1、电子探针电子探针X X射线显微分析射线显微分析 分析测试中心 许一、引言o电子探针X射线显微分析（简称电子探针显微分析）（Electron Probe Microanalysis，简称EPMA），它用一束聚焦得很细（50nm）的加速到5kV-30kV的电子束，轰击用光学显微镜选定的待分析试样上某个“点”（一般直径为1-50um），利用试样受到轰击时发射的X射线的波长及强度，来确定分析区域中的化学组成。一、引言oEPMA是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法。一、引言o1949年法国Castai
2、ng与Guinier将一架静电型电子显微镜改造成为电子探针仪。o1951年Castaing的博士论文奠定了电子探针分析技术的仪器、原理、实验和定量计算的基础，其中较完整地介绍了原子序数、吸收、荧光修正测量结果的方法，被人们誉为EPMA显微分析这一学科的经典著作。一、引言o1956年，在英国剑桥大学卡文迪许实验室设计和制造了第一台扫描电子探针。o1958年法国CAMECA公司提供第一台电子探针商品仪器，取名为MS-85。o现在世界上生产电子探针的厂家主要有三家，即日本岛津公司SHIMADZU、日本电子公司JEOL和法国的CAMECA公司。一、引言一、引言一、引言o随着科学技术的发展，电子探针显微
3、分析技术进入了一个新的阶段，电子探针向高自动化、高灵敏度、高精确度、高稳定性发展。现在的电子探针为波谱WDS和能谱EDS组合仪，用一台计算机同时控制WDS和EDS，结构简单、操作方便。一、引言（EPMA、SEM区别）oEPMAEPMA：用于成分分析、形貌观察，以成分分析为主。主要用WDS进行元素成分分析、检出角大、附有光学显微镜，可以准确定位工作距离，定量结果准确度高,检测极限低。o缺点：真空腔体大，成分分析束流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量不如SEM。oSEM：用于形貌观察、成分分析（一般用EDS分析），以形貌观察为主，图像分辨率高。oEPMA比SEM价格贵几倍。一、引言（EPMA
4、/SEM-EDS的特点）oEPMA、SEM-EDS的仪器构造、成像原理、分析原理、WDS及EDS定量修正过程都相同，但功能、特点不完全相同。oEPMA成分分析时电流大；检出角大；有能精确定位分析点的光学显微镜；WDS的波长分辨率及检测极限均优于EDS。现在成分定量分析要求较高的材料科学、冶金、地质等领域一般都配备了EPMA。oSEM-WDS成分定量分析结果一般也不如EPMA,SEM-EDS还无法完全代替EPMA。一、引言（EPMAEPMA分析特点）o微区（微米范围）显微结构分析 oEPMA成分分析的空间分辨率（微束分析空间特征的一种度量，通常以激发体积表示）是几个立方微米范围，它能将微区化学成
5、分与显微结构对应起来，是一种显微结构的分析。o一般化学分析、X光荧光分析及光谱分析等，是分析试样较大范围内的平均化学组成，也无法与显微结构相对应,不能对材料显微结构与材料性能关系进行研究。一、引言（EPMA分析特点）o元素分析范围广：硼(B)铀()o氢和氦原子只有K层电子，不能产生特征X射线。锂(Li)虽然能产生X射线，但产生的特征X射线波长太长，无法进行检测。一、引言（EPMA分析特点）o定量准确度高 oEPMA是目前微区元素定量分析最准确的仪器，检测极限一般为0.01%-0.05%，不同测量条件和不同元素有不同的检测极限，有时可以达到ppm级。主元素定量分析的相对误差为1%3%，对原子序数
