1、能譜儀,的結(jié)構(gòu)、原理及其使用,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?結(jié)合場發(fā)射掃描電鏡Sirion 200附件GENESIS60E型X-射線能譜儀，了解能譜儀的結(jié)構(gòu)及工作原理。 結(jié)合實(shí)例分析，熟悉能譜分析方法及應(yīng)用。 學(xué)會正確選用微區(qū)成分分析方法及其分析參數(shù)的選擇。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,X射線能量色散譜分析方法是電子顯微技術(shù)最基本和一直使用的、具有成分分析功能的方法，通常稱為X射線能譜分析法，簡稱EDS或EDX方法。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,特征X射線的產(chǎn)生 產(chǎn)生：內(nèi)殼層電子被轟擊后跳到比費(fèi)米能高的能級上，電子軌道內(nèi)出現(xiàn)的空位被外殼層軌道的電子填入時，作為多余的能量放出的就是特征X射線。 特點(diǎn)：特征X射線具有

2、元素固有的能量，所以，將它們展開成能譜后，根據(jù)它的能量值就可以確定元素的種類，而且根據(jù)譜的強(qiáng)度分析就可以確定其含量。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,X射線探測器的種類和原理 展成譜的方法： X射線能量色散譜方法(EDS:energy dispersive X-ray spectroscopy) X射線波長色散譜方法(WDS：wavelength dispersive X-ray spectroscopy) 在分析電子顯微鏡中均采用探測率高的EDS。從試樣產(chǎn)生的X射線通過測角臺進(jìn)入到探測器中。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,圖1 EDS系統(tǒng)框圖,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,為了使硅中的鋰穩(wěn)定和降低FET的

3、熱噪聲，平時和測量時都必須用液氮冷卻EDS探測器。 保護(hù)探測器的探測窗口有兩類: 鈹窗口型（beryllium window type） 這種探測器使用起來比較容易，但是，由于鈹薄膜對低能X射線的吸收，所以，不能分析比Na(Z11)輕的元素。 超薄窗口型（UTW type : ultra thin window type ） 它吸收X射線少，可以測量C(Z6)以上的比較輕的元素。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,EDS的分析技術(shù) （1）X射線的測量 當(dāng)用強(qiáng)電子束照射試樣，產(chǎn)生大量的X射線時，系統(tǒng)的漏計數(shù)的百分比就稱為死時間Tdead,它可以用輸入側(cè)的計數(shù)率RIN和輸出側(cè)的計數(shù)率ROUT來表示： Td

4、ead（1ROUT/RIN）100,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,（2）空間分辨率 圖2示出入射電子束的直徑和電子束在試樣內(nèi)的擴(kuò)展，即X射線產(chǎn)生區(qū)域的示意圖。 在分析電子顯微鏡的分析中，電子束在試樣中的擴(kuò)展對空間分辨率是有影響的，加速電壓、入射電子束直徑、試樣厚度、試樣的密度等都是決定空間分辨率的因素。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,圖2 入射電子束在試樣內(nèi)的擴(kuò)散,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,（3）峰/背比（P/B） 按照札盧澤克（Zaluzec）理論，探測到的薄膜試樣中元素的X射線強(qiáng)度N的表示式如下： N=(IpN0Ct)/4M 式中： I入射電子束強(qiáng)度； 離化截面； 熒光產(chǎn)額； 密度； p關(guān)注的特征

5、X射線產(chǎn)生的比值； N0阿弗加德羅常數(shù)； C化學(xué)組成（濃度）（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，）； t試樣厚度； 探測立體角； 探測器效率； M相對原子質(zhì)量。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,（4）定性分析 為保證定性分析的可靠性，采譜時必須注意兩條： 第一，采譜前要對能譜儀的能量刻度進(jìn)行校正，使儀器的零點(diǎn)和增益值落在正確值范圍內(nèi)； 第二，選擇合適的工作條件，以獲得一個能量分辨率好，被分析元素的譜峰有足夠計數(shù)、無雜峰和雜散輻射干擾或干擾最小的EDS譜。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,自動定性分析 自動定性分析是根據(jù)能量位置來確定峰位，直接單擊“操作/定性分析”按鈕，即可實(shí)現(xiàn)自動定性分析，在譜的每個峰的位置顯示出相應(yīng)的元素符號

6、。 手動定性分定性分析 自動定性分析優(yōu)點(diǎn)是識別速度快，但由于能譜譜峰重疊干擾嚴(yán)重，自動識別極易出錯為此分析者在儀器自動定性分析過程結(jié)束后，還必須對識別錯了的元素用手動定性分析進(jìn)行修正。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,（5）定量分析 定量分析是通過X射線強(qiáng)度來獲取組成樣品材料的各種元素的濃度。根據(jù)實(shí)際情況，人們尋求并提出了測量未知樣品和標(biāo)樣的強(qiáng)度比方法，再把強(qiáng)度比經(jīng)過定量修正換算呈濃度比。最廣泛使用的一種定量修正技術(shù)是ZAF修正。本軟件中提供了兩種定量分析方法：無標(biāo)樣定量分析法和有標(biāo)樣定量分析析法。,二、能譜儀結(jié)構(gòu)及工作原理,（6）元素的面分布分析方法 用掃描像觀察裝置，使電子束在試樣上做二維掃描，

