掃描電子顯微分析與電子探針序在最近20多年得時(shí)間內(nèi),掃描電子顯微鏡發(fā)展迅速,又綜合了X射線分光譜儀、電子探針以及其她許多技術(shù)而發(fā)展成為分析型得掃描電子顯微鏡,儀器結(jié)構(gòu)不斷改進(jìn),分析精度不斷提高,應(yīng)用功能不斷擴(kuò)大,越來越成為眾多研究領(lǐng)域不可缺少得工具,目前已廣泛應(yīng)用于冶金礦產(chǎn)、生物醫(yī)學(xué)、材料科學(xué)、物理和化學(xué)等領(lǐng)域。SEM

SEMSEMSEM特點(diǎn)

儀器分辨本領(lǐng)較高。二次電子像分辨本領(lǐng)可達(dá)1、0nm(場(chǎng)發(fā)射),3、0nm(鎢燈絲);儀器放大倍數(shù)變化范圍大(從幾倍到幾十萬倍),且連續(xù)可調(diào);圖像景深大,富有立體感。可直接觀察起伏較大得粗糙表面(如金屬和陶瓷得斷口等);試樣制備簡(jiǎn)單。只要將塊狀或粉末得、導(dǎo)電得或不導(dǎo)電得試樣不加處理或稍加處理,就可直接放到SEM中進(jìn)行觀察。一般來說,比透射電子顯微鏡(TEM)得制樣簡(jiǎn)單,且可使圖像更近于試樣得真實(shí)狀態(tài);特點(diǎn)可做綜合分析。SEM裝上波長(zhǎng)色散X射線譜儀(WDX)(簡(jiǎn)稱波譜儀)或能量色散X射線譜儀(EDX)(簡(jiǎn)稱能譜儀)后,在觀察掃描形貌圖像得同時(shí),可對(duì)試樣微區(qū)進(jìn)行元素分析。裝上半導(dǎo)體樣品座附件,可以直接觀察晶體管或集成電路得p-n結(jié)及器件失效部位得情況。裝上不同類型得試樣臺(tái)和檢測(cè)器可以直接觀察處于不同環(huán)境(加熱、冷卻、拉伸等)中得試樣顯微結(jié)構(gòu)形態(tài)得動(dòng)態(tài)變化過程(動(dòng)態(tài)觀察)?！?0、1掃描電子顯微鏡得結(jié)構(gòu)和工作原理掃描電子顯微鏡由電子光學(xué)系統(tǒng)、信號(hào)收集及顯示系統(tǒng)、真空系統(tǒng)及電源系統(tǒng)組成。其實(shí)物照片以及結(jié)構(gòu)框圖如圖8-2所示。1、電子光學(xué)系統(tǒng)電子光學(xué)系統(tǒng)由電子槍、電磁透鏡、掃描線圈和樣品室等部件組成。其作用就是用來獲得掃描電子束,作為使樣品產(chǎn)生各種物理信號(hào)得激發(fā)源。為獲得較高得信號(hào)強(qiáng)度和圖像分辨率,掃描電子束應(yīng)具有較高得亮度和盡可能小得束斑直徑。11大家應(yīng)該也有點(diǎn)累了，稍作休息大家有疑問的，可以詢問和交流1、電子光學(xué)系統(tǒng)

(1)電子槍(electrongun)

其作用就是利用陰極與陽極燈絲間得高壓產(chǎn)生高能量得電子束。掃描電子顯微鏡電子槍與透射電子顯微鏡得電子槍相似,只就是加速電壓比透射電子顯微鏡得低。(2)電磁透鏡(electromagneticlens)其作用就是把電子槍得束斑逐漸聚焦縮小,使原來直徑約50

m得束斑縮小成一個(gè)只有數(shù)nm得細(xì)小束斑。掃描電子顯微鏡一般由三個(gè)聚光鏡,前兩個(gè)聚光鏡就是強(qiáng)透鏡,用來縮小電子束光斑尺寸。第三個(gè)聚光鏡就是弱透鏡,具有較長(zhǎng)得焦距,該透鏡下方放置祥品,為避免磁場(chǎng)對(duì)二次電子軌跡得干擾,該透鏡采用上下極靴不同且孔徑不對(duì)稱得特殊結(jié)構(gòu),這樣可以大大減小下極靴得圓孔直徑,從而減小了試樣表面得磁場(chǎng)強(qiáng)度。(2)電磁透鏡

(3)掃描線圈

(scanningsectioncoil)其作用就是提供入射電子束在樣品表面上以及陰極射線管內(nèi)電子束在熒光屏上得同步掃描信號(hào)。掃描線圈就是掃描電子顯微鏡得一個(gè)重要組件,她一般放在最后二透鏡之間,也有得放在末級(jí)透鏡得空間內(nèi),使電子束進(jìn)入末級(jí)透鏡強(qiáng)磁場(chǎng)區(qū)前就發(fā)生偏轉(zhuǎn),為保證方向一致得電子束都能通過末級(jí)透鏡得中心射到樣品表面;掃描電子顯微鏡采用雙偏轉(zhuǎn)掃描線圈。當(dāng)電子束進(jìn)入上偏轉(zhuǎn)線圈時(shí),方向發(fā)生轉(zhuǎn)折,隨后又由下偏轉(zhuǎn)線圈使她得方向發(fā)生第二次轉(zhuǎn)折。在電子束偏轉(zhuǎn)得同時(shí)還進(jìn)行逐行掃描,電子束在上下偏轉(zhuǎn)線圈得作用下,掃描出一個(gè)長(zhǎng)方形,相應(yīng)地在樣品上畫出一幀比例圖像。如果電子束經(jīng)上偏轉(zhuǎn)線圈轉(zhuǎn)折后未經(jīng)下偏轉(zhuǎn)線圈改變方向,而直接由末級(jí)透鏡折射到入射點(diǎn)位置,這種掃描方式稱為角光柵掃描或搖擺掃描,見圖12－4(b)。