6、大于11的元素，含量在10%以上时，其相对误差通常小于2%。一、引言（EPMA分析特点）o不损坏试样、分析速度快 oEPMA可自动进行多种方法分析，并自动进行数据处理和数据分析，对含10个元素以下的试样定性、定量分析，新型EPMA测量试样的时间约需30分钟。o如果用EDS进行定性、定量分析，几分钟即可完成测量。分析过程中一般不损坏试样，试样分析后，可以完好保存或继续进行其它方面的分析测试，这对于文物、宝石、古陶瓷、古钱币及犯罪证据等稀有试样的分析尤为重要。二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o2.1 常用的X射线谱仪有两种：o一种是利用特征X射线的波长不同来展谱，实现对不同波长X射线分别检测
7、的波长色散谱仪，简称波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer，简称WDS）o另一种是利用特征X射线能量不同来展谱，的能量色散谱仪，简称能谱仪（Energy Dispersive Spectrometer，简称EDS）。二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o2.2 定性分析的基本原理 oX射线波谱仪测量电子激发试样所产生的特征X射线波长的种类，即可确定试样中所存在元素的种类。o能谱定性分析主要是根据不同元素之间的特征X射线能量不同，即Eh，h为普朗克常数，为特征X射线频率，通过EDS检测试样中不同能量的特征X射线光子，即可进行元素的定性分析。二、电子探针X射
8、线显微分析的分类及原理o2.3 定量分析的基本原理 o试样中A元素的相对含量CA与该元素产生的特征X射线的强度IA(X射线计数)成正比:CAIA，如果在相同的电子探针分析条件下，同时测量试样和已知成份的标样中A元素的同名X射线(如K线)强度，经过修正计算，就可以得出试样中A元素的相对百分含量CA二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o能谱仪：基本原理（依据特征X射线的波长和相应光量子的关系，通过测量特征X射线的光量子来确定测定试样激发的特征X射线波长，得到一个按能量展开的图谱）二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o波谱仪基本原理o莫塞莱定律 测定试样激发的特征X射线波长，来确定被激发物质中所
9、含有的元素；o采用晶面间距已知的晶体，运用布拉格定律 o通过测角求出波长，从而定性，得到一个按波长展开的图谱ZK1ndsin2o 二、电子探针X射线显微分析的分类及原理o元素H和He没有X射线峰。通常每个元素约有210个强峰，相对其他光谱分析，谱峰数少。oZ32的较轻元素，只出现一个K双峰和一个较高能量的K峰；用K线系计算；o32 Z 72的较重元素，增加了几个L峰，他们大多数有一个双峰，其后跟随具有更高能量的、群，用L线系计算；oZ72的重元素，没有K峰，除L峰外还出现M峰，通常用M线系计算。三、电子探针X射线显微仪器的组成o电子探针的主要组成部分:o1.电子光学系统；o2.X射线谱仪系统；
10、o3.试样室；o4.计算机；o5.扫描显示系统；o6.真空系统等3.1、波谱仪（WDS）的结构和工作原理oX射线波谱仪的谱仪系统即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3.1.1、波谱仪、波谱仪 o被激发的特征X射线照射到连续转动的分光晶体上实现分光(色散)，即不同波长的X射线将在各自满足布拉格方程的2方向上被(与分光晶体以2:1的角速度同步转动的)检测器接收。3.1.2 3.1.2 波谱仪波谱仪WDS工作原理工作原理o不同元素的特征X射线的波长不同：轻元素的特征X射线的波长长；重元素波长短。不同元素选用不同的分光晶体。故需根据元素检测范围选择分光晶体；o由2
