chap9_扫描电子显微镜-2

1、第九章第九章 扫描电子显微镜和电子探针扫描电子显微镜和电子探针n9.1 9.1 扫描电子显微镜扫描电子显微镜n9.2 9.2 电子探针电子探针第二节第二节 电子探针电子探针电子探针概念：电子探针概念：（Electron probe；Electron microprobe）Electron Microprobe Analysis-EMPA功能：进行功能：进行微区成分分析微区成分分析。原理：在检测器部分使用原理：在检测器部分使用X射线谱仪射线谱仪，专门，专门用来检测用来检测X射线的射线的特征波长或特征能量特征波长或特征能量，以，以此来对微区的化学成分进行分析。此来对微区的化学成分进行分析。电子探针

2、的结构示意图电子探针的结构示意图一、电子探针的结构一、电子探针的结构扫描电子显微镜结构原扫描电子显微镜结构原理的框图理的框图 用来测定用来测定X射线射线特征波长特征波长的谱仪叫做的谱仪叫做波长分散谱波长分散谱仪（仪（Wavelength dispersive spectroscope-WDS）或）或波谱仪波谱仪。 用来测定用来测定X射线射线特征能量特征能量的谱仪叫做的谱仪叫做能量分散谱能量分散谱仪（仪（Energy dispersive spectroscope-EDS）或能谱）或能谱仪仪。 二、波长分散谱仪二、波长分散谱仪1.1.工作原理工作原理 分光晶体可使样品作分光晶体可使样品作用体积内

3、不同波长的用体积内不同波长的X X射线分散并展示出来。射线分散并展示出来。 虽然平面单晶体可以虽然平面单晶体可以把各种不同波长的把各种不同波长的X X射射线分光展开，但就收集线分光展开，但就收集单波长单波长X X射线的效率来射线的效率来看是非常低的。看是非常低的。图图18-25 18-25 分光晶体分光晶体图图18-26 两种聚焦方法两种聚焦方法a）Johann型聚焦法型聚焦法 b）Johansson型聚焦法型聚焦法两种分光镜 两种波谱仪 22-12图图18-27 18-27 直进式波谱仪直进式波谱仪111sin2RL 分光晶体直线运分光晶体直线运动时检测器能在几动时检测器能在几个位置上接收到

4、衍个位置上接收到衍射束，表明试样被射束，表明试样被激发的体积内存在激发的体积内存在着相应的几种元素。着相应的几种元素。 衍射束的强度大衍射束的强度大小和元素含量成正小和元素含量成正比。比。图图18-28 回转式波谱仪回转式波谱仪 分光晶体和检分光晶体和检测器在聚焦圆的测器在聚焦圆的圆周上以圆周上以1:21:2的角的角速度运动，以保速度运动，以保证满足布拉格方证满足布拉格方程。程。 在表面不平度在表面不平度较大的情况下，较大的情况下，由于由于X X射线在样射线在样品内行进的路线品内行进的路线不同，往往会造不同，往往会造成分析上的误差。成分析上的误差。图图18-29 合金钢（合金钢（0.62Si,

5、 1.11Mn, 0.96Cr, 0.56Ni, 0.26V, 0.24Cu)定点分析的谱线图定点分析的谱线图2.分析方法分析方法峰的高度代表这峰的高度代表这种元素的含量。种元素的含量。WDS分析特点n分析速度慢 单个元素测量，做全分析时间较长。n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。n峰背比大 背底扣除容易，数据处理简单。n分析元素范围：4Be92Un样品表面要求平整、光滑。 22-16 应用波谱仪进行元素分析时，应注意下面几应用波谱仪进行元素分析时，应注意下面几个问题：个问题： 1）分析点位置的确定。通过目镜观察电子束）分析点

6、位置的确定。通过目镜观察电子束照射到样品的位置，在进行分析时，必须使目照射到样品的位置，在进行分析时，必须使目的物和电子束重合。的物和电子束重合。 2）分光晶体固定后，衍射晶面的面间距不变。）分光晶体固定后，衍射晶面的面间距不变。在直进式波谱仪中，在直进式波谱仪中，L和和之间服从之间服从L=2Rsin。 因为结构问题因为结构问题L不能做得太长，因此一个分光不能做得太长，因此一个分光晶体能够覆盖的波长范围是有限的，因此它只晶体能够覆盖的波长范围是有限的，因此它只能测定某一原子序数范围的元素。能测定某一原子序数范围的元素。 一台电子探针仪上往往装有一台电子探针仪上往往装有26个谱仪。个谱仪。图图1

