金属材料常用分析方法

～ConfidentialandProprietary～12020/6/13Ver1.0金属材料常用分析检测方法～ConfidentialandProprietary～22020/6/13GDMS辉光放电质谱法（glowdischargemassspectrometry，GDMS）：将具有平整表面的被测样品作为辉光放电的阴极，样品在直流或溅射或脉冲辉光放电装置中产生阴极溅射，被溅射的样品离子离开样品表面扩散到等离子体中，通过各元素质荷比和响应信号的强弱，对被分析元素进行定性和定量分析的一种分析方法。主要组成：离子源、质量分析器、检测系统质量分析器进行能量分离，并由电磁质量分析器基于质荷比进行质量分离。～ConfidentialandProprietary～32020/6/13GDMS优缺点优点直接分析固体样品，样品的制备和处理简单；不需要将样品处理成水溶液进行分析可进行全元素分析，可分析元素周期表上的70多种元素，从轻元素到重元素都具有极高的灵敏度元素检出限低，可以满足6N或7N以上超纯半导体材料的分析要求采用很方便的进样杆推进式进样方式，更换样品时不必破坏离子源的真空可满足多种尺寸的棒状或块状固体样品的分析需要缺点对样品的尺寸形状要求较高，制样时要求样品必须有一个直径15mm或以上的平面区域、且样品表面平整，粗糙度较小要求样品表面光滑平整，否则样品与密封圈接触不良，造成密封不好，外界空气可能会渗漏进去，不能维持内部真空系统所需的压力，等离子体不稳定，样品就不能被可靠检测～ConfidentialandProprietary～42020/6/13株洲钽材料的GDMS～ConfidentialandProprietary～52020/6/13XRDX射线衍射（X-raydiffraction，XRD），通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐，主要有连续X射线和特征X射线两种。样品晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X射线的强度增强或减弱。由于大量原子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。分析精度大于样品成分的5%。满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsinθ=nλ物相分析、结晶度、晶向分析、晶粒尺寸、晶格常数～ConfidentialandProprietary～62020/6/13XRFX射线荧光光谱分析(XRayFluorescence，XRF）：人们通常把X射线照射在物质上而产生的次级X射线叫X射线荧光（X—RayFluorescence），而把用来照射的X射线叫原级X射线。根据布拉格公式:nλ=2dsinθ改变分光晶体与荧光X射线之间的角度即可探测到不同波长的特征荧光X射线～ConfidentialandProprietary～72020/6/13XRF的组成•X射线发射系统：主要部件是X射线管，在高压和电流作用下，产生出极高强度X射线，用于激发样品。•冷却系统：用于冷却产生大量热的X射线管，X射线的发生效率为0.2%。X射线管消耗的电能几乎全部转化为热量，因此，在X射线管工作时，必须保证冷却系统运转正常。•样品传输系统：将放置在样品盘中的样品传输到测定位置。•分光检测系统：把样品产生的X射线荧光用分光元件和检测器进行分光、检测。•计数系统：统计、测量检测器检测出的信号，同时也可以除去过强的信号和干扰线。•真空系统：将样品传输系统和分析检测系统抽成真空，使检测在真空中进行，避免强度的吸收损失•控制和数据处理系统：对各部分进行控制，并处理统计测量的数据，进行定性、定量分析，打印结果。～ConfidentialandProprietary～82020/6/13影响分析精度的因素•采样位置、样品大小、缩分导致的样品代表性问题•样品加工过程中的污染•样品与标样基体差异导致的误差•仪器系统误差（系统稳定性如电流电压稳定性）•分光精度不高导致的谱线重叠产生误差•检测器的质量•检测方法～ConfidentialandProprietary～92020/6/13～ConfidentialandProprietary～102020/6/13～ConfidentialandProprietary～112020/6/13ICP-AES电感耦合等离子体发射光谱仪（InductiveCoupledPlasmaAtomicEmissionSpectrometer,ICP-AES)：试样中气态原子（或离子）被激发以后，其外层电子辐射跃迁所发射的特征辐射能（不同的光谱），来研究物质化学组成的一种方法，是光谱分析的一种。～ConfidentialandProprietary～122020/6/13ICP-AES可测定的元素～ConfidentialandProprietary～132020/6/13ICP-MS(InductiveCoupledPlasmaMassSpectrometer)～ConfidentialandProprietary～142020/6/13ICP-MS结构示意图～ConfidentialandProprietary～152020/6/13ICP-MS优缺点与ICP-AES的区别：ICP-MS测量的是离子质谱，提供在3-250amu范围内每一个原子质量单位（amu）的信息，还可以进行同位素测定。而ICP-AES测量的是光学光谱（120-800nm）。