11、dsin=n，可知d/2，选择分光晶体的晶面间距d必须大于所测X射线波长的一半。样品样品入射电子束入射电子束混合波长混合波长的的X X射线射线晶体晶体12122d3.1.2 波谱仪的工作原理（布拉格衍射）波谱仪的工作原理（布拉格衍射）2dSin=n2dSin=n3.1.3 3.1.3 分光晶体分光晶体o谱仪的角有一定变动范围，如15-65；每一种晶体的衍射晶面是固定的，因此它只能色散一段波长范围的X射线和适用于一定原子序数范围的元素分析。o目前，电子探针仪能分析的元素范围是原子序数为5的硼（B）到原子序数为92的铀（U）。常用分光晶体的基本参数及可检测范围常用分光晶体的基本参数及可检测范围晶体
12、化学分子式（和缩写）反射晶面晶面间距 d(A)可检测波长 范围(A)可检测元素范围氟化锂LiF(LiF)2002.0130.893.5K:20Ca-37RbL:51Sb-92U异成四醇C5H12O4(PET)0024.3752.07.7K:14Si-26FeL:37Rb-65TbM:72Hf-92U邻苯二酸铷(或钾)C8H5O4Rb (RAP)或或KAP101013.06(13.32)5.823.0K:9F-15PL:24Cr-40ZrM:57La-79Au肉豆蔻酸铅(C14H27O2)2M*(MYR)_4017.670K:5B-9FL:20Ca-25Mn硬脂酸铅(C18H35O2)2M*(S
13、TE)_502288K:5B-8OL:20Ca-23V廿四烷酸铅(C24H47O2)2M*(LIG)_6529114K:4Be-7NL:20Ca-21Sc3.1.4 X3.1.4 X射线探测器射线探测器o作为X射线的探测器，要求有高的探测灵敏度，与波长的正比性好和响应时间短。o波谱仪使用的X射线探测器有正比记数器和闪烁计数器等。3.1.5 X3.1.5 X射线记数和记录系统射线记数和记录系统oX射线探测器输出的电脉冲信号经处理后转换成X射线的强度并加以显示，绘出电子束在试样上作线扫描时的X射线强度（元素浓度）分布曲线。3.1.6 波谱仪的特点波谱仪的特点o波谱仪的突出优点是波长分辨率很高。o但
14、由于结构的特点，谱仪要想有足够的色散率，聚焦圆的半径就要足够大，这时弯晶离X射线光源的距离就会变大，它对X射线光源所张的立体角就会很小，因此对X射线光源发射的X射线光量子的收集率也就会很低，致使X射线信号的利用率极低。波谱仪的特点波谱仪的特点：o此外，由于经过晶体衍射后，强度损失很大，所以，波谱仪难以在低束流和低激发强度下使用，这是波谱仪的两个缺点。3.1.7 波长色散谱 3.2、能谱仪、能谱仪 o能谱仪全称为能量分散谱仪(EDS)o目前最常用的是Si(Li)X射线能谱仪，其关键部件是Si(Li)检测器，即锂漂移硅固态检测器，它实际上是一个以Li为施主杂质的二极管。图图10-18 Si(Li)
15、检测器探头结构示意图检测器探头结构示意图 样品样品入射电子束入射电子束主放大器主放大器谱线记录仪谱线记录仪用液氮冷用液氮冷却的容器却的容器X射线射线场效应晶体管场效应晶体管 前置放大器前置放大器Si(Li)探测器探测器能谱仪结构示意图能谱仪结构示意图3.2.1 能谱仪的工作原理o被激发的X光子进入Si（Li）固态探测器；o检测器电输出脉冲信号信号放大馈入多道脉冲分析器；输出脉冲高度取决于入射光子能量；o根据样品分析点所发射的X射线谱线的能量组成，进行元素的定性或定量分析。3.2.2 Si(Li)能谱仪的优点：能谱仪的优点：o(1)分析速度快 可以同时接受和检测所有不同能量的X射线光子信号，故可
16、在几分钟内分析和确定样品中含有的所有元素，带铍窗口的探测器可探测的元素范围为11Na92U。o(2)灵敏度高,X射线收集立体角大。o(3)谱线重复性好。3.2.3 3.2.3 能谱仪的缺点：能谱仪的缺点：o(1)能量分辨率低，峰背比低。o(2)工作条件要求严格。Si(Li)探头必须始终保持在液氦冷却的低温状态3.2.4 能谱图能谱图3.3 波谱仪和能谱仪的比较 操作特性 波谱仪（WDS）能谱仪（EDS）分析方式 用几块分光晶体顺序进行分析 用Si(Li)进行多元素同时分析分析元素范围 Z4Z11 (铍窗)Z6 (无窗)分辨率 与分光晶体有关，5 eV 与能量有关，145150 eV(5.9 k