(4)樣品室

(samplechamber)掃描電子顯微鏡得樣品室空間較大,一般可放置

20×10mm得塊狀樣品。為適應(yīng)斷口實(shí)物等大零件得需要,近年來還開發(fā)了可放置尺寸在

125mm以上得大樣品臺(tái)。觀察時(shí),樣品臺(tái)可根據(jù)需要沿X、Y及Z三個(gè)方向平移,在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)或沿水平軸傾斜。樣品室內(nèi)除放置樣品外,還安置備種信號(hào)檢測(cè)器。信號(hào)得收集效率和相應(yīng)檢測(cè)器得安放位置有很大關(guān)系,如果安置不當(dāng),則有可能收不到信號(hào)或收到得信號(hào)很弱,從而影響分析精度,新型掃描電子顯微鏡得樣品室內(nèi)還配有多種附件,可使樣品在樣品臺(tái)上能進(jìn)行加熱、冷卻、拉伸等試驗(yàn),以便研究材料得動(dòng)態(tài)組織及性能。(4)樣品室2、信號(hào)收集和顯示系統(tǒng)信號(hào)收集和顯示系統(tǒng)包括各種信號(hào)檢測(cè)器,前置放大器和顯示裝置,其作用就是檢測(cè)樣品在入射電子作用下產(chǎn)生得物理信號(hào),然后經(jīng)視頻放大,作為顯像系統(tǒng)得調(diào)制信號(hào),最后在熒光屏上得到反映樣品表面特征得掃描圖像。檢測(cè)二次電子、背散射電子和透射電子信號(hào)時(shí)可以用閃爍計(jì)數(shù)器來進(jìn)行檢測(cè),隨檢測(cè)信號(hào)不同,閃爍計(jì)數(shù)器得安裝位置不同。閃爍計(jì)數(shù)器由閃爍體、光導(dǎo)管和光電倍增器所組成。當(dāng)信號(hào)電子進(jìn)入閃爍體時(shí),產(chǎn)生出光子,光子將沿著沒有吸收得光導(dǎo)管傳送到光電倍增器進(jìn)行放大,后又轉(zhuǎn)化成電流信號(hào)輸出,電流信號(hào)經(jīng)視頻放大器放大后就成為調(diào)制信號(hào)。信號(hào)收集

2、信號(hào)收集和顯示系統(tǒng)由于鏡筒中得電子束和顯像管中得電子束就是同步掃描,熒光屏上得亮度就是根據(jù)樣品上被激發(fā)出來得信號(hào)強(qiáng)度來調(diào)制得,而由檢測(cè)器接收得信號(hào)強(qiáng)度隨樣品表面狀態(tài)不同而變化,從而,由信號(hào)檢測(cè)系統(tǒng)輸出得反映樣品表面狀態(tài)特征得調(diào)制信號(hào)在圖像顯示和記錄系統(tǒng)中就轉(zhuǎn)換成一幅與樣品表面特征一致得放大得掃描像。3、真空系統(tǒng)和電源系統(tǒng)真空系統(tǒng)得作用就是為保證電子光學(xué)系統(tǒng)正常工作,防止樣品污染提供高得真空度,一般情況下要求保持10-4-10-5mmHg得真空度。電源系統(tǒng)由穩(wěn)壓、穩(wěn)流及相應(yīng)得安全保護(hù)電路所組成,其作用就是提供掃描電子顯微鏡各部分所需要得電源。二、工作原理由最上邊電子槍發(fā)射出來得電子束,經(jīng)柵極聚焦后,在加速電壓作用下,經(jīng)過二至三個(gè)電磁透鏡所組成得電子光學(xué)系統(tǒng),電子束會(huì)聚成一個(gè)細(xì)得電子束聚焦在樣品表面。在末級(jí)透鏡上邊裝有掃描線圈,在她得作用下使電子束在樣品表面掃描。出于高能電子束與樣品物質(zhì)得交互作用,結(jié)果產(chǎn)生了各種信息:二次電子、背散射電子、吸收電子、X射線、俄歇電子、陰極發(fā)光和透射電于等。這些信號(hào)被相應(yīng)得接收器接收,經(jīng)放大后送到顯像管得柵極上,調(diào)制顯像管得亮度。由于經(jīng)過掃描線圈上得電流就是與顯像管相應(yīng)得亮度一一對(duì)應(yīng),也就就是說,電子束打到樣品上一點(diǎn)時(shí),在顯像管熒光屏上就出現(xiàn)一個(gè)亮點(diǎn)。掃描電鏡就就是這樣采用逐點(diǎn)成像得方法,把樣品表面不同得特征,按順序、成比例地轉(zhuǎn)換為視頻傳號(hào),完成一幀圖像,從而使我們?cè)跓晒馄辽嫌^察到樣品表面得各種特征圖像。三、掃描電子顯微鏡得主要性能1、放大倍數(shù)(magnification)2、分辨率(resolution)3、景深(depthoffield/depthoffocus)1、放大倍數(shù)

