扫描电镜中的能谱分析

谭立和博士Ph.D.CambridgeEDAXInc.EnergyDispersiveXEnergyDispersiveX--raySpectrometricraySpectrometricMicroanalysis(EDX)Microanalysis(EDX)withSEMwithSEM扫描电镜中的能谱分析扫描电镜中的能谱分析内容梗概内容梗概‹扫描电子显微分析基本概念‹能谱分析技术理论基础‹分析软件结构与操作–定性定量分析–面分布和线扫描–高级应用软件‹上机操作‹仪器维护与常见问题处理在本课程中将包含哪些软件在本课程中将包含哪些软件??‹能谱的定性定量分析‹Imaging，Mapping&Line_Scan成像，面分布图和线扫描‹快速和定量成分图Live&QuantMap‹图像谱线全息数据恢复SpectralMapping‹粒度/相分析Particle-Phase‹相群分析PCA，和元素侦测软件Max_ChanelSpectra‹谱峰匹配和处理SpectraMatch&Utility‹其它软件操作演示影片软件操作演示影片–影片演示了GENESIS软件主要功能的使用方法–影片采用Camtasia软件录制（见下方提示）–影片播放为.exe自释放执行文件（在1024×768显示像素下）–如受计算机操作系统限制，影片不能正常播放，可先解压缩，以.avi文件播放。参考书目（特别推荐）参考书目（特别推荐）ScanningElectronMicroscopyandX-RayMicroanalysis用于生物学、材料科学和地质学JosephGoldstein,DaleNewbury,DavidC.Joy,CharlesE.Lyman,PatrickEchlin,EricLifshin,LindaSawyer,andJosephMichael,KluwerAcademic/PlenumPublishers,NewYork,2003.689pages.(ISBN--0-306-47292-9)3rdEdition,参考书目参考书目((LehighLabManual)LehighLabManual)ScanningElectronMicroscopy,X-RayMicroanalysis,andAnalyticalElectronMicroscopy一本实验手册CharlesE.Lyman,DaleE.Newbury,JoesephI.Goldstein,DavidB.Williams,AltonD.Romig,Jr.,JohnT.Armstrong,PatrickEchlin,CharlesE.Fiori,DavidC.Joy,EricLifshin,&Klaus-RuedigerPeters,PlenumPress,NewYork,1990.(ISBN--0-306-43591-8)基础知识基础知识‹扫描电镜简介及EDS系统–硬件和软件‹X-射线信号的产生–信号源，空间分辨率，信号的方向，样品表面‹EDS仪器和信号的检测–探头和几何效率，信号处理，能量分辨和准直系统基础知识基础知识电子束与电子显微镜‹能量因素EnergyPower:Electroncanbeacceleratedbyelectricfield‹分辨能力ResolutionPower:=0.61λ/nSinα–肉眼HumanEye-0.2mm–光镜OpticalMicroscope-0.2µm–电子束Electronbeam-nmorÅ量级λ=h/mv=h(2mE)-0.5‹LowMass质量小:minimumdamagetospecimen‹FocusingPower可聚焦性deflectedbymagneticfield，Probesizedownto2~3Å为何选用电子束作激发源为何选用电子束作激发源基础知识基础知识电子束与电子显微镜演示~10nm:二次电子~1~2µm:背散射电子~2~5µm:X-