7、8-30 18-30 锂漂移硅能谱仪框图锂漂移硅能谱仪框图三、能量分散谱仪三、能量分散谱仪1.1.工作原理工作原理图图18-31 18-31 能谱仪和波谱仪的谱线比较能谱仪和波谱仪的谱线比较 a a）能谱曲线）能谱曲线 b b）波谱曲线）波谱曲线2.2.能谱仪成分分析的特点能谱仪成分分析的特点 各各X X射线峰射线峰和波谱仪给出和波谱仪给出的特征峰的位的特征峰的位置相对应，但置相对应，但是能谱仪峰的是能谱仪峰的形状比较平坦形状比较平坦EDS相对WDS的优缺点比较项目WDSEDS元素分析范围元素分析方法能量辨率/eV灵敏度检测效率定量分析精度仪器特殊性4Be92U分光晶体逐个元素分析高（3510

8、）低低，随波长而变化好多个分光晶体11Na92U4Be92U固态检测器元素同时检测低（160135）高高，一定条件下是常数差探头液氮冷却 和波谱仪相比，能谱仪具有下列几方面的优和波谱仪相比，能谱仪具有下列几方面的优点：点： 1 1）能谱仪探测）能谱仪探测X X射线的效率高射线的效率高 2 2）能谱仪可在同一时间内对分析点内所有）能谱仪可在同一时间内对分析点内所有元素元素X X射线光子的能量进行测定和计数射线光子的能量进行测定和计数 3 3）能谱仪不必聚焦）能谱仪不必聚焦 但是，大多数现役的能谱仪尚有不足之处：但是，大多数现役的能谱仪尚有不足之处： 1 1）能谱仪的分辨率比波谱仪低）能谱仪的分辨

9、率比波谱仪低 2 2）SiSi（LiLi）检测器的铍窗口限制了超轻元）检测器的铍窗口限制了超轻元素素X X射线的测量射线的测量 3 3）现存的大部分能谱仪，需用液氮冷却）现存的大部分能谱仪，需用液氮冷却四、定性分析和定量分析四、定性分析和定量分析1.1.定性分析定性分析 （1 1）定点分析）定点分析 将电子束固定在需要分析的微区上，用波将电子束固定在需要分析的微区上，用波谱仪分析时可改变分光晶体和探测器的位置，谱仪分析时可改变分光晶体和探测器的位置，即可得到分析点的即可得到分析点的X X射线谱。射线谱。 （2 2）线分析）线分析 将谱仪固定在所要测量的某一元素特征将谱仪固定在所要测量的某一元素

10、特征X X射线信号（波长或能量）的位置上，把电子束射线信号（波长或能量）的位置上，把电子束沿着指定的方向作直线轨迹扫描，便可以得到沿着指定的方向作直线轨迹扫描，便可以得到这一元素沿直线的浓度分布曲线。这一元素沿直线的浓度分布曲线。 （3 3）面分析）面分析 电子束在样品表面作光栅扫描时，把电子束在样品表面作光栅扫描时，把X X射射线谱仪固定在某一元素特征线谱仪固定在某一元素特征X X射线信号的位置射线信号的位置上，此时在荧光屏上便可得到该元素的面分布上，此时在荧光屏上便可得到该元素的面分布图像。图像。 实际上这也是在扫描电子显微镜内用特征实际上这也是在扫描电子显微镜内用特征X X射线调制图像的

11、一种方法，图像中的亮区表射线调制图像的一种方法，图像中的亮区表示这种元素的含量较高。示这种元素的含量较高。 若把谱仪的位置固定在另一位置，则可获若把谱仪的位置固定在另一位置，则可获得另一种元素的浓度分布图像。得另一种元素的浓度分布图像。WDS-线扫描线扫描Al合金铸锭组织中合金元素的偏聚合金铸锭组织中合金元素的偏聚WDS-面扫描面扫描Al合金中第二相的元素组成合金中第二相的元素组成SEM investigations of SiSEM-EDS elemental mapping2.2.定量分析定量分析 定量分析时先测出试样中定量分析时先测出试样中Y Y元素的元素的X X射线强度射线强度I Iy

12、 y,再在同样条件下测定纯再在同样条件下测定纯Y Y元素的元素的X X射线强度射线强度I Iy y,然后二者分别扣除背底和计数器死时间对然后二者分别扣除背底和计数器死时间对所测值的影响，得到相应的强度值所测值的影响，得到相应的强度值I Iy y和和I Iy0y0，把，把二者相比得到强度比二者相比得到强度比K Ky y。0yyyIIK 在理想情况下，在理想情况下，K Ky y就是试样中就是试样中Y Y元素的质量浓元素的质量浓度度C Cy y。 但是由于标准试样不可能做到绝对纯以及绝但是由于标准试样不可能做到绝对纯以及绝对平均，一般情况下，还好考虑原子序数、吸对平均，一般情况下，还好考虑原子序数、