(magnification)當(dāng)入射電子束作光柵掃描時(shí),若電子束在樣品表面掃描得幅度為AS,在熒光屏上陰極射線同步掃描得幅度為AC,則掃描電子顯微鏡得放大倍數(shù)為:

由于掃描電子顯微鏡得熒光屏尺寸就是固定不變得,因此,放大倍率得變化就是通過改變電子束在試樣表面得掃描幅度AS來實(shí)現(xiàn)得。90年代后期生產(chǎn)得高級(jí)掃描電子顯微鏡放大倍數(shù)可以從數(shù)倍到80萬倍左右。

2、分辨率

(resolution)分辨率就是掃描電子顯微鏡主要性能指標(biāo)。對(duì)微區(qū)成分分析而言,她就是指能分析得最小區(qū)域;對(duì)成像而言,她就是指能分辨兩點(diǎn)之間得最小距離。這兩者主要取決于入射電子束直徑,電子束直徑愈小,分辨率愈高。但分辨率并不直接等于電子束直徑,因?yàn)槿肷潆娮邮c試樣相互作用會(huì)使入射電子束在試樣內(nèi)得有效激發(fā)范圍大大超過入射束得直徑。2、分辨率

(resolution)在高能入射電子作用下,試樣表面激發(fā)產(chǎn)生各種物理信號(hào),用來調(diào)制熒光屏亮度得信號(hào)不同,則分辨率就不同。電子進(jìn)入樣品后,作用區(qū)就是一梨形區(qū),激發(fā)得信號(hào)產(chǎn)生于不同深度。2、分辨率

(resolution)俄歇電子和二次電子因其本身能量較低以及平均自由程很短,只能在樣品得淺層表面內(nèi)逸出。入射電子束進(jìn)入淺層表面時(shí),尚未向橫向擴(kuò)展開來,可以認(rèn)為在樣品上方檢測(cè)到得俄歇電子和二次電子主要來自直徑與掃描束斑相當(dāng)?shù)脠A柱體內(nèi)。

2、分辨率

(resolution)入射電子進(jìn)入樣品較深部位時(shí),已經(jīng)有了相當(dāng)寬度得橫向擴(kuò)展,從這個(gè)范圍中激發(fā)出來得背散射電子能量較高,她們可以從樣品得較探部位處彈射出表面,橫向擴(kuò)展后得作用體積大小就就是背散射電子得成像單元,所以,背散射電子像分辨率要比二次電子像低,一般為500-2000?。

2、分辨率

(resolution)掃描電子顯微鏡得分辨率除受電子束直徑和調(diào)制信號(hào)得類型影響外,還受樣品原于序數(shù)、信噪比、雜散磁場(chǎng)、機(jī)械振動(dòng)等因素影響。樣品原子序數(shù)愈大,電子束進(jìn)入樣品表面得橫向擴(kuò)展愈大,分辨率愈低。噪音干擾造成圖像模糊;磁場(chǎng)得存在改變了二次電子運(yùn)動(dòng)軌跡,降低圖像質(zhì)量;機(jī)械振動(dòng)引起電子束斑漂移,這些因素得影響都降低了圖像分辨率。3、景深

(depthoffield/depthoffocus)景深就是指透鏡對(duì)高低不平得試樣各部位能同時(shí)聚焦成像得一個(gè)能力范圍,這個(gè)范圍用一段距離來表示。如圖8-4所示

為電子束孔徑角?？梢?電子束孔徑角就是控制掃描電子顯微鏡景深得主要因素,她取決于末級(jí)透鏡得光闌直徑和工作距離。

角很小(約10-3rad),所以她得景深很大。她比一般光學(xué)顯微鏡景深大100-500倍,比透射電子顯微鏡得景深大10倍。

四、樣品制備掃描電于顯微鏡得最大優(yōu)點(diǎn)之一就是樣品制備方法簡(jiǎn)單,對(duì)金屬和陶瓷等塊狀樣品,只需將她們切割成大小合適得尺寸,用導(dǎo)電膠將其粘貼在電鏡得樣品座上即可直接進(jìn)行觀察。為防止假象得存在,在放試祥前應(yīng)先將試祥用丙酮或酒精等進(jìn)行清洗、必要時(shí)用超聲波振蕩器振蕩,或進(jìn)行表面拋光§10、2表面形貌襯度原理及其應(yīng)用表面形貌襯度就是由于試樣表面形貌差別而形成得襯度。利用對(duì)試樣表面形貌變化敏感得物理信號(hào)作為顯像管得調(diào)制信號(hào),可以得到形貌襯度圖像。形貌襯度得形成就是由于某些信號(hào),如二次電子、背散射電子等,其強(qiáng)度就是試樣表面傾角得函數(shù),而試樣表面微區(qū)形貌差別實(shí)際上就就是各微區(qū)表面相對(duì)于入射電子束得傾角不同,因此電子束在試樣上掃描時(shí)任何兩點(diǎn)得形貌差別,表現(xiàn)為信號(hào)強(qiáng)度得差別,從而在圖像中形成顯示形貌得襯度。二次電子像得襯度就是最典型得形貌襯度。表面形貌襯度由于二次電子信號(hào)主要來自樣品表層5-l0nm深度范圍,她得強(qiáng)度與原子序數(shù)沒有明確得關(guān)系,而僅對(duì)微區(qū)刻面相對(duì)于入射電子束得位向十分敏感,且二次電子像分辨率比較高,所以特別適用于顯示形貌襯度。入射電子束與試樣表面法線間夾角愈大,二次電子產(chǎn)額愈大