17、eV)几何收集效率 改变，0.2%2%波谱仪和能谱仪的比较量子效率 改变，30%100%(2.515 keV)瞬时接收范围 谱仪能分辨的范围 全部有用能量范围最大记数速率 50000 cps(在一条谱线上)与分辨率有关，使在全谱范围内得到最佳分辨时，10%，Z10)15%5%波谱仪和能谱仪的比较对表面要求 平整，光滑 较粗糙表面也适用典型数据收集时间 10 min 23 min 谱失真 少 主要包括：逃逸峰、峰重叠、脉冲堆积、电子束散射、铍窗吸收效应等最小束斑直径 200 nm 5 nm 探测极限 0.010.1%0.10.5%对试样损伤 大小四、电子探针仪的分析方法及应用o将电子束（探针）固
18、定在试样感兴趣的点上，进行定性或定量分析。该方法准确度高，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分析。对低含量元素定量的试样，只能用点分析。4.1 电子探针仪的分析方法o电子探针分析有四种基本分析方法：定点定性分析、线扫描分析、面扫描分析和定点定量分析。o准确的分析对实验条件有两大方面的要求。o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；o二是对工作条件有一定的要求：如加速电压，计数率和计数时间，X射线出射角等。4.2 试样制备 o在真空和电子束轰击下稳定 o试样分析面平，垂直于入射电子束 o试样尺寸大于X射线扩展范围 o
19、有良好的导电和导热性能 o均质、无污染 o试样表面必须抛光，在100倍反光显微镜下观察时，能比较容易地找到50m50m无凹坑或划痕的定量分析区域。因为X射线是以一定角度从试样表面射出，如果试样表面凸凹不平，就可能使出射X射线受到不规则的吸收，降低X射线测量强度。试样表面台阶会引起附加吸收。4.2 试样制备 o非金属材料的电导和热导都较差，在入射电子的轰击下将产生电荷积累，造成电子束不稳定、图像模糊、经常放电，使分析和图像观察无法进行。o试样导热性差会造成电子束轰击点的温度显著升高，往往使试样中某些低熔点组份挥发而影响定量分析准确度。4.2 试样制备 o成分定性、定量分析，必须蒸镀碳导电膜。碳为
20、超轻元素，对所分析元素的X射线吸收小，对定量分析结果影响小；不会产生元素的峰干扰(如AuZr）。o蒸镀碳膜用真空镀膜仪。镀膜要均匀，厚度控制在20nm左右，为保证试样与标样镀膜厚度相同，标样和试样应该同时蒸镀。4.2 试样制备 4.3 定量分析o在稳定的电子束照射下，由谱仪得到的X射线谱在扣除了背景计数率之后，各元素的同类特征谱线的强度值应与它们的浓度相对应。4.4 能谱定性分析o一般来说，对于试样中的主要元素（例如含量10）的鉴别是容易做到正确可靠的；但对于试样中次要元素（例如含量在0.5-10）或微量元素（例如含量0.5）的鉴别则必须注意谱的干扰、失真、谱线的多重性等问题，否则会产生错误。
21、(1)定点定性分析o定点定性分析是对试样某一选定点（区域）进行定性成分分析，以确定该点区域内存在的元素。即将电子探针固定在样品感兴趣的点上，进行定性或定量分析。o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。(2)线扫描分折o使聚焦电子束在试样观察区内沿一选定直线进行慢扫描，X射线谱仪处于探测某一元素特征X射线状态，得到反映该元素含量变化的特征X射线强度沿试样扫描线的分布。(2)线扫描分折 o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)线扫描分折o线扫描分
