关于电子探针x射线显微分析

1、电子探针X射线显微分析Electron Probe Microanalysis4.电子探针x射线显微分析电子探针仪(EPMA)是一种微区成分分析仪器。采用被聚焦成小于1%加的高速电子束轰 击样品表面，利用电子束与样品相互作 用激发出的特征x射线，测量其入和I, 确定微区的定性、定量的化学成分。 SEM-EPMA组合型仪器，具有扫描放大成 像和微区成分分析两方面功能。4.1工作原理具有足够能量的细电子束轰击试样表面 ，激发特征x射线，其波长为：二 K(Z cr)入与样品材料的Z有关，测出入，即可确定相应元素的Z O工作原理某种元素的特征X射线强度与该元素在样 品中的浓度成比例，测岀X射线I,就可

2、 计算岀该元素的相对含量。X-ray谱仪(1)波长分散谱仪WDSWavelength Dispersive Spectrometer通过衍射分光原理，测量x射线的入分 布及I。已知d的晶体(分光晶体)，反射不同 的x射线，在特定位置检测。由布拉格定律，从试样中发岀的特征X射 线，经一定晶面间距的晶体分光，波长不 同的特征X射线将有不同的衍射角。连续改变8,在与X射线入射方向呈2 0的 位置上测到不同波长的特征X射线信号。由莫塞莱定律可确定被测物质所含元素。I.分光晶体专门用来对X射线起色散（分光）作用的 晶体，具有良好的衍身*性能、强的反射 能力和好的分辨率。晶体展谱遵循布拉格方程，对于不同入

3、 的X射线，需要选用与其波长相当的分光 晶祐。为了提高接收X射线强度，分光晶体通常 使用弯曲晶体。j.弯曲分光晶体两种聚焦方式约翰型聚焦法：晶体曲率半径是聚焦圆半径的两倍约翰逊型聚焦法：晶体曲率半径和聚焦圆半径相等(b)两种聚焦方法(b)约翰逊型聚焦法两种聚焦方式约翰型：当某一波长的X射线自点光源S 处发出时，晶体内表面任意点A、B、C上 接收到的X射线相对于点光源来说，入射 角都相等，由此A、B. C各点的衍射线都 能在D点附近聚焦。因A、B C三点的衍射线并不恰在一点， 是一种近似的聚焦方式。约翰逊型：A、B、C三点的衍射束正好聚 焦在D点，叫做完全聚焦法波长色散谱J WDS特点：分析速度

4、慢单个元素测量，做全分析时间较长。分辨率高：10eV谱仪分辨率是指分开、识别相邻两个谱峰的能力。 测量精度高，多用于超轻元素Z9测量。峰背比大背底扣除容易，数据处理简单。分析元素范围：4Be-92U样品表面要求平整、光滑。(2)能量色散谱仪EDSEnergy Dispersive Spectrometer利用固态检测器(锂漂移硅)测量每个x 射线光子的能量，并按E大小展谱。得到以能量为横坐标、强度为纵坐标的x 射线能量色散谱，显示于荧光屏上。右工作原理锂漂移硅半导体探测器，习惯记Si(Li)探测器。 X射线光子进入Si晶体内，产生电子-空穴对， 在100K左右温度时，每产生一个电子-空穴对 消

5、耗的平均能量为3.8eV0能量为E的X射线光 子所激发的电子-空穴对数N为N = E/s入射X射线光子E不同，激发的N不同，探测器 输出电压脉冲高度由N决定。Ihl劇碣感罰嚼iliLabel:Strontium Titanatdspectz迅q T 兰|遇|RT旦出空I亡|里I主|制1|咼型画|TVFS* 4000 counts Livetime* sec Deadtime： secPHA Deadtime* 10 %Cursor： 3.781 keVcts.4000o illT cNaCl的扫描形貌像及其能量色散谱1WQ0GOTO-KMQ2W0士 EDS特点：分析速度快分辨率较低：150eV

6、峰背比小谱峰宽、易重叠，背底扣除困难，数据处理复杂分析元素范围：92U进行低倍扫描成像，大视域的元素分布图。对样品污染作用小适于粗糙表面成分分析不受聚焦的限制，样品的位置可起伏23mm工作条件:探测器须在液氮温度下使用，维护费用高。J WDS与EDS比较 WDS分析元素范围广、分辨率高、适于精 确的定量分析，对样品表面要求高、分析 速度慢，易引起样品和镜筒的污染。 EDS在分析元素范围、分辨率方面略逊， 分析速度快、对样品表面要求不高、可用 较小的束流和细微电子束，适于与SEM配 合使用。5.96.47.17.5能量/keV能谱仪MnKAFe“nMnKaFeK”NgA0.5370.2100.1

