EDSX-射线能谱仪 电子背散射衍射.ppt

X-射线能谱仪Energy Dispersive Spectrometer电子背散射衍射 Electron Backscattered Diffraction 电子与固体物质的交互作用二次电子入射电子透射电子散射电子散射电子吸收电子俄歇电子背散射电子特征X射线样品样品电子束的作用与产生的信号电子束的作用与产生的信号空间分辨率增强作用体积和各种信号 能谱仪(EDS)的基本原理u规范术语u特征X射线的产生u定性分析的原理u定量分析的原理 规范术语能谱仪：EDS (Energy Dispersive Spectrometer)能谱法：EDX (Energy Dispersive X-Ray Spectrometry)波谱仪：WDS (Wavelength Dispersive Spectrometer)波谱法：WDX (Wavelength Dispersive X-Ray Spectrometry)电子探针：EPMA (Electron Probe X-Ray Microanalyser)俄歇电子谱仪：AES (Auger Electron Spectroscope)离子探针：IMMA (Ion Microprobe Mass Analyser)二次离子质谱：SIMS (Secondary Ion Mass Spectrum)光电子谱：XPS (X-Ray Photoelectron Spectroscopy) 特征X射线的产生 特征X-射线：原子内壳层电子被电离后，由较外层电子向内壳层跃迁产生的具有特征能量的电磁辐射。

高能电子入射到试样时，试样中元素的原子内壳层电子将被激发到较高能量的外壳层，或直接将内壳层电子激发到原子外，使该原子系统的能量升高（激发态），原子较外层电子将迅速跃迁到有空位的内壳层，以填补空位降低原子系统的总能量，并以特征X射线或Auger电子的方式释放出多余的能量 特征X射线的产生特征X射线线系图 原子的K层电子被激发，L层电子向K层跃迁，产生的特征X射线称K，M层电子向K层跃迁产生的X射线称K 特征X射线 特征X射线：原子的内层电子受到激发后，外层电子向内层跃迁的过程中，释放的具有特征能量(波长)的电磁辐射 特征X射线一般用于SEM/TEM的元素成份定量定性测量和元素分布分析 定性分析的原理 发射的X射线波长与具体是何种原子有关，用波谱或能谱，测量入射电子与试样相互作用产生的特征X射线波长或者能量，从而对试样中元素进行定性分析 定性分析的基础是Moseley关系式： 式中，为特征X射线频率，Z为原子序数，K和为常数 定量分析的原理 试样中A元素的相对含量CA与该元素产生的特征X射线的强度IA (X射线计数)成正比： 所以只要在相同分析条件下，同时测量试样和已知成份的标样中A元素的同名X射线(如K线)强度，经过修正计算，就可以得出试样中A元素的近似的相对百分含量CA： 能谱仪的结构u准直器Collimatoru电子陷阱Electron Trapu窗口Windowu场效应管FETu冷指Cold Finger准直器电子陷阱晶体场效应管窗口 准直器(Collimator)u防止杂散信号进入探测器u杂散信号可能来自于镜筒内和任意地方的二次激发；也可能来自于入射X射线和背散射电子轰击镜筒内的零件 电子陷阱(Electron Trap)u防止各种电子进入探测器窗口(Window)u保持探测器 内部真空u又要使X 射线穿过u原来的窗口由铍制成，称为铍窗，现在由合成的高分子薄膜制成 窗口只能承受一个大气压，所以在SEM抽放真空时不能超过一个大气压。