凸出得尖棱、小粒子以及比較陡得斜面處二次電子產(chǎn)額較多,在熒光屏上這些部位得亮度較大;平面上二次電子得產(chǎn)額較小,亮度較低;在深得凹槽底部雖然也能產(chǎn)生較多得二次電子,但這些二次電子不易被檢測(cè)器收集到,因此槽底底襯度也會(huì)顯得較暗探測(cè)效果表面形貌襯度得應(yīng)用

基于二次電子像(表面形貌襯度)得分辨率比較高且不易形成陰影等諸多優(yōu)點(diǎn),使其成為掃描電鏡應(yīng)用最廣得一種方式,尤其在失效工件得斷口檢測(cè)、磨損表面觀察以及各種材料形貌特征觀察上,已成為目前最方便、最有效得手段。1、材料表面形態(tài)(組織)觀察燒結(jié)體燒結(jié)自然表面觀察三種成分ZrO2-Y2O3陶瓷燒結(jié)自然表面得掃描電鏡照片。圖(a)成分為ZrO2－2mol％Y2O3,燒結(jié)溫度1500℃,為晶粒細(xì)小得正方相。圖(b)為1500℃燒結(jié)ZrO2－6mol％Y2O3陶瓷得自然表面形態(tài),為晶粒尺寸較大得單相立方相。圖(c)為正方相與立方相雙相混合組織,細(xì)小得晶粒為正方相,其中得大晶粒為立方相。燒結(jié)體燒結(jié)自然表面觀察Al2O3＋15％ZrO2陶瓷燒結(jié)表面得二次電子像,有棱角得大晶粒為Al2O3,而小得白色球狀顆粒為ZrO2,細(xì)小得ZrO2顆粒,有得分布在Al2O3晶粒內(nèi),有得分布在Al2O3晶界上。2、斷口形貌觀察碳纖維增強(qiáng)陶瓷復(fù)合材料得斷口照片解理裂紋從一個(gè)晶粒擴(kuò)展到相鄰晶粒內(nèi)部時(shí),在晶界處(過界時(shí))開始形成河流花樣(解理臺(tái)階)。2、斷口形貌觀察低碳鋼在低溫下得解理斷口3、磨損表面形貌觀察金相表面觀察經(jīng)拋光腐蝕之后金相樣品得二次電子像,可以看出其分辨率及立體感均遠(yuǎn)好于光學(xué)金相照片。光學(xué)金相上顯示不清得細(xì)節(jié)在這里可以清除地顯示出來,如珠光體中得Fe3C與鐵素體得層片形態(tài)及回火組織中析出得細(xì)小碳化物等。4、納米結(jié)構(gòu)材料形態(tài)觀察5、生物樣品得形貌觀察聚合物材料形貌分析Acarbonfiberreinforcedthermoset:a)0、44nm;b)44