7、94 0J9I 0J76 0.166t (是 nsH SN!Nl&.OOC4.04 占5,0ENERGY k：rV I 200 a旦ULJg旨 IOC之用- WAVE LEfK3TH fAlk波谱仪的晶体分光特点，对波长为九的X 射线不仅可以在探测至ln = 1的一级X射线 ,同时可在其它。角处探测到n为不同值 的高级衍射线。波谱定性分析不如能谱定性分析那么简 单、直观，就要求对波谱进行更合乎逻 辑的分析，以免造成错误。M例： SKa (n= 1)存在于0. 5372nm处，CoKa (n = 1)在0. 1789nm处，CoKa(n = 3)的三级衍射 在3x0. 1789nm=0. 536

8、7nm处，故SKoc的一级 线和CoKoi的三级线非常近无法区分。 SKoi和CoKoc具有不同的能量，使探测器输 岀不同电压脉冲幅度。CoKoi是SKoc的3倍， 根据SKoi电压脉冲信号设置窗口电压，通过 脉冲高度分析器排除CoKoc的脉冲，从而使 谱中0. 5372 nm处仅存在SKoc线。比较项目WDSEDS西素分析范围4Be92iiNa92U / 4Be92元素分析方法分光晶体逐个元素分析固态检测器元素同时检测能量辨率/eV高(3/5-10)低(160/ 135)灵敏度低高检测效率低，随波长而变化高，一定条件下是常数定量分析精度好差仪器特殊性多个分光晶体探头液氮冷却士 43样品制备

9、EMPA对样品尺寸大小、导电性、预处理的要 求与TEM相同，除此之外，应注意： 定量分析的样品，表面必须抛光以保证平整、 光滑。 光学观察进行侵蚀的样品，应控制侵蚀程度。 样品表面清洁，防止污染。（机械抛光、化学 试剂、表面氧化膜和碳化产物、残存的污染）4.4分析方法定性分析：记录样品发射的特征x射线入。对比单元素特征谱线波长，确定样品中的元素。 定量分析：记录样品发射的特征X射线X和I。每种元素选择一根谱线与已知成分纯元素标样的 同根谱线进行比较，确定元素含量。1=占基本工作方式：（1）定点元素全分析（定性或定量）电子束固定在分析的某一点（微区）， 改变晶体的衍射角，记录该点不同元素 的X射

10、线入和I。谱线强度峰的位置波长一微区含有元素 元素某一谱线的强度f元素的含量78合金钢(062Si,lllMnO96Cr,0.56NiO26V,0.24Cu)定点分析的谱线图(2)线扫描分析聚焦电子束在试样沿一直线慢扫描，同 时检测某一指定特征x射线的瞬时I,得 到特征x射线I沿试样扫描线的分布。( 元素的浓度分布)直接在SE像、BE像上叠加，显示扫描轨 迹和x射线I分布曲线，直观反映元素浓 度分布与组织结构之间的关系。对于测定元素在材料相界和晶界上的富 集与贫化是十分有效的。垂直于扩散界面的方向上进行线扫描， 可以很快显示浓度与扩散距离的关系曲 线，若以微米级逐点分析，可相当精确 测定扩散系

11、数和激活能。+ (3)面扫描分析电子束在试样表面进行面扫描，谱仪只 检测某一元素的特征x射线位置，得到由 许多兄点组成的图像。兄点为兀素的所 在处，根据亮点的疏密程度可确定元素 在试样表面的分布情况。准确显示与基体成分不同的夹杂物的形 状，定性显示元素偏析。面扫描分析亮区代表元素含量高，灰区代表元素含量较 低，黑色区域代表元素含量很低或不存在。注意：线扫描、面扫描要求样品表面平整，否则岀现 假象。线扫描、面扫描只作定性分析，不作定量分析O定量分析是一种半定量分析。原因是：谱线强度与元素含量有关外，还与试 样的化学成分有关，通常称为“基体效应”， 谱仪对不同波长（或能量）X射线探测的效率 不同。

12、BF/DFTitaniumZirconium| YttriumCalciumNickel2-05152010Energy (keV)0 8 6 4154UHOO4.5应用 一种无损的微区分析，特别是成分及其 分布。对微区、微粒、微量的成分分析具有分析元素范围广、灵敏度高、可定量等优点，在各领域广泛应用。（冶金、材料、生物、医学、考古等）古应用举例组分不均匀合金试样的微区成分分析扩散对试样中成分梯度的测定相图低温等温截面的测定金属/半导体界面反应产物其它电子显微镜&扫描隧道显微镜(STM)主要用于表面原子成象(导体) STM的横向分辨率高达1A,纵向分辨率 lOAo它对原子的检测深度1 2个原子层 ,对样品无破坏。发明者Dr. Binning获1986年的诺贝尔奖Atomic Resolution on Si(lll)&原子力显微镜(AFM) Dr G. Binning developed AFM in 1986可测量表面原子间的力（可测量最小位移10-2-10-4最小的力