EDS介绍-工作原理

本文将简要介绍SEM配套EDS的工作原理，使用方法和经验将在后续章节中提及。X射线在物体表面成分分析中的使用十分广泛，利用晶体衍射分光检测特征X射线波长称为波长色散谱仪（波谱仪WDS）;

检测特征X射线能量称之为能量色散谱仪（能谱仪EDS），EDS虽然准确度不如WDS，但制样、观察更简便，常和SEM、TEM一起使用。EDS工作原理受到加速的高能电子进入样品会受到样品原子的非弹性散射（粒子碰撞中能量交换但动量不守恒），样品原子会接受能量同时使其内壳层的电子被电离并脱离原子，同时形成一个空位，此时原子会处于不稳定的高能激发态。该原子被激发的瞬间，原子会恢复到最低能量的基态，同时大量外层电子会跃迁到内壳层的空位中，产生大量能量并产生特征X射线和俄歇电子。X射线辐射是一种量子或光子组成的量子流，其带有的能量或波长与原子序数存在函数关系,即Moseley公式，据此，可以利用特征X射线对元素成分进行分析。不同于XPS(X射线光电子能谱)，它是通过X射线激发光电子，再使用爱因斯坦光电发射定律，其根据光电子的结合能判断分析物质的元素种类。Ek=hν-EB（出射光电子动能等于X射线源光子能量减去特定原子轨道上的结合能）XPS和EDS工作条件比较将电子从各壳层激发电离出来的最小能量被称为临界激发能Ec,其随原子序数的增加而变大，同元素的近壳元素Ec值更大，在EDS分析中，要求入射电子束能量超过分析元素Ec值的2~3倍。能谱元素分析图示外层电子会自动补充到内层电子电离形成的空位中，如L层电子跃迁到K层形成的空位中会产生Kα辐射，同时让原子能态降低；M层电子填充K层空位时会产生Kβ辐射；L层电子激发流出的空位被M填充时会产生Lα辐射。X射线能量辐射以光子形式释放，其能量等于跃迁过程中相关壳层Ec之差。据此，X射线反映了不同元素原子内部壳层结构的特征，也因之称为特征X射线辐射，可以通过峰值进行元素判断。对某个元素而言，靠近内层特征X射线产额较大；对于不同元素，此产额和原子序数成正比，而俄歇电子相反，故轻原子用俄歇电子谱仪（AES）观察更合适,但H、He、Li由于其光电离界面小、信号弱且其1s能量级中的电子容易转移。EDS只能实现半定量分析。样品表面出射的光电子强度与原子浓度成线性关系，此外，强度还与光电子的平均自由程、样品表面光洁度、元素所处的化学状态、X射线源强度有关，故EDS只能做出定性半定量的结果。想要得到准确的能谱定量分析结果，用试样和标准样品特征X射线强度和单位体积内元素的元素质量之比计算，（相同条件下此值一致），由于上述误差，需要进行ZAF误差校正；在无标样时，EDS内置了样品图库用于结果比较。CA为样品某元素的质量分数，IA、IA（0）表示样品和标样处于同一谱线的强度，CA（0）表示标样中某元素的质量分数，K

是修正因子。高能入射电子激发原子的某阶能量的特征X射线后，此时Ec小于高能电子能量的壳层都会被电离，故所有低于该能量的特征X射线也会产生；原子序数越大其特征X射线谱系越复杂，不同壳层电子跃迁的几率不一致，“线权”表示线系内每条谱线内电子跃迁的几率，如K系中Kα的线权是Kβ的10倍，EDS观察中也主要以Kα作为参考。除了产生特征X射线辐射外，原子激发时还会产生连续谱X射线辐射，是由电子和原子撞击时损耗能量中一小部分转化成了X射线，其与材料表面元素无关，特征X射线频峰是叠加在连续谱之上作为背底，在定量计算中必须扣除，背底较大（相应峰背比会降低）时会影响EDS工作的准确性。此外原子会吸收样品中产生的特征X射线，若此射线能量足够，则可以激发另一个原子产生特征X射线，此过程称为二次发射(此射线也称为荧光X射线)，定量分析中这两种过程均需要校正。EDS结构：锂漂移硅探测器Si(Li)：硅基N型半导体中参杂了少量B杂质，在合适的温度下，让Li离子漂移进入并与其中的B离子结合，在半导体中形成高纯硅本征区（呈电中性），其中无可自由迁离的离子，故收集到的电子均由特征X射线产生，可以通过检测电荷脉冲从而对元素进行定性分析；此种结构必须加液氮冷却，其原因如下：未达到需求温度时，锂离子会反向漂移，破坏本征区并增加漏电流，从而影响检测结果；电子束工作带来的高温会使前置放大器产生额外的噪声，影响观测结果。硅漂移探测器（SDD）：其核心是高纯度N型硅片，阳极周围刻有很多p型同心浅环，会形成漂移电极，硅片底层（X射线入射面有大面积均匀p-n结）。SDD工作时，其顶面底面加上反向电压，P-N结会形成势垒，同时在漂移电极上形成电位差，在结构中会形成横向的梯度电场，特征X射线入射时，会激发晶体内形成电子-空穴对，电场