特别是抽真空时，一定要轻轻关上仓门，否则会损坏窗口！ 探测器晶体(Detector Crystal )u有锂漂移硅半导体Si(Li)和硅漂移(Silicon Drift Detector)两种uSi(Li)探测器需液氮冷却至零下180以降低热噪声uSDD无需液氮冷却(半导体制冷：-15 )uSDD所需的束流更小、计数率更大、准确度更高 探测器晶体(Detector Crystal)u入射的X射线使硅原子电离，产生电子空穴对u晶体两侧施加高压(一般为500V)，使电子和空穴向两个电极移动u入射X射线在晶体内行进可产生更多的光子u电子空穴对数量正比于X射线能量约为3.8eV探测器晶体一次只能同时处理一个X射线信号场效应管(Field Effect Transistor-FET)u场效应晶体管收集来自于晶体的电荷脉冲并将其转换为电压脉冲 EDS信号处理过程 Preamp将电压信号放大. Pulse Processor获得合适的脉冲放大和形状 EDS信号处理过程 曲线纵坐标是脉冲数，即入射X射线光子数，与所分析元素含量有关横坐标为脉冲高度，与元素种类有关，这样就可以测出X射线光子的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量。

假象峰(伪峰)u逃逸峰u和峰1. 逃逸峰 由于探测器材料Si荧光效应使得入射光子能量损失而出现的谱峰 逃逸峰的能量为X射线特征峰减去探测器元素发射的X射线能量Si为1.740keV) 即在谱图中出现一个能量为E0-1.740keV的伪峰1. 逃逸峰 只有入射X射线能量大于硅的K吸收边(1.838keV)时，才会产生逃逸峰逃逸峰与母峰相对幅度从P的1.8%Zn K线的0.01%左右当比主峰能量小1.74keV处出现无名峰时，要考虑逃逸峰的可能性1. 逃逸峰Ti的逃逸峰2. 和峰 由于两个特征X射线光子同时进入探测器，无法分辨它们而产生两个特征X射线光子能量之和的假象峰 大束流、高输入计数率、长死时间时容易出现和峰2. 和峰2. 和峰铝合金中出现不存在的Ag元素Al K为1.487keV，Ag L为2.984keV 1.487keV + 1.487keV = 2.974keV2. 和峰减小束流重新采集谱图后，如果可疑峰消失，说明该峰是和峰 能谱仪的应用和数据采集u能谱仪的基本功能u优化谱图和采集参数u数据采集中的常见问题u能谱仪的进阶应用u能谱仪的误差和检出限u能谱仪的性能特点u波谱仪1. 能谱仪的基本功能uAnalyzer： 电镜扫描区域的元素含量分析uPoint & ID： 在扫描区域选择感兴趣的区域或者点进行元素含量分析uMapping： 在感兴区域进行面或线的元素分布分析1. 能谱仪的基本功能1. 能谱仪的基本功能u元素定性定量分析 不选择区域 选择感兴区域u元素分布分析 线扫描 面扫描 能谱仪的应用和数据采集u能谱仪的基本功能u优化谱图和采集参数u数据采集中的常见问题u能谱仪的进阶应用u能谱仪的误差和检出限u能谱仪的性能特点u波谱仪2. 优化谱图和采集参数u电镜工作参数 工作距离(WD) 加速电压(HT) 束流(Spot Size)u能谱工作参数 计数率(Acquisition Rate) 活时间(Live Time)与死时间(Dead Time) 处理时间(Process Time) 工作距离工作距离(Working Distance - WD) 电子束聚焦点与物镜（极靴）之间的距离 只有在推荐的最佳工作距离下，才能获得最高计数率，此工作距离下，X射线沿探测器轴进入探测器。

每一台能谱仪安装完成以后，都有特定的工作距离Take Off Angle 工作距离Sirion 200工作距离EDS分析工作距离：5mm最佳SEM分析工作距离(HT5kV)：4.6mmUHR模式所需的工作距离：WD6.5mmNOVA NanoSEM 230工作距离EDS分析工作距离(不附加探测器)：5mmEDS分析工作距离(附加探测器)：6.5mm最佳SEM分析工作距离(HT3kV)：4.6mmUHR模式所需的工作距离：WD 7mm2. 优化谱图和采集参数u电镜工作参数 工作距离(WD) 加速电压(HT) 束流(Spot Size)u能谱工作参数 计数率(Acquisition Rate) 活时间(Live Time)与死时间(Dead Time) 处理时间(Process Time) 加速电压u入射电子能量必须大于被测元素线系的临界激发能u试样中产生的特征X射线要有较高的强度，有较好的信噪比u加速电压不能使得样品有明显损伤加速电压与特征X射线亮度IL及连续X射线强度IB的关系为： 其中K1、K2、m、n为常数，V0为加速电压，Vk为临界激发电压，i为试样电流，Z为原子序数V0必须大于Vk。