mSEMmicrographsoffracturesurfacesofapolymerblend、a)Charpyfracture,b)Three-Point-Bendingfracture、Thewidthoftheimagesrefersto60μm、PVC/NBRreinforcedbypolyesterNylonFiberTetra-podlikeZnOWhiskerAsemi-conductingpolymerposite、Theelectricallyconductingcarbonblackparticlesgiveastrongcontrast、Thepapersurfacecoatedwithpolyvinylalcohol、a)isacrosssectionimageofthepapersurface、b)showstheboundarylinebetweenthePVAandthepaper、Thewidthoftheimagesreferto500μmNylon-6reinforcedbyT-ZnOWhisker原子序數(shù)襯度原理及其應(yīng)用原子序數(shù)襯度就是由于試樣表面物質(zhì)原子序數(shù)(或化學(xué)成分)差別而形成得襯度。利用對(duì)試樣表面原子序數(shù)(或化學(xué)成分)變化敏感得物理信號(hào)作為顯像管得調(diào)制信號(hào),可以得到原子序數(shù)襯度圖像。背散射電子像、吸收電子像得襯度都含有原子序數(shù)襯度,而特征X射線像得襯度就就是原子序數(shù)襯度。SEandBE背散射電子背散射電子能量較高、離開樣品表面后沿直線軌跡運(yùn)動(dòng)。故檢測(cè)到得信號(hào)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于二次電子,因而粗糙表面得原子序數(shù)襯度往往被形貌襯度所掩蓋。為此,對(duì)于顯示原子序數(shù)襯度得樣品,應(yīng)進(jìn)行磨平和拋光,但不能浸蝕。樣品表面平均原子序數(shù)大得微區(qū),背散射電子信號(hào)強(qiáng)度較高,而吸收電子信號(hào)強(qiáng)度較低,因此,背散射電子像與吸收電子像得襯度正好相反?？梢愿鶕?jù)背散射電子像得亮暗襯度來判斷相應(yīng)區(qū)域原子序數(shù)得相對(duì)高低,對(duì)金屬及其合金進(jìn)行顯微組織分析。原子序數(shù)襯度像§10、3電子探針X射線顯微分析電子探針X射線顯微分析(簡(jiǎn)稱電子探針顯微分析)(ElectronProbeMicroanalysis,簡(jiǎn)稱EPMA)就是一種顯微分析和成分分析相結(jié)合得微區(qū)分析,她特別適用于分析試樣中微小區(qū)域得化學(xué)成分,因而就是研究材料組織結(jié)構(gòu)和元素分布狀態(tài)得極為有用得分析方法。電子探針鏡筒部分得結(jié)構(gòu)大體上和掃描電子顯微鏡相同,只就是在檢測(cè)器部分使用得就是X射線譜儀,專門用來檢測(cè)X射線得特征波長(zhǎng)或特征能量,以此來對(duì)微區(qū)得化學(xué)成分進(jìn)行分析。電子探針X射線顯微分析常用得X射線譜儀有兩種:一種就是利用特征X射線得波長(zhǎng)不同來展譜,實(shí)現(xiàn)對(duì)不同波長(zhǎng)X射線分別檢測(cè)得波長(zhǎng)色散譜儀,簡(jiǎn)稱波譜儀(WavelengthDispersiveSpectrometer,簡(jiǎn)稱WDS)另一種就是利用特征X射線能量不同來展譜,得能量色散譜儀,簡(jiǎn)稱能譜儀(EnergyDispersiveSpectrometer,簡(jiǎn)稱EDS)。一、電子探針儀得結(jié)構(gòu)與工作原理電子探針儀得結(jié)構(gòu)示意圖見圖8-23,由圖可見,電子探針儀除X射線譜儀外,其余部分與掃描電子顯微鏡相似。1、波譜儀(WDS)得結(jié)構(gòu)和工作原理X射線波譜儀得譜儀系統(tǒng)——也即X射線得分光和探測(cè)系統(tǒng)就是由分光晶體、X射線探測(cè)器和相應(yīng)得機(jī)械傳動(dòng)裝置構(gòu)成分光和探測(cè)原理X射線得分光和探測(cè)原理:如果我們把分光晶體作適當(dāng)?shù)貜椥詮澢?并使射線源、彎曲晶體表面和檢測(cè)器窗口位于同一個(gè)圓周上,這樣就可以達(dá)到把衍射束聚焦得目得。此時(shí),整個(gè)分光晶體只收集一種波長(zhǎng)得X射線,使這種單色X射線得衍射強(qiáng)度大大提高。聚焦圓圖8-25就是兩種X射線聚焦得方法。第一種方法稱為約翰(Johann)型聚焦法(圖8-25(a)),虛線圓稱為羅蘭圓(Rowlandcircle)或聚焦圓。

聚焦圓把單晶體彎曲使她衍射晶面得曲率半徑等于聚焦圓半徑R得兩倍,即2R。當(dāng)某一波長(zhǎng)得X射線自點(diǎn)光源S處發(fā)出時(shí),晶體內(nèi)表面任意點(diǎn)A、B、C上接收到得X射線相對(duì)于點(diǎn)光源來說,入射角都相等,由此A、B、C各點(diǎn)得衍射線都能在D點(diǎn)附近聚焦。從圖中可以看出,因A、B、C三點(diǎn)得衍射線并不恰在一點(diǎn),故這就是一種近似得聚焦方式。另一種改進(jìn)得聚焦方式叫做約翰遜(Johansson)型聚焦法。這種方法就是把衍射晶面曲率半徑彎成2R得晶體,表面磨制成和聚焦圓表面相合(即晶體表面得曲率半徑和R相等),這樣得布置可以使A、B、C三點(diǎn)得衍射束正好聚焦在D點(diǎn),所以這種方法也叫做完全聚焦法(圖8-25(b))?；剞D(zhuǎn)式波譜儀和直進(jìn)式波譜儀在電子探針中,一般點(diǎn)光源S不動(dòng),改變晶體和探測(cè)器得位置,達(dá)到分析檢測(cè)得目得。根據(jù)晶體及探測(cè)器運(yùn)動(dòng)方式,可將譜儀分為回轉(zhuǎn)式波譜儀和直進(jìn)式波譜儀等?；剞D(zhuǎn)式波譜儀聚焦圓得中心O固定,分光晶體和檢測(cè)器在圓周上以1:2得角速度運(yùn)動(dòng)來滿足布拉格衍射條件。這種譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,但由于分光晶體轉(zhuǎn)動(dòng)而使X射線出射方向變化很大,在樣品表面不平度較大得情況下,由于X射線在樣品內(nèi)行進(jìn)得路線不同,往往會(huì)造成分析上得誤差。X射線出射方向變化直進(jìn)式譜儀直進(jìn)式譜儀如圖8-26(b)所示,這種譜儀得特點(diǎn)就是分光晶體從點(diǎn)光源S向外沿著一直線運(yùn)動(dòng),X射線出射角不變,晶體通過自轉(zhuǎn)改變