射线/阴极荧光交互作用区一次电子束电子束电子束--样品交互作用区样品交互作用区同一样品同一样品,,不同能量电子束不同能量电子束2525kVkV1515kVkV55kVkV不同样品不同样品,,同一能量电子束同一能量电子束银银碳碳铁铁7070°°倾斜倾斜3030°°倾斜倾斜00°°无倾斜无倾斜样品面倾斜效应样品面倾斜效应--边缘效应边缘效应XX--射线的空间分辨率射线的空间分辨率低原子序Z高原子序Z高加速电压kV低加速电压kV电子束斑大小基本不能影响分辨率，而加速电压kV和平均原子序Z则起决定作用。电子散射电子散射E0E1qe弹性散射E0E1qi非弹性散射样品在电子束轰击下产生的信号样品在电子束轰击下产生的信号IoISEIBSEISC样品e-X-raycX-raybLight样品发热背散射电子二次电子俄歇电子X-射线光量子光子发热(样品电流)样品在电子束轰击下产生的信号样品在电子束轰击下产生的信号样品中出来的信号电子的能量和强度样品中出来的信号电子的能量和强度005050eVeV22kVkVEEPEPESESEBSEBSEAugerAuger频数电子能量电子能量Everhart-Thornley二次电子探头‹真空度要求高由于探头本身的暴露式的高压元件‹ETD对光敏感,进而对加热也敏感‹对样品的要求高耐真空，保真空,无污染和导电真空环境下二次电子成像与探头真空环境下二次电子成像与探头真空环境下二次电子成像与探头真空环境下二次电子成像与探头光电倍增管收集器偏压-250V至+400V闪烁器电压+10到+12仟伏样品室真空8x10-5Torr光管电子收集器需要高真空SEMSEM样品室样品室信号的方向性信号的方向性‹SE信号–非直线传播通过探头前加有正电压的金属网来吸引‹BSE信号–直线发散传播探头需覆盖面积大‹X-射线信号–直线发散传播样品面倾斜效应样品面倾斜效应--边缘效应边缘效应RRRR00qq一次电子束一次电子束倾斜样品表面RRRR’’00一次电子束一次电子束水平样品表面SESE与与BSEBSE成像成像SE–主要反映边界效应，对充电敏感，非常小的原子序Z衬度。BSE–主要反映原子序Z衬度，无边界效应，不显示充电现象。背散射系数背散射系数‹平均原子序数‹晶体学取向(通道)‹表面倾斜‹内部磁场B相A相样品电流平衡样品电流平衡IPCISEIBSEISC样品ISE+IBSE+ISC=IPC荷电效应荷电效应EE111kV1kVEE221.5kV1.5kVη+δη+δ11电子束能量电子束能量ISE/IPC=ηηIBSE/IPC=δδISE+IBSE+ISC=IPC__++__消除荷电效应消除荷电效应‹镀层‹快速扫描‹较低的加速电压‹较小的束斑‹低真空环境涂层特性涂层特性‹良好的导电性‹化学的不活泼性‹良好的二次电子发射率‹小晶粒尺寸‹易于制备的薄膜衬底介质衬底介质‹铝‹碳‹铜‹粘接剂‹双面胶带‹金属胶带‹蜡或油基的衬底介质XX--射线信号的产生射线信号的产生XX--射线信号的产生射线信号的产生‹信号源‹空间分辨率‹信号的方向性‹粗糙表面或颗粒的分析交互作用区交互作用区~10nm:二次电子~1~2µm:背散射电子~2~5µm:X-射线/阴极荧光交互作用区一次电子束电子进入样品后的情形电子进入样品后的情形一穿而过，不出信号电子进入样品后的情形电子进入样品后的情形二次电子一穿而过，不出信号电子进入样品后的情形电子进入样品后的情形背散射电子一穿而过，不出信号二次电子1.Nothing2.SE3.BSE4.Xray电子进入样品后的情形电子进入样品后的情形连续连续XX--射线射线白光(连续X-射线)特征X-射线击出电子入射电子束连续连续XX--射线射线Intensity(I)实际产生实际可测Energy(E)Eo原子的波尔模型原子的波尔模型（（简单）简单）——XX--射线的产生射线的产生实际的谱是更为复杂的，因为原子有多层轨道,例如L,M和N层。在EDS中L-线系谱可能高达6或7条谱。