峰背比加速电压与峰值、背底的关系过压比 指入射电子束能量与一特定壳层的临界激发能量的比值(U=V0/Vk)过压比必须大于1才能产生特征X射线 为了使X射线有足够的强度，有较高的信噪比，又保证有较小的分析体积，一般取过压比U23对于Z10，通常V0选择10kV左右，甚至5kV；对于Z为1130，通常选择V0=1520kV；对于Z大于30，可选用V0=2025kV 加速电压与空间分辨率25 kV25 kV15 kV15 kV5 kV5 kV 加速电压与空间分辨率SilverSilverCarbonCarbonIronIron 加速电压与空间分辨率 分析空间分辨率：指特定元素X射线电离能确定的空间分辨率 在一个多元素的试样中，每一元素具有不同的空间分辨率，随着元素电离能的减小，激发体积增加 加速电压与空间分辨率薄膜和小颗粒的V0选择 对薄膜或者小颗粒试样，为了防止基材的影响，要综合薄膜的厚度、小颗粒的尺寸及测量的元素和材料密度来考虑，选择较低的加速电压，防止电子束穿透薄膜或小颗粒 低加速电压可以增加轻元素的X射线强度、提高空间分辨率、减少荷电和对试样的损伤 加速电压与空间分辨率薄膜和小颗粒的V0选择7 kV7 kV20 kV20 kV 加速电压与空间分辨率Electron penetration (um) vs. beam voltage 加速电压与空间分辨率Secondary ElectronsBackscattered ElectronsIncident ElectronsX-rays Depth of signal generation and spatial resolutionsZm=0.033(V01.7Vk1.7)AZVo : Accelerating Voltage(kV) Vk : Excitation Energy (kV) A : Atomic Weight : Density (g/cm3) Z : Atomic Number 加速电压与空间分辨率INCA显示作用区域15kV20kV 加速电压与空间分辨率软件模拟作用体积 能谱仪的计算机上后期安装了可进行作用体积模拟计算的软件，可参考模拟结果选择合适的加速电压。

加速电压与空间分辨率5kV15kV加速电压与空间分辨率 低加速电压的优劣优点：u适合小颗粒、薄膜、高放大倍率的亚微米区域成份分析u减小荷电u减小样品损伤u适合轻元素的测量u提高空间分辨率缺点：u计数率相对较低u谱峰干扰严重 线系选择u选择X射线强度高、峰背比高的线系uINCA自动选择的线系：1.Z32(Ge)时，选用K线系；选K辐射的强度大于K辐射2.32Z72(Hf)时，选用L线系3.Z72时，选用M线系 分析时为了避免元素之间的干扰(峰重叠)，也可以选择其它线系 峰重叠 EDS(包括WDS)定性和定量分析过程中，轻元素的K线系与重元素的L线系、M线系、各元素的n级衍射有时会相互重叠、互相干扰EDS能量分辨率较低，谱峰重叠比WDS严重得多，必须排除干扰，正确判定 峰重叠C-K or Ca-LN-K or Sc-L or Ti-LO-K or V-L or Cr-LF-K or Mn-L or Fe-LNa-K or Zn-LMg-K or As-LAl-K or Br-LRb-L or Ta-MSi-K or Ta-M or W-MY-L or Os-MP-K or Zr-L or Pt-MAu-M or Nb-LNb-L or Hg-MMo-L or Tl-MS-K or Mo-L or。