EPMA-SEM分析的理论基础及应用

EPMA/SEM分析的理论基础及应用主讲：陈宏毅12023/11/28桂林理工大学地球科学学院岩矿分析测试中心电子探针实验室EPMALab,RockOreAnalysisCenter,CollegeofEarthScience报告内容EPMA/SEM图像分析的基本原理和应用EPMA/SEM定性和定量分析的基本原理和应用EPMA和SEM比较/WDS和EDS分析比较常见问题经验分析试样的制作和要求2023/11/282电子束工作视频一、EPMA/SEM图像分析的基本原理和应用2023/11/284高压电子束与试样作用产生各种信号Signalsgeneratedbyelectronirradiation一、EPMA/SEM图像分析的基本原理和应用2023/11/285SignalsgeneratedbyelectronirradiationAuger:轻元素SE：样品形态BSE：成分特征X射线：定性和定量分析一、EPMA/SEM图像分析的基本原理和应用2023/11/286穿透深度1.Augerelectron：小于1nm2.SEI：小于10nm3.BSI：小于100nm4.特征X射线：大于100nmBEvsSE背散射电子随着原子序数增大其强度增大明显。一、EPMA/SEM图像分析的基本原理和应用2023/11/287二次电子图像：入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子电离产生的电子，称二次电子。特点：能量低（小于50eV）、穿透深度小（5-10nm）。结论：二次电子对样品表面形态具有较高分辨率。二次电子的产额δ∝K/cosθK为常数，θ为入射电子与样品表面法线之间的夹角，θ角越大，二次电子产额越高，这表明二次电子对样品表面状态非常敏感。二次电子图像与背散射电子图像一、EPMA/SEM图像分析的基本原理和应用2023/11/289背散射电子图像：入射电子与样品相互作用(弹性和非弹性散射)之后，再次逸出样品表面的高能电子，其能量接近于入射电子能量(E。)。背散射电子的信号强度I与原子序数Z的关系：特点：能量高、能量随着样品平均原子序数的增加而增加。结论：背散射电子图像对于不同矿物的化学组成由较高的分辨率。二次电子图像与背散射电子图像重晶石的二次电子和背散射电子相二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2812特征X射线原子层结构二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2813Bragg方程：2dsin

=n光程差为

的整数倍时衍射波相互加强；只有当入射X射线的波长

≤2倍晶面间距时，才能产生衍射。二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/28142.1能谱仪（1）定性分析物理基础：moseley关系式E=hv特征X射线光子硅漂移探测器计数器处理器分析结果二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2815（2）能谱仪的定量分析CA=K（IA/I(A)）试样中A元素的相对含量CA与该元素的特征X射线强度IA（X射线的计数率）成正比：I(A)为标样中特征X射线的强度，K为校正系数。二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2816（3）能谱仪的功能定性和定量分析元素重量百分比原子百分比化合物百分比化学式SiK14.7016.1531.44SiO2ZrL50.7617.1868.56ZrO2O34.5566.67总量100.00矿物名称锆石ZrSiO4二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2817（3）能谱仪的功能元素面分析元素线分析二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2818（4）地质应用岩石薄片的快速浏览：常规岩矿鉴定的有效补充；粘土矿物的快速分析；难抛光矿物的快速分析；粉末样品的快速分析；成分环带矿物快速线分析和面分析。二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2819Bragg方程：2dsin