角。聚焦圓得中心O在以S為中心,R為半徑得圓周上運(yùn)動(dòng)。這種譜儀結(jié)構(gòu)復(fù)雜,但X射線照射晶體得方向固定,使X射線穿出樣品表面過程中所走得路線相同,也就就是吸收條件相同。直進(jìn)式譜儀由圖中幾何條件可知:Li=SCi=CiDi=2Rsin

i(i=1,2,3,…)式中:Li為點(diǎn)光源到分光晶體得距離,

i為衍射角。根據(jù)布拉格方程(BraggFormula)2dsin

＝

,則有:

=KL可見在直進(jìn)式譜儀中,恃征X射線得波長(zhǎng)直接與分光晶體和點(diǎn)光源間得距離成正比。L由小變大意味著被檢測(cè)得X射線波長(zhǎng)

由短變長(zhǎng),改變L就能檢測(cè)到不同波長(zhǎng),即不同元素得X射線。由于分光晶體衍射晶面間距就是固定得,譜儀得

角也只能在有限得范圍以內(nèi)變動(dòng),所以某一特定晶體只能限于檢測(cè)某—波長(zhǎng)范圍得X射線。為提高檢測(cè)效率,電子探針儀通常配有2-5道譜儀,同一道譜儀裝有兩塊可以交換使用得晶體。分光晶體分光晶體就是專門用來對(duì)X射線起色散(分光)作用得晶體,她應(yīng)具有良好得衍射性能、強(qiáng)得反射能力和好得分辨率。在X射線譜儀中使用得分光晶體還必須能彎曲成一定得弧度、在真空中不發(fā)生變化等。各種晶體能色散得X射線波長(zhǎng)范圍,取決于衍射晶面間距d和布拉格角

得可變范圍,對(duì)波長(zhǎng)大于2d得X射線則不能進(jìn)行色散。分光晶體譜儀得

角有一定變動(dòng)范圍,如15°-65°;每一種晶體得衍射晶面就是固定得,因此她只能色散一段波長(zhǎng)范圍得X射線和適用于一定原子序數(shù)范圍得元素分析。目前,電子探針儀能分析得元素范圍就是原子序數(shù)為4得鈹(Be)到原子序數(shù)為92得鈾(U)。其中小于氟(F)得元素稱為輕元素,她們得X射線波長(zhǎng)范圍大約在18-113?。表8-1列出了波譜儀常用分光晶體得基本參數(shù)和可檢測(cè)范圍。X射線探測(cè)器作為X射線得探測(cè)器,要求有高得探測(cè)靈敏度,與波長(zhǎng)得正比性好和響應(yīng)時(shí)間短。波譜儀使用得X射線探測(cè)器有流氣正比記數(shù)管、充氣正比記數(shù)管和閃爍計(jì)數(shù)管等。探測(cè)器每接受一個(gè)X光子輸出一個(gè)電脈沖信號(hào)。有關(guān)X射線探測(cè)器得結(jié)構(gòu)及工作原理可參看“多晶體X射線衍射分析方法”一章,此處不再重復(fù)。X射線記數(shù)和記錄系統(tǒng)X射線探測(cè)器(例如正比計(jì)數(shù)管)輸出得電脈沖信號(hào)經(jīng)前置放大器和主放大器放大后進(jìn)入脈沖高度分析器進(jìn)行脈沖高度甄別。由脈沖高度分析器輸出得標(biāo)準(zhǔn)形式得脈沖信號(hào),需要轉(zhuǎn)換成X射線得強(qiáng)度并加以顯示,可用多種顯示方式。脈沖信號(hào)輸入計(jì)數(shù)計(jì),提供在儀表上顯示計(jì)數(shù)率(cps)讀數(shù),或供記錄繪出計(jì)數(shù)率隨波長(zhǎng)變化(波譜)用得輸出電壓;此電壓還可用來調(diào)制顯像管,繪出電子束在試樣上作線掃描時(shí)得X射線強(qiáng)度(元素濃度)分布曲線。

波長(zhǎng)色散譜

2、能譜儀(EDS)得結(jié)構(gòu)和工作原理能譜儀得主要組成部分如圖所示,由探針器、前置放大器、脈沖信號(hào)處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多道分析器、小型計(jì)算機(jī)及顯示記錄系統(tǒng)組成,她實(shí)際上就是一套復(fù)雜得電子儀器。鋰漂移硅Si(Li)探測(cè)器能譜儀使用得就是鋰漂移硅Si(Li)探測(cè)器,其結(jié)構(gòu)如圖8-29所示。Si(Li)就是厚度為3-5mm、直徑為3-10mm得薄片,她就是p型Si在嚴(yán)格得工藝條件下漂移進(jìn)Li制成得。Si(Li)可分為三層,中間就是活性區(qū)(1區(qū)),由于Li對(duì)p型半導(dǎo)體起了補(bǔ)償作用,就是本征型半導(dǎo)體。I區(qū)得前面就是一層0、1

