bi 常常在晶界处富集 线分析模式线分析模式 Accelerating Voltage 15 0 kV Magnification 3500 线分析结果表明 1 样品主要元素为 Zn O 富集在大晶粒中 其次是小晶粒中 晶界中含量最少 2 掺入的 Sb 元素主要富集在小晶粒中 分布比较均匀 说明掺杂效 果较好 3 晶界处富集较多的 Bi 元素 六 思考题 1 扫描电镜的成像质量与哪些因素有关 1 倾斜角效影响图像因素 由于二次电子的发射是入射电子碰撞样品的海外电子 使原子外层受激发而电离出来 的电子 且电子在逸出样品表面之前又和样品进行多次散射 所以只要在样品浅层几纳米 到几十纳米组偶偶深度区域产生的二次电子才能逸出表面 被探测器收集到 因此电子束 的入射角将影响二次电子图像的反差 2 边缘效应 在样品边缘和较短部位摄入一次电子时 由于尖端和边缘的二次电子容易脱离样品 所以产生二次电子数量多 图像异常明亮 称为边缘效应 边缘效应造成反差不自然 降 低图像质量 若降低加速电压 减少二次电子的发生量 或减少对比度 就可以使边缘效 应相对减轻 3 原子序数效应 原子序数高的元素被激发的二次电子多 原子叙述地的元素则少 因此 在同等条件 下 前者图像明亮 这种现象成为原子序数效应 原子序数效应与被散射电子在样品中的 激发作用有关 在观察生物样品时 在样品表面均匀喷镀一层原子叙述高的金属膜 可提 高图像质量 4 充放电效应 生物样品大多数是高绝缘性的 入射电子不能在样品中构成回路倒入大地 堆积在样 品上的