=n电子束入射点到分光晶体的距离L=2Rsin

样品检测器电子束分光晶体检测器R

L=nR/d大罗兰园小罗兰园2.2波谱仪二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2820分光晶体二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2821（1）波谱仪的定性和定量分析ν为元素的特征X射线频率，Z为原子序数，K与σ均为常数，C为光速。当σ≈1时，λ与Z的关系式可写成:Moseley关系式：波谱仪定量分析原理与能谱仪一致QualitativeAnalysisQuantitativeAnalysisMapAnalysisLineAnalysis（2）波谱仪分析方法二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2823（3）波谱仪的地质应用微量元素的精确定量分析；元素赋存状态研究：面分析固定间距点分析：定量的线分析具有重叠峰元素的定量分析：例如S和Pb，Re和Zn二、EPMA/SEM定性定量分析的基本原理和应用2023/11/2824（4）电子探针其它部件的地质应用矿物阴极发光研究：锆石阴极射线拍照，结合ICP-MS进行测年研究；独居石Th-U-Pb电子探针定年研究；岩石的快速全分析：大束斑、矿物成分与体积百分比加权平均；三、EPMA和SEM比较/EDS和WDS比较2023/11/2825EPMA主要功能为微区定量分析；SEM主要功能为样品形貌的观察。主要功能区别SEM加EMS可以分析不平的试样成分。三、EPMA和SEM比较/EDS和WDS比较2023/11/2826SEM的特点放大倍率高（M=Ac/As）分辨率高（d0=dmin/M总）景深大（F≈d0/β）样品制备简单三、EPMA和SEM比较/EDS和WDS比较2023/11/2827（2）仪器分辨率：目前用W灯丝的SEM，分辨率已达到3nm,场发射源SEM分辨率可达到1nm；LaB6灯丝的EPMA分辨率3nm，W灯丝6nm；高分辨率的电子束直径要小，分辨率与子束直径近似相等。（1）有效发达倍率：如果放大倍率为M，人眼分辨率为0.2mm，仪器分辨率为5nm，则有效放大率M＝0.2

106nm

5nm=40000（倍）。（3）景深大的图像立体感强，对粗糙不平的断口样品观察需要大景深的SEM。（4）样品：可以是自然面、断口、块状、粉体、反光及透光光片，对不导电的样品只需蒸镀一层20nm的导电膜。三、EPMA和SEM比较/EDS和WDS比较2023/11/2828多孔SiC陶SE图像竹子木炭SE图像一般情况下，SEM景深比TEM大10倍，比光学显微镜（OM）大100倍。如10000倍时：TEM:D＝1

m，SEM:10

m,100倍时，OM:10

m，SEM=1000

m。三、EPMA和SEM比较/EDS和WDS比较2023/11/2829EPMA的特点微区化学成分与显微结构分析相对应；元素范围B-U，利用大面间距皂化膜可检测Be；定量准确度高：检出限（0.01-0.05）%，相对误差1-3%；

无损快速分析；2023/11/2830三、EPMA和SEM比较/EDS和WDS比较比较内容WDSEDS元素分析范围4Be－92U4Be－92U定量分析速度慢快分辨率高（≈5eV）低（130eV）检测极限10-2(%)10-1(%)定量分析准确度高低X射线收集效率低高峰背比（WDS/EDS）101四、常见问题经验分析2023/11/2832定量分析结果总量远大于100%？（1）可能为模式选择不对，例如测试黄铁矿（FeS2），应该选metal模式，错误地选做Oxide模式，在EMS中为已化合（O）模式；（2）标样选择不恰当；（3）标样测试错误，错误的原因可能为条件不合适，元素线系不合适，不稳定元素没有做特殊处理，标样选择位置不当等。（4）对于不稳定元素K、Na等的特殊处理没有做。四、常见问题经验分析2023/11/28332.定量分析结果总量小于100%？（1）被分析矿物含有OH、Li、Be等探针/EMS测试不到元素；（2）风化的粘土类矿物、特别是疏松多孔的，孔隙度高的；（3）待测样品比重/体密度小于标样的比重/体密度；（4）氧化物矿物没有选择oxide模式/或者被化合元素O；（5）标样选择不恰当，或者标样的测试不正确；（6）元素峰值飘移；四、常见问题经验分析2023/11/28343.如何判断定量分析结果是否正确？（1）在排除了上一页所见的情况外，测试的元素重量百分比总量应该为100%左右，误差为±3%；（2）通过离子数进行判断，比如：黄铁矿FeS2离子数Fe：S=1:2，斜长石Na（Ca）AlSi3O8，Na（Ca）：Al：Si=1：1：3，但一般以24个氧原子计算这位3:3:9；（3）经验判断。四、常见问题经验分析2023/11/28354.喷镀导电膜的选择（1）一般形貌观察时，蒸镀小于10nm厚的金导电膜。金导电膜具有导电性好、二次电子发射率高、在空气中不氧化、熔点低，膜厚易控制等优点，可以拍摄到质量好的照片。（2）成分定性、定量分析，必须蒸镀碳导电膜。碳为超轻元素，对所分析元素的X射线吸收小，对定量分析结果影响小。蒸镀碳只能用真空镀膜仪。镀膜要均匀，厚度控制在20nm左右，为了保证试样与标样镀膜厚度相同，标样和试样应该同时蒸镀。2023/11/2836太阳系

拍照称重清洗烘干

细分切片注胶分割

磨片抛光