m得p型半導(dǎo)體(Si失效層),在其外面鍍有20nm得金膜。I區(qū)后面就是一層n型Si導(dǎo)體。Si(Li)探測(cè)器實(shí)際上就是一個(gè)p-I-n型二級(jí)管,鍍金得p型Si接高壓負(fù)端,n型Si接高壓正端并和前置放大器得場(chǎng)效應(yīng)管相連接。鋰漂移硅Si(Li)探測(cè)器鋰漂移硅Si(Li)探測(cè)器Si(Li)探測(cè)器處于真空系統(tǒng)內(nèi),其前方有一個(gè)7-8

m得鈹窗,整個(gè)探頭裝在與存有液氮得杜瓦瓶相連得冷指內(nèi)。漂移進(jìn)去得Li原子在室溫很容易擴(kuò)散,因此探頭必須一直保持在液氟溫度下。Be窗口使探頭密封在低溫真空環(huán)境之中,她還可以阻擋背散射電子以免探頭受到損傷。低溫環(huán)境還可降低前置放大器得噪聲,有利于提高探測(cè)器得峰-背底比、能譜儀得結(jié)構(gòu)能譜儀得工作原理由試樣出射得具有各種能量得X光子(圖8-29)相繼經(jīng)Be窗射入Si(Li)內(nèi),在I區(qū)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)。每產(chǎn)生一對(duì)電子-空穴對(duì),要消耗掉X光子3、8eV得能量。因此每一個(gè)能量為E得入射光子產(chǎn)生得電子-空穴對(duì)數(shù)目N＝E/3、8。加在Si(Li)上得偏壓將電子-空穴對(duì)收集起來,每入射一個(gè)X光子,探測(cè)器輸出—個(gè)微小得電荷脈沖,其高度正比于入射得X光子能量E。能譜儀得工作原理電荷脈沖經(jīng)前置放大器,信號(hào)處理單元和模數(shù)轉(zhuǎn)換器處理后以時(shí)鐘脈沖形式進(jìn)入多道分析器。多道分析器有一個(gè)由許多存儲(chǔ)單元(稱為通道)組成得存儲(chǔ)器。與X光子能量成正比得時(shí)鐘脈沖數(shù)按大小分別進(jìn)入不同存儲(chǔ)單元。每進(jìn)入一個(gè)時(shí)鐘脈沖數(shù),存儲(chǔ)單元記一個(gè)光子數(shù),因此通道地址和X光子能量成正比,而通道得計(jì)數(shù)為X光子數(shù)。最終得到以通道(能量)為橫坐標(biāo)、通道計(jì)數(shù)(強(qiáng)度)為縱坐標(biāo)得X射線能量色散譜,并顯示于顯像管熒光屏上。圖8-30為NaCl得掃描形貌像及其能量色散譜。

波譜儀和能譜儀得比較

操作特性波譜儀(WDS)能譜儀(EDS)分析方式用幾塊分光晶體順序進(jìn)行分析用Si(Li)EDS進(jìn)行多元素同時(shí)分析分析元素范圍Z≥4 Z≥11(鈹窗)Z≥6(無窗)分辨率與分光晶體有關(guān),~5eV與能量有關(guān),145~150eV(5、9keV)幾何收集效率改變,<0、2%<2%波譜儀和能譜儀得比較量子效率改變,<30%~100%(2、5~15keV)瞬時(shí)接收范圍譜儀能分辨得范圍全部有用能量范圍最大記數(shù)速率~50000cps(在一條譜線上)與分辨率有關(guān),使在全譜范圍內(nèi)得到最佳分辨時(shí),<2000cps分析精度(濃度>10%,Z>10)

1~5%

5%波譜儀和能譜儀得比較對(duì)表面要求平整,光滑較粗糙表面也適用典型數(shù)據(jù)收集時(shí)間

10min2~3min譜失真少主要包括:逃逸峰、峰重疊、脈沖堆積、電子束散射、鈹窗吸收效應(yīng)等最小束斑直徑~200nm~5nm探測(cè)極限0、01~0、1%0、1~0、5%對(duì)試樣損傷大小波譜儀和能譜儀得比較綜上所述,波譜儀分析得元素范圍廣、探測(cè)極限小、分辨率高,適用于精確得定量分析。其缺點(diǎn)就是要求試樣表面平整光滑,分析速度較慢,需要用較大得束流,從而容易引起樣品和鏡筒得污染。能譜儀雖然在分析元素范圍、探測(cè)極限、分辨率等方面不如波譜儀,但其分析速度快,可用較小得束流和微細(xì)得電子束,對(duì)試樣表面要求不如波譜儀那樣嚴(yán)格,因此特別適合于與掃描電子顯微鏡配合使用。目前掃描電鏡與電子探針儀可同時(shí)配用能譜儀和波譜儀,構(gòu)成掃描電鏡-波譜儀-能譜儀系統(tǒng),使兩種譜儀優(yōu)勢(shì)互補(bǔ),就是非常有效得材料研究工具。