13、吸收和二次荧光的影响，因此，收和二次荧光的影响，因此，C Cy y和和K Ky y之间还存之间还存在一定的差别，故有在一定的差别，故有yyZAFKC 式中，式中，Z Z为原子序数修正项，为原子序数修正项，A A为吸收修正项，为吸收修正项，F F为二次荧光修正项。为二次荧光修正项。 一般情况下对于原子序数大于一般情况下对于原子序数大于1010、质量浓度、质量浓度大于大于10%10%的元素来说，的元素来说，修正后的浓度误差可限修正后的浓度误差可限定在定在5%5%之内之内。n电子与样品的相互作用电子能量损失谱（EELS）电子能量损失谱（EELS）EELS谱包含的信息 低能损失区050eV1 样品厚度

14、2 复介电系数3 价带和导带电子态密度,禁带宽度 高能损失区502000eV1 元素成分（LiU）2 化学价态和态密度，近邻结构3 径向分布函数（配位数和配位距离） 电子能量过滤成像1 完全弹性散射电子像2 元素成分分布图3 其他特征能量电子过滤成像EELS的应用的应用Unfiltered (GBF)Zero-loss filtered (EBF)Contrast tuning (ESI 100 eV)Chromatic AberrationEFTEM: Contrast Tuning Plasmon losses Plasmas are longitudinal oscillations o

15、f free electrons，which decay either in photons or phonons.Zero Loss50 eVESI technique Mostly, the so-called three-window method is applied for mappings (see figure): an image is taken after a suitable ionisation edge of the corresponding element (post-edge image, E3), two additional images (pre-edge

16、 1, E1, and pre-edge 2, E2) are recorded at energy losses smaller than the ionisation edge. Only the electrons passing through the selected energy slit contribute to these images. The pre-edge images are used for an approximate determination of the unspecific background which is then subtracted from

17、 the post-edge image leading to an elemental map with enhanced contrast. Alternatively, the post-edge image can be divided by a pre-edge image (ratio method). The energy filter allows to record Electron Energy Loss Spectra (EELS) and element specific images (elemental maps) by means of the Electron

18、Spectroscopic Imaging (ESI) technique. HCI image (410 eV)Creating Oxygen concentration profile Preparing for mixmap displayCreating Nitrogen concentration profile Specimen courtesy Dr. Pavia, ST Microelectronics, ItalyESI: Cross Section of a Non Volatile MemoryESI Acquisitionwith ESIVISION 3.2EASE-O

19、F-USE200 nm200 nmSiCNESI: SiNC ceramic (customer sample)BF imageMAG: 100 kxC mapB mapN mapElemental mapping (ESI):distribution of Boron in a SiNC ceramicLiMn1.7Fe0.3O4 ESI Mapping was performed at full CCD resolution (2048 x 2048) Good signal saturation is obtained even without binning ESI Mixmap of

20、 Mn, Li and OMn distribution Li distribution 200 nmElectron Spectroscopic Imaging: core lossWith the ESI technique, elemental distribution maps can be easily acquired.With Digital Micrograph, many elemental distributions can then be combined (4 in the example, left)With ITEM, up to 3 elemental distr

21、ibution maps can be combined, and superposed to a zero loss or otherwise obtained high contrast image (top right)Chemical Analytics of Nanostructures ESI mappingN mapTi mapO mapThin interfacial layers are resolved (see N map)Proof for the filter transmissivityElastic brightfield image as surveyOxyge

22、n distribution image500 nm100 nmSi3N4 ceramics:0.7 nm oxide layer at grain boundary0.7 nm0.7 nm0.7 nm0.7 nmOxygen elemental map of a polycrystalline Si3N4 ceramic with high spatial resolution and extreme detection sensitivity: oxygen film at grain boundaries with a thickness of only 0.7 nm.Elastic B

23、right-Field imageby courtesy of MPI StuttgartContrast tuned DF imageInformation optimization of an ion milled SiAlON ceramic specimenContrast Tuning of Thick Sampleszero-loss filteredenergy loss: 300 eVSiGe bufferContrast Tuning of Thick Samples 200 nm Microstructure in a sample of TRIP steel (Fe-based alloy);Bright-Field Image using an Objective Aperture; MAG = 31.5 kxImage Contrast: Contrast ImprovementUnfilteredZL-filteredThicker part of a sample of an a