MαLβLαKαKβ原子核铁的特征铁的特征XX--射线能级射线能级真实的真实的K,LK,L和和MM谱峰谱峰按原子序数顺序的按原子序数顺序的KK线峰的位置线峰的位置0~100~10kVkV之间之间可见谱线可见谱线‹K线系-Be(Z=4)到Ga(Z=31)‹L线系-S(Z=16)到Au(Z=79)‹M线系-Zr(Z=40)到最高可能出现的原子序号。每一个元素（Z3）在0.1到10keV都具有至少一个可见谱线。对一些重叠状态，可能需要在10到20keV的范围进行测定。~10nm:二次电子~1~2µm:背散射电子~2~5µm:X-射线/阴极荧光交互作用区一次电子束电子束电子束--样品交互作用区样品交互作用区能谱仪硬件几何参数能谱仪硬件几何参数硬件示意图硬件示意图显示器(MCADisplay)计算机EDAMPCI杜瓦瓶前置放大器SEM镜筒终透镜样品台样品室探头窗口准直器FET信号处理示意图信号处理示意图电子束和样品相互作用谱解释信号处理信号检测X-射线信号电子束POLEe-E-TRAPSAMPLETOASAWINDOW(&LIGHTTRAP)OVERGRIDACTIVESi(Li)FETDEADLAYERToPREAMPCOLDFINGERhCOLLIMATOR探头参数探头参数物镜极靴物镜极靴取出角取出角ψψ采集立体角采集立体角ΩΩ探头探头样品样品谱的异常谱的异常X-射线的吸收探头电子束荧光X-射线交互作用区样品背散射电子XX--射线信号探测的方向性射线信号探测的方向性ABC探头方向样品样品台表面形貌对谱的计数率和成分分析（取出角和吸收效应）有着重大的影响。BACA=较低的低能端峰B=正常C=较高的低能端峰取出角在C点最高而在A点最低。在成分均匀的同一颗粒上3个位置的3个不同的谱。XX--射线信号探测的方向性射线信号探测的方向性倾斜的效应倾斜的效应((FeCO3)FeCO3)EDSEDS仪器和信号检测仪器和信号检测‹X-射线探头‹X-射线探头的检测效率‹几何效应‹信号处理及信号处理器‹能量分辨率‹准直器POLEe-E-TRAPSAMPLETOASAWINDOW(&LIGHTTRAP)OVERGRIDACTIVESi(Li)FETDEADLAYERToPREAMPCOLDFINGERhCOLLIMATORXX--探头的窗口和晶体部分探头的窗口和晶体部分(Sapphire)X-射线（光子）电镜样品室探头真空腔探头窗8uBe或0.3u聚合物+,-空位，电子Si(Li)探头晶体至前置放大器(FET)金属化层，（85Â）及Si死层-500至1000伏CaXray=3690eV/3.8eV/e-=971e-NXray=392/3.8=103e-DetectorWindowDetectorWindowƒSUTW,4-层膜-poly/Al/poly/Al.ƒ总厚度为0.34um.ƒ硅支撑光栅具有垂直取向“venetianblind”排列，80%穿透率.EDSEDS仪器和信号检测仪器和信号检测‹X-射线探头‹X-射线探头的检测效率‹几何效应‹信号处理及信号处理器‹能量分辨率‹准直器BeBCNOFNaBeUTWSUTWLightShieldECON0%10%20%30%40%50%60%70%80%90%100%Transmissivity检测效率检测效率--窗口的传输能力窗口的传输能力不同窗口对不同窗口对KK系系XX--射线的穿透率射线的穿透率WindowTypeBCNOF8micronBeSUTW0.3micron0%25%0%85%0%42%0%60%5%70%检测效率检测效率--窗口的传输能力窗口的传输能力I/Io=e-(mrt)此处：‹I=最终强度‹Io=初始强度‹r=密度‹t=厚度‹m=质量吸收系数质量吸收系数质量吸收系数0.284炭元素吸收边或临界激发能量(Kab)C吸收X-射线能量(keV)CKaEnergyNKaEnergy谱的吸收现象谱的吸收现象由于样品的吸收，背底在高能端较低。信号探测立体角信号探测立体角