扫描电镜的成分分析技术

1、扫描电子显微镜Scanning Electron Microscope（SEM）第6章 扫描电镜的成分分析技术Chapter 6 Electron-Probe Microanalyzer Built in SEMKUSTContents6.1 概述6.2 X射线波谱分析（WDS）6.3 X射线能谱分析（EDS）KUST6.1 概述Introduction to Analysis MethodsKUST6.1.1 常规分析方法简介 在材料科学和工程领域内，常常需要对各种样品进行化学成分的分析，例如金属中合金元素和杂质的浓度及其分布、沉淀相或夹杂物成分的测定等。为此，已经发展了许多化学和物理的成分

2、分析方法，它们包括传统的“湿法”化学分析、离子交换方法、火花质谱仪、荧光X射线光谱分析、原子吸收光谱以及中子激活分析等等。KUST 可是，这些方法一般都只能给出被分析样品的平均成分，无法提供元素在微观尺度上分布不均匀性的资料。例如它们不能分析同一元素在晶粒内部与界面或表面上偏析的情况，而这样一些资料正是完整地鉴定材料的显微组织所需要的，也是严重地影响其性能的重要因素。本章所要介绍的几种微区和表面分析技术，能够将材料的化学成分和它的微观结构密切地联系起来，使元素的定性和定量分析的空间分辨率达到微米、甚至微米以下的水平。6.1.1 常规分析方法简介KUST6.1.2 电子探针分析方法 电子探针X射

3、线显微分析仪（习惯上简称电子探针仪，EPA或EPMA）是目前较为理想的一种微区化学成分分析手段。 根据高能电子与固体物质相互作用的原理，利用能量足够高的一束细聚焦电子束轰击样品表面，将在一个有限的深度和侧向扩展的微区体积内，激发产生特征X射线讯号，它们的波长（或能量）和强度将是表征该微区内所含元素及其浓度的重要信息。KUST6.1.2 电子探针分析方法 电子探针仪采用适当的谱仪和检测、计数系统，达到成分分析的目的。鉴于入射电子受到样品内原子的强烈散射作用，使它们的穿透深度和侧向扩展大体上被限制在1m以上；但是，即使是这样的空间分辨率，仍不失为化学分析技术上的一项了不起的进展。 虽然由于电子激发

4、X射线讯号不可避免地产生相当高的连续谱X射线（韧致辐射）背景强度，使它的相对灵敏度较差（例如万分之一左右），考虑到讯号的有效激发体积是如此小，以致被采样分析的样品质量仅约10-10g，那末被测量元素的绝对感量可达10-14g的数量级，这是所有传统的化学分析技术所望尘莫及的。KUST6.1.3 常见微区分析方法俄歇电子能普分析法（AES）X射线波谱分析法（WDS）X射线能谱分析法（EDS）X射线荧光谱分析法（XFS）背反射电子的成分衬度效应分析法KUST6.2 X射线波谱分析法（WDS）X-ray Wavelength Dispersion SpectrometryKUST6.2.1 基本原理

5、X射线波谱分析的基本原理是基于H. Moseley所发现的简单规律：即从某元素激发出来的特征X射线谱可以分为几群线系，称为K、L、M 线系。每一线系的临界激发电压虽然不同，但其波长和原子系数Z之间有如下关系存在：式中，为X射线的波长，P为常数，Z为原子系数，为核的屏蔽系数。因此，只要鉴定从试样所激发X射线谱的波长，就可以确定在被激发物质中包含有哪些元素。KUST 为了确定从试样上所及发出特征X射线谱的波长，通常采用一种适当的分析晶体（它的晶面位向核晶面间距已知），利用其对某种特征X射线发生衍射的条件来鉴定X射线的波长，其衍射关系可以用布拉格公式来表示：式中，d为分析晶体的晶面间距，n为任何正整

6、数，为X射线的波长。因此，当X射线以掠角（入射角的余角）入射到某一点阵平面间距为d的原子面上时，在符合布拉格公式的条件下，将在反射方向上得到因叠加而加强的衍射线，如下图所示。6.2.2 布拉格公式KUST6.2.2 布拉格公式X射线束在晶体内（hkl）平面上的反射KUST 对于一定的分析晶体，当 从0o变到90o时，对应不同波长的全部X特征射线谱将按布拉格公式所决定的角度依赖顺序发生衍射。因为d 已知， 可以从发生X射线衍射的角度位置来确定。因此，就可以用布拉格公式来确定所产生特征X射线的波长。6.2.3 波长测定原理平整晶体对电光源X射线的布拉格衍射KUST6.2.4 常用的分析晶体KUST

7、6.2.5 X射线波谱分析系统的结构和组成KUST6.2.6 分析模式定点分析线扫描面扫描KUST6.2.6 分析模式定点分析KUST6.2.6 分析模式线扫描面扫描KUST6.3 X射线能谱分析法（EDS）X-ray Energy Dispersion SpectrometryKUST6.3.1 基本原理E 为X射线的能量（keV） 为X射线的波长（）KUST6.3.2 X射线能谱分析系统和组成Si（Li）固态检测器作探头的能谱仪KUST6.3.3 X射线能谱分析实例KUST6.3.4 EDS和WDS性能比较性能EDSWDS备注对元素的分析时间几分钟几十分钟EDS优于WDS检测效率接近100小于20对X射线谱的解释简单较复杂试样几何位置对X射线强度的影响较小严重对X射线谱的分辨率150eV10eVWDS优