7、測量特征X射線的強(qiáng)度，使與這個強(qiáng)度對應(yīng)的亮度變化與掃描信號同步在陰極射線管CRT上顯示出來，就得到特征X射線強(qiáng)度的二維分布的像。,三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法,樣品和電子掃描顯微鏡 （1）為了得到較精確的定性、定量分析結(jié)果，應(yīng)該 對樣品進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚?，盡量使樣品表面平整、光潔和導(dǎo)電。,三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法,（2）調(diào)整電子掃描顯微鏡的狀態(tài)，使X射線EDS探測器以最佳的立體角接收樣品表面激發(fā)出了特征X光子。 調(diào)理電鏡加速電壓。 調(diào)整工作距離、樣品臺傾斜角度以及探測器臂長。 調(diào)整電子束對中和束斑尺寸，使輸入計算率達(dá)到最佳。,三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法,（3）定性、定量分析結(jié)果是放在電鏡樣品室 里樣品表面區(qū)域的元素原子和

8、重量百分比。 放大倍數(shù)越大，作用樣品區(qū)域越小。要正確選擇作用區(qū)域，才可能得到正確的結(jié)果。,三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法,快捷啟動GENESIS60E（見圖3） 根據(jù)計數(shù)率選擇時間常數(shù)(Amp time),使死時間在20%-40%之間。 根據(jù)需要可以予置收集時間，這將自動停止譜線收集。 使用收集鍵(“Collect”)開始和停止譜線收集。 要調(diào)節(jié)對譜線的觀察 。 點(diǎn)擊峰識別(“Peak Id”)鍵，進(jìn)行自動峰識別。,三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法,圖3 快捷啟動GENESIS60E 操作界面示意圖,三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法,“HPD”鍵用于峰的識別和確定。 送入譜線標(biāo)識,最多216個字母。 點(diǎn)擊定量分析“Quantify”

9、鍵，得到無標(biāo)樣定量分析結(jié)果。 在結(jié)果對話框中選擇打印鍵，可以將譜線和定量分析結(jié)果打印在一頁紙上。 點(diǎn)擊存儲鍵并選擇文件名（后綴為.spc）和路徑。,三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法,儀器的安全注意事項(xiàng) 不要用手或用其他東西去觸碰窗口，不論是鈹窗還是Norvar超薄窗口，都是很易破碎的，因此用戶使用時，不要觸碰窗口。 不要企圖自己清洗窗口，如果要清洗，一定要征詢專業(yè)技術(shù)人員的支持。 不要搖動探頭。 在使用中要避免樣品或樣品臺碰到探頭上。 不要用任何熱沖擊、壓縮空氣或者腐蝕性的東西接觸窗口。,三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法,鈹是一種劇毒物，而且很脆，因此千萬不要用手或者皮膚去碰被窗。 如果探頭使用液氮，不要使液氮罐中的液氮

10、干了。己經(jīng)干了，再灌入液氮后不能馬上開機(jī)，一定要等4小時以后才能開啟能譜儀電源，為了避免液氮罐中結(jié)冰，不要等液氮快用完了才灌新的液氮，一般一星期最好灌二次較好。,四、能譜分析舉例,化學(xué)成分分析 元素的線分析 元素的面分布,四、能譜分析舉例,化學(xué)成分分析 優(yōu)點(diǎn)： 快速，全譜一次收集，分析一個樣品只需幾分鐘至幾十分鐘 不破壞樣品 可以把樣品的成分和形貌乃至結(jié)構(gòu)結(jié)合在一起進(jìn)行綜合分析,四、能譜分析舉例,圖4 EDS應(yīng)用實(shí)例一成分分析,EDS譜線收集完畢后定量計算的結(jié)果，給出了重量和原子百分比。,EDS譜線實(shí)時收集的結(jié)果，縱坐標(biāo)是X射線光子的計數(shù)率CPS，橫坐標(biāo)是元素的能量值（KeV）。,四、能譜分析舉例,元素的線分析 圖5 是EDS應(yīng)用實(shí)例之二元素的線分析。圖中的白線是電子束掃過的分析區(qū)域，它通過了晶內(nèi)及塊狀相（線的正中間白色）、晶界（線的右邊白色）。從元素的分析結(jié)果可以看出：正中間白色塊狀相主要含Cu、Ni、Er元素，右邊白色晶界上的相主要含Cu、Ni、Er、Mg和Zr元素。,四、能譜分析舉例,圖4 EDS應(yīng)用實(shí)例之二元素的線分析,四、能譜分析舉例,元素的面分布 圖6 是EDS應(yīng)用實(shí)例之三元素的面分布。圖中區(qū)域1是我們在電鏡中看到的形貌。圖中區(qū)域2、3、4是EDS信號收集完畢后給