掃描電鏡的成分分析技術(shù)

1、掃描電子顯微鏡Scanning Electron Microscope（SEM）第6章 掃描電鏡的成分分析技術(shù)Chapter 6 Electron-Probe Microanalyzer Built in SEMKUSTContents6.1 概述6.2 X射線波譜分析（WDS）6.3 X射線能譜分析（EDS）KUST6.1 概述Introduction to Analysis MethodsKUST6.1.1 常規(guī)分析方法簡(jiǎn)介 在材料科學(xué)和工程領(lǐng)域內(nèi)，常常需要對(duì)各種樣品進(jìn)行化學(xué)成分的分析，例如金屬中合金元素和雜質(zhì)的濃度及其分布、沉淀相或夾雜物成分的測(cè)定等。為此，已經(jīng)發(fā)展了許多化學(xué)和物理的成分

2、分析方法，它們包括傳統(tǒng)的“濕法”化學(xué)分析、離子交換方法、火花質(zhì)譜儀、熒光X射線光譜分析、原子吸收光譜以及中子激活分析等等。KUST 可是，這些方法一般都只能給出被分析樣品的平均成分，無(wú)法提供元素在微觀尺度上分布不均勻性的資料。例如它們不能分析同一元素在晶粒內(nèi)部與界面或表面上偏析的情況，而這樣一些資料正是完整地鑒定材料的顯微組織所需要的，也是嚴(yán)重地影響其性能的重要因素。本章所要介紹的幾種微區(qū)和表面分析技術(shù)，能夠?qū)⒉牧系幕瘜W(xué)成分和它的微觀結(jié)構(gòu)密切地聯(lián)系起來(lái)，使元素的定性和定量分析的空間分辨率達(dá)到微米、甚至微米以下的水平。6.1.1 常規(guī)分析方法簡(jiǎn)介KUST6.1.2 電子探針?lè)治龇椒?電子探針X射

3、線顯微分析儀（習(xí)慣上簡(jiǎn)稱電子探針儀，EPA或EPMA）是目前較為理想的一種微區(qū)化學(xué)成分分析手段。 根據(jù)高能電子與固體物質(zhì)相互作用的原理，利用能量足夠高的一束細(xì)聚焦電子束轟擊樣品表面，將在一個(gè)有限的深度和側(cè)向擴(kuò)展的微區(qū)體積內(nèi)，激發(fā)產(chǎn)生特征X射線訊號(hào)，它們的波長(zhǎng)（或能量）和強(qiáng)度將是表征該微區(qū)內(nèi)所含元素及其濃度的重要信息。KUST6.1.2 電子探針?lè)治龇椒?電子探針儀采用適當(dāng)?shù)淖V儀和檢測(cè)、計(jì)數(shù)系統(tǒng)，達(dá)到成分分析的目的。鑒于入射電子受到樣品內(nèi)原子的強(qiáng)烈散射作用，使它們的穿透深度和側(cè)向擴(kuò)展大體上被限制在1m以上；但是，即使是這樣的空間分辨率，仍不失為化學(xué)分析技術(shù)上的一項(xiàng)了不起的進(jìn)展。 雖然由于電子激發(fā)

4、X射線訊號(hào)不可避免地產(chǎn)生相當(dāng)高的連續(xù)譜X射線（韌致輻射）背景強(qiáng)度，使它的相對(duì)靈敏度較差（例如萬(wàn)分之一左右），考慮到訊號(hào)的有效激發(fā)體積是如此小，以致被采樣分析的樣品質(zhì)量?jī)H約10-10g，那末被測(cè)量元素的絕對(duì)感量可達(dá)10-14g的數(shù)量級(jí)，這是所有傳統(tǒng)的化學(xué)分析技術(shù)所望塵莫及的。KUST6.1.3 常見(jiàn)微區(qū)分析方法俄歇電子能普分析法（AES）X射線波譜分析法（WDS）X射線能譜分析法（EDS）X射線熒光譜分析法（XFS）背反射電子的成分襯度效應(yīng)分析法KUST6.2 X射線波譜分析法（WDS）X-ray Wavelength Dispersion SpectrometryKUST6.2.1 基本原理

5、X射線波譜分析的基本原理是基于H. Moseley所發(fā)現(xiàn)的簡(jiǎn)單規(guī)律：即從某元素激發(fā)出來(lái)的特征X射線譜可以分為幾群線系，稱為K、L、M 線系。每一線系的臨界激發(fā)電壓雖然不同，但其波長(zhǎng)和原子系數(shù)Z之間有如下關(guān)系存在：式中，為X射線的波長(zhǎng)，P為常數(shù)，Z為原子系數(shù)，為核的屏蔽系數(shù)。因此，只要鑒定從試樣所激發(fā)X射線譜的波長(zhǎng)，就可以確定在被激發(fā)物質(zhì)中包含有哪些元素。KUST 為了確定從試樣上所及發(fā)出特征X射線譜的波長(zhǎng)，通常采用一種適當(dāng)?shù)姆治鼍w（它的晶面位向核晶面間距已知），利用其對(duì)某種特征X射線發(fā)生衍射的條件來(lái)鑒定X射線的波長(zhǎng)，其衍射關(guān)系可以用布拉格公式來(lái)表示：式中，d為分析晶體的晶面間距，n為任何正整

6、數(shù)，為X射線的波長(zhǎng)。因此，當(dāng)X射線以掠角（入射角的余角）入射到某一點(diǎn)陣平面間距為d的原子面上時(shí)，在符合布拉格公式的條件下，將在反射方向上得到因疊加而加強(qiáng)的衍射線，如下圖所示。6.2.2 布拉格公式KUST6.2.2 布拉格公式X射線束在晶體內(nèi)（hkl）平面上的反射KUST 對(duì)于一定的分析晶體，當(dāng) 從0o變到90o時(shí)，對(duì)應(yīng)不同波長(zhǎng)的全部X特征射線譜將按布拉格公式所決定的角度依賴順序發(fā)生衍射。因?yàn)閐 已知， 可以從發(fā)生X射線衍射的角度位置來(lái)確定。因此，就可以用布拉格公式來(lái)確定所產(chǎn)生特征X射線的波長(zhǎng)。6.2.3 波長(zhǎng)測(cè)定原理平整晶體對(duì)電光源X射線的布拉格衍射KUST6.2.4 常用的分析晶體KUST

7、6.2.5 X射線波譜分析系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和組成KUST6.2.6 分析模式定點(diǎn)分析線掃描面掃描KUST6.2.6 分析模式定點(diǎn)分析KUST6.2.6 分析模式線掃描面掃描KUST6.3 X射線能譜分析法（EDS）X-ray Energy Dispersion SpectrometryKUST6.3.1 基本原理E 為X射線的能量（keV） 為X射線的波長(zhǎng)（）KUST6.3.2 X射線能譜分析系統(tǒng)和組成Si（Li）固態(tài)檢測(cè)器作探頭的能譜儀KUST6.3.3 X射線能譜分析實(shí)例KUST6.3.4 EDS和WDS性能比較性能EDSWDS備注對(duì)元素的分析時(shí)間幾分鐘幾十分鐘EDS優(yōu)于WDS檢測(cè)效率接近100小于20對(duì)X射線譜的解釋簡(jiǎn)單較復(fù)雜試樣幾何位置對(duì)X射線強(qiáng)度的影響較小嚴(yán)重對(duì)X射線譜的分辨率150eV10eVWDS優(yōu)