第三章-电子显微分析-电子探针

第三章电子显微分析——电子探针仪电子探针仪的概述电子探针仪(Electronprobe)是一种微区成分分析仪器。原理：用细聚焦电子束入射样品表面，激发出样品元素的特征X射线分析特征X射线的波长（或能量）可知元素种类；分析特征X射线的强度可知元素的含量。电子探针仪的构造及工作原理λ与样品材料的Z有关，测出λ，即可确定相应元素的Z。电子束轰击试样表面激发的特征x射线，其波长为：定性分析原理：λ=K*(Z-δ)-2某种元素的特征x射线强度与该元素在样品中的浓度成比例，测出x射线强度I，就可计算出该元素的相对含量。定量分析原理：电子探针仪的构造及工作原理电子探针仪的构造主要有柱体（镜筒）、x射线谱仪、记录显示系统组成。电子探针的信号检测系统是x射线谱仪用来测定特征波长的谱仪叫波长分散谱仪(WDS)或波谱仪。用来测定x射线特征能量的谱仪叫能量分散谱仪(EDS)或能谱仪。1、波谱仪的结构和工作原理波谱仪的谱仪系统——也即X射线的分光和探测系统是由分光晶体、X射线探测器和相应的机械传动装置构成由布拉格定律，从试样中发出的特征x射线，经一定晶面间距的晶体分光，波长不同的特征x射线将有不同的衍射角。连续改变，在与x射线入射方向呈2的位置上测到不同波长的特征x射线信号。由莫塞莱定律可确定被测物质所含元素。波谱仪的工作原理分光晶体专门用来对x射线起色散（分光）作用的晶体，具有良好的衍射性能、强的反射能力和好的分辨率。晶体展谱遵循布拉格方程，对于不同λ的x射线，需要选用与其波长相当的分光晶体。为了提高接收x射线强度，分光晶体通常使用弯曲晶体。波长色散谱合金钢定点分析的谱线图WDS特点：④分析元素范围宽。①分析速度慢。②分辨率高。③测量精度高。⑤样品表面要求平整、光滑。能谱仪及其应用能谱仪（能量分散谱仪）EDS-EnergyDispersiveSpectrometry2、能谱仪的结构和工作原理能谱仪的主要组成部分如图所示，由探针器、前置放大器、脉冲信号处理单元、模数转换器、多道分析器、小型计算机及显示记录系统组成，它实际上是一套复杂的电子仪器。能谱仪的工作原理利用固态检测器（锂漂移硅）测量每个x射线光子的能量，并按E大小展谱，得到以能量为横坐标、强度为纵坐标的x射线能量色散谱，显示于荧光屏上。液体氮ＦＥＴSi(Li)检测器窗口平行光管电子束样品EDS原理图Ｘ射线锂漂移硅Si(Li)检测器当X射线光子进入检测器后，在Si(Li)晶体内激发出一定数目的电子－空穴对。产生一个空穴对的最低平均能量ε是一定的，因此由一个X射线光子造成的电子－空穴对的数目为N，入射X射线光子的能量越高，N就越大。N＝E／脉冲整形器液体氮前置放大器主放大器多道分析器FETSi(Li)检测器窗口平行光管电子束样品Ｘ射线EDS原理图EDS特点：①分析速度快；②灵敏度高；③分辨率较低：130eV；④分析元素范围：11Na－92U；⑤对样品污染作用小；⑥谱线的重复性好，适于粗糙表面成分分析；⑦峰背比小，一般为100，而波谱仪为1000⑧探测器须在液氮温度下使用，维护费用高。比较项目WDSEDS元素分析范围元素分析方法分辨率灵敏度检测效率定量分析精度仪器特殊性4Be～92U分光晶体逐个元素分析高低低，随波长而变化好多个分光晶体11Na～92U／4Be～92U固态检测器元素同时检测低高高，一定条件下是常数差探头液氮冷却能谱仪和波谱仪主要性能的比较WDS与EDS比较①WDS分析元素范围广、分辨率高、适于精确的定量分析，对样品表面要求高、分析速度慢，易引起样品和镜筒的污染；②EDS在分析元素范围、分辨率方面略逊，分析速度快、对样品表面要求不高、可用较小的束流和细微电子束，适于与SEM配合使用；能谱仪和波谱仪的谱线比较电子探针仪的分析方法及应用电子探针分析有四种基本分析方法：定点定性分析、定点定量分析、线扫描分析和面扫描分析。准确的分析对实验条件有两大方面的要求。一是对样品有一定的要求：如良好的导电、导热性，表面平整度等；二是对工作条件有一定的要求：如加速电压，入射电子束流，X射线出射角等。分析方法及应用定量分析：记录样品发射的特征x射线λ和I。每种元素选择一根谱线与已知成分纯元素标样的同根谱线进行比较，确定元素含量。定性分析：记录样品发射的特征x射线λ。对比单元素特征谱线波长，确定样品中的元素。24基本工作方式（1）定点元素全分析（定性或定量）：电子束固定在分析的某一点（微区），改变晶体的衍射角，记录该点不同元素的x射线λ和I。根据谱线强度峰的位置波长确定微区含有元素；根据元素某一谱线的强度确定元素的含量。该方法用于显微结构的成份分析，例如，对材料晶界、夹杂、析出相、沉淀物、奇异相及非化学计量材料的组成等研究。基本工作方式26（2）线扫描分析聚焦电子束在试样沿一直线慢扫描，同时检测某一指定特征x射线的瞬时I，得到特征x射线I沿试样扫描线的分布。（元素的浓度分布）对于测定元素在材料相界和晶界上的富集与贫化是十分有效的。通常将电子束扫描线，特征X射线强度分布曲线重叠于二次电子图象之上可以更加直观地表明元素含量分布与形貌、结构之间的关系。（2）线扫描分析（3）面扫描分析电子束在试样表面进行面扫描，谱仪只检测某一元素的特征x射线位置，得到由许多亮点组成的图像。亮点为元素的所在处，根据亮点的疏密程度可确定元素在试样表面的分布情况。亮区代表元素含量高，灰区代表元素含量较低，黑色区域代表元素含量很低或不存在。（3）面扫描分析(a)背散射电子成分像1000×(b)MgX射线像1000×(c)AlX射线像1000×图a中的黑色相比基体ZrO2相的平均原子序数低，从b和c图可以看出，黑色相富铝和富镁，实际上是镁铝尖晶石相。（3）面扫描分析电子探针仪的应用(1)组分不均匀合金试样的微区成分分析(2)扩散对试样中成分梯度的测定(3)相图低温等温截面的测定(4)金属／半导体界面反应产物