～ConfidentialandProprietary～162020/6/13SEM的工作原理电子光学系统•由电子枪，电磁透镜，扫描线圈和样品室等部件组成。•其作用是用来获得扫描电子束，作为信号的激发源。为了获得较高的信号强度和图像分辨率，扫描电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径。信号收集及显示系统•检测样品在入射电子作用下产生的物理信号，然后经视频放大作为显像系统的调制信号。普遍使用的是电子检测器，它由闪烁体，光导管和光电倍增器所组成真空系统和电源系统•真空系统的作用是为保证电子光学系统正常工作，防止样品污染提供高的真空度，一般情况下要求保持10-4-10-5Pa的真空度。•电源系统由稳压，稳流及相应的安全保护电路所组成，其作用是提供扫描电镜各部分所需的电源。～ConfidentialandProprietary～172020/6/13几种类型电子枪性能比较电子束应具有较高的亮度和尽可能小的束斑直径电子枪为主要耗材，一条钨丝市场价大概在300元左右～ConfidentialandProprietary～182020/6/13SEM中的信号•背散射电子：是指入射电子与样品相互作用(弹性和非弹性散射)之后，再次逸出样品表面的高能电子，其能量接近于入射电子能量(E。)。背射电子的产额随样品的原子序数增大而增加，所以背散射电子信号的强度与样品的化学组成有关，即与组成样品的各元素平均原子序数有关。•二次电子：入射电子与样品相互作用后，使样品原子较外层电子（价带或导带电子）电离产生的电子，称二次电子。二次电子能量比较低，习惯上把能量小于50eV电子统称为二次电子。二次电子仅在样品表面5nm－10nm的深度内才能逸出表面，这是二次电子分辨率高的重要原因之一。•X射线：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时发出的光子。样品入射电子俄歇电子阴极发光背散射电子二次电子X射线透射电子其他信号•俄歇电子：入射电子在样品原子激发内层电子后外层电子跃迁至内层时，多余能量转移给外层电子，使外层电子挣脱原子核的束缚，成为俄歇电子。•透射电子:电子穿透样品的部分。这些电子携带着被样品吸收、衍射的信息，用于透射电镜的明场像和透射扫描电镜的扫描图像,以揭示样品内部微观结构的形貌特征。三种主要信号真空～ConfidentialandProprietary～192020/6/131.二次电子像（1）颗粒形态、大小、分布观察与分析（2）断口形貌观察（3）显微组织观察等2.背散射电子像（1）分析晶界上或晶粒内部不同种类的析出相（2）定性地判定析出物相的类型（3）形貌观察等3．其它应用（背散射电子衍射花样、电子通道花样等用于晶体学取向测定）SEM中的信号应用锡铅镀层的表面图像（a）二次电子图像（b）背散射电子图像～ConfidentialandProprietary～202020/6/13（1）放大倍数荧光屏上的扫描振幅电子束在样品上的扫描振幅放大倍数与扫描面积的关系：(若荧光屏画面面积为10×10cm2)放大倍数扫描面积10×(1cm)2100×(1mm)21,000×(100μm)210,000×(10μm)2100,000×(1μm)2SEM主要性能指标AcAsK＝（2）分辨率：样品上可以分辨的两个邻近的质点或线条间的距离。如何测量：拍摄图象上，亮区间最小暗间隙宽度除以放大倍数。影响SEM图像分辨率的主要因素有：①扫描电子束斑直径；②入射电子束在样品中的扩展效应；③操作方式及其所用的调制信号；④信号噪音比；⑤杂散磁场；⑥机械振动将引起束斑漂流等，使分辨率下降。（3）景深SEM（二次电子像）的景深比光学显微镜的大，成像富有立体感。～ConfidentialandProprietary～212020/6/13样品（倾斜70）;磷荧光屏;(CCD)录像相机;SEM控制部件、接口;控制EBSD实验的计算机及软件.EBSD原理☼背散射电子衍射(EBSD)是一项在扫描电镜中获得样品结晶学信息的新技术。☼EBSD要求电子束打在一个倾斜的晶体样品上，背散射的电子在出射样品时产生菊池衍射，衍射花样用CCD相机摄取。☼衍射花样可用来测量晶体取向（crystalorientation）、晶界取向差（grainboundarymisorientations）鉴别物相、以及局部晶体完整性的信息。☼当电子束在多晶样品上做栅状扫描时，可测得的每一点晶体取向，这种取向图（map）将揭示晶粒的形态（morphology）、方向和晶界。取向图也可直观显现出样品中的择优取向或织构（如果存在）。～ConfidentialandProprietary～222020/6/13能谱仪（EDS）在Si(Li)晶体两端偏压来收集电子空穴对→（前置放大器）转换成电流脉冲→（主放大器）转换成电压脉冲→（后进入）多通脉冲高度分析器，按高度把脉冲分类，并计数，从而描绘I－E图谱。～ConfidentialandProprietary～232020/6/13优点：(1)定性分析速度快可在几分钟内分析和确定样品中含有的几乎所有元素。铍窗口：11Na~92U，新型材料窗口：4Be~92U(2)灵敏度高X射线收集立体角大，空间分辨率高。(3)谱线重复性好适合于表面比较粗糙的分析工作。缺点：(1)能量分辨率低，峰背比低。能谱仪的能量分辨率(130eV)比波谱仪的能量分辨率(5eV)低。(2)工作条件要求严格。Si(Li)探头必须始终保持在冷却的低温状态。(3)定量分析精度不如波谱仪。Si(Li)能谱仪的特点～ConfidentialandProprietary～Thankyou!242020/6/13