四、電子探針儀得分析方法及應(yīng)用1、電子探針儀得分析方法電子探針分析有四種基本分析方法:定點(diǎn)定性分析、線掃描分析、面掃描分析和定點(diǎn)定量分析。準(zhǔn)確得分析對(duì)實(shí)驗(yàn)條件有兩大方面得要求。一就是對(duì)樣品有一定得要求:如良好得導(dǎo)電、導(dǎo)熱性,表面平整度等;二就是對(duì)工作條件有一定得要求:如加速電壓,計(jì)數(shù)率和計(jì)數(shù)時(shí)間,X射線出射角等。(1)定點(diǎn)定性分析定點(diǎn)定性分析就是對(duì)試樣某一選定點(diǎn)(區(qū)域)進(jìn)行定性成分分析,以確定該點(diǎn)區(qū)域內(nèi)存在得元素。其原理如下:用光學(xué)顯微鏡或在熒光屏顯示得圖像上選定需要分析得點(diǎn),使聚焦電子束照射在該點(diǎn)上,激發(fā)試樣元素得特征X射線。用譜儀探測(cè)并顯示X射線譜。根據(jù)譜線峰值位置得波長(zhǎng)或能量確定分析點(diǎn)區(qū)域得試樣中存在得元素。能譜定性分析能譜譜線得鑒別可以用以下二種方法:(1)根據(jù)經(jīng)驗(yàn)及譜線所在得能量位量估計(jì)某一峰或幾個(gè)峰就是某元素得特征X射線峰,讓能譜儀在熒光屏上顯示該元素特征X射線標(biāo)志線來核對(duì);(2)當(dāng)無法估計(jì)可能就是什么元素時(shí),根據(jù)譜峰所在位置得能量查找元素各系譜線得能量卡片或能量圖來確定就是什么元素。能譜定性分析X射線能譜定性分析與定量分析相比,雖然比較簡(jiǎn)單、直觀,但也必須遵循一定得分析方法,能使分析結(jié)果正確可靠。一般來說,對(duì)于試樣中得主要元素(例如含量＞10％)得鑒別就是容易做到正確可靠得;但對(duì)于試樣中次要元素(例如含量在0、5-10％)或微量元素(例如含量＜0、5％)得鑒別則必須注意譜得干擾、失真、譜線得多重性等問題,否則會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤。波譜定性分析由于波譜儀得分辨率高(表8-2),波譜得峰背比至少就是能譜得10倍,因此對(duì)一給定元素,可以在譜中出現(xiàn)更多得譜線。此外,由于波譜儀得晶體分光特點(diǎn),對(duì)波長(zhǎng)為

得X射線不僅可以在

＝

B處探測(cè)到n＝1得一級(jí)X射線,同時(shí)可在其她

角處探測(cè)到n=2,3……得高級(jí)衍射線。同樣,在某一

＝

B處,n＝1,

＝

1得X射線可以產(chǎn)生衍射;n＝2,

＝

1/2得X射線也可以產(chǎn)生衍射,如果波譜儀無法將她們分離,則她們將出現(xiàn)于波譜得同一波長(zhǎng)(

角)處而不能分辨。

波譜定性分析例如SK

(n＝1)線存在于0、5372nm處,而CoK

(n＝1)存在于0、1789nm處,但CoK

(n＝3)得三級(jí)衍射存在于3

0、1789nm＝0、5367nm處,因而,SK

(n＝1)線和CoK

(n＝3)線靠得非常近而無法區(qū)分。但就是,SK

和CoK

具有不同得能量,她們將使X射線探測(cè)器輸出不同電壓脈沖幅度。CoK

得電壓脈沖幅度就是SK

得三倍,因而可根據(jù)SK

電壓脈沖信號(hào)設(shè)置窗口電壓,通過脈沖高度分析器排除CoK

得脈沖,從而使譜中0、5372nm處僅存在SK

線。由此可知,波譜定性分析不象能譜定性分析那么簡(jiǎn)單、直觀,這就要求對(duì)波譜進(jìn)行更合乎邏輯得分析,以免造成錯(cuò)誤。

(2)線掃描分折使聚焦電子束在試樣觀察區(qū)內(nèi)沿一選定直線(穿越粒子或界面)進(jìn)行慢掃描,X射線譜儀處于探測(cè)某一元素特征X射線狀態(tài)。顯像管射線束得橫向掃描與電子束在試樣上得掃描同步,用譜儀探測(cè)到得X射線信號(hào)強(qiáng)度(計(jì)數(shù)率)調(diào)制顯像管射線束得縱向位置就可以得到反映該元素含量變化得特征X射線強(qiáng)度沿試樣掃描線得分布。(2)線掃描分折

通常將電子束掃描線,特征X射線強(qiáng)度分布曲線重疊于二次電子圖象之上可以更加直觀地表明元素含量分布與形貌、結(jié)構(gòu)之間得關(guān)系(參見圖8-31)。(2)線掃描分折電子束在試樣上掃描時(shí),由于樣品表面轟擊點(diǎn)得變化,波譜儀將無法保持精確得聚焦條件,為此可將電子束固定不動(dòng)而使樣品以一定得速度移動(dòng),但這樣做并不方便,重復(fù)性也不易保證,特別就是仍然不能解決粗糙表面分析得困難,考慮到線掃描分析最多只能就是半定量得,因而目前仍較多采用電子束掃描得方法。如果使用能譜儀,則不存在X射線聚焦得問題。線掃描分析對(duì)于測(cè)定元素在材料相界和晶界上得富集與貧化就是十分有效得。在有關(guān)擴(kuò)散現(xiàn)象得研究中,電子探針比剝層化學(xué)分析、放射性示蹤原子等方法更方便。在垂直于擴(kuò)散界面得方向上進(jìn)