22、析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。o在有关扩散现象的研究中，电子探针比剥层化学分析、放射性示踪原子等方法更方便。在垂直于扩散界面的方向上进行线扫描，可以很快显示浓度与扩散距离的关系曲线，若以微米级逐点分析，即可相当精确地测定扩散系数和激活能。(2)线扫描分折o线扫描中线高度代表元素含量，同种元素在相同条件下可以定性比较含量变化。o因为不同元素产生的X射线产额不同，所以元素之间的峰高不代表元素含量的高低。o线扫描越过相界或扩散层(例如纤维表面）时的线上升或者下降斜率较小时，不能确定是元素成分的变化，可能是时间常数引起的斜率变化。o即使元素含量没有变化，沿扫描线的元素分布通
23、常也不是一条直线，这是由于X射线计数统计涨落引起的。(2)线扫描分折o低含量元素的线扫描可靠性差。试样不平、气孔、腐蚀试样的晶界均会产生元素线分布假象。用电子束扫描方式进行元素的线扫描和面扫描时，WDS分析必须在500倍下进行，否则试样上产生的X射线源会部分偏离聚焦圆，使X射线强度分布产生假象。用EDS分析，放大倍率可以降低。用试样台移动进行线、面扫描时，没有放大倍率限制 (2)线扫描分折基本功能线扫描：各元素在选定直线上的成分分布(3)面扫描分析o聚焦电子束在试样上作二维光栅扫描，X射线谱仪处于能探测某一元素特征X射线状态，得到由许多亮点组成的图像，称为X射线扫描像或元素面分布图像。o若试样
24、上某区域该元素含量多，荧光屏图像上相应区域的亮点就密集。根据图像上亮点的疏密和分布，可确定该元素在试样中分布情况。(3)面扫描分析o在一幅在一幅X X射线扫描像中，射线扫描像中，亮区代表元素含亮区代表元素含量高，灰区代表元素含量较低，黑色区域量高，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。代表元素含量很低或不存在。(3)面扫描分析基本功能点线面平均成分分析NbC析出 (3)面扫描分析MnS析出 (3)面扫描分析基本功能面扫描：各元素在所观察视场上的成分分布 (3)面扫描分析 (3)面扫描分析点、线、面分析方法用途不同，检测灵敏度也不同，定点分析灵敏度最高，面扫描分析灵敏度最低,但
25、观察元素分布最直观。要根据试样特点及分析目的合理选择分析方法。4.5电子探针仪的应用o(1)(1)组分不均匀合金试样的微区成分分析组分不均匀合金试样的微区成分分析o(2)(2)扩散对试样中成分梯度的测定扩散对试样中成分梯度的测定o(3)(3)相图低温等温截面的测定相图低温等温截面的测定o(4)(4)金属半导体界面反应产物金属半导体界面反应产物(1)组分不均匀合金试样的微区成分分析o利用背散射电子的原子序数衬度可以区别平均原子序数不同的区域，但不能对具体的元素及其含量进行分析。o利用X射线光谱仪或能谱仪可以对微区成分进行定量分析，在钢铁等复相材料中相的鉴定和夹杂物分析中，在铸造合金的成分偏析的分
26、析中得到了广泛的应用。(1)组分不均匀合金试样的微区成分分析o在厚试样中，由于电子散射范围较大，微区成分的空间分辨率约1 m3，在薄试样中空间分辨率可达(10 nm)3。微区成分分析o(2)扩散对试样中成分梯度的测定o不同成分的二种材料紧密接触并加热后形成扩散对，扩散对试样中的成分梯度可以沿扩散方向每隔几个m进行测定，和扩散方程的结果进行对照后还可进一步测定扩散系数。(3)相图低温等温截面的测定o合金的低温等温截面由于扩散缓慢试样成分不均匀很难测定。但是这种成分不均匀是宏观范围内的不均匀，在接触的两相界面两侧微观范围内(1m量级)成分还是均匀的，并且达到了平衡状态。利用薄试样微区成分分析方法可以测定相互接触的两相的平衡成分，从而测定低温等温截面。试样中的成分o(4)金属半导体界面反应产物o半导体(硅、砷化钾等)上通常沉积金属薄膜(厚度约几百nm)并经热处理后形成欧姆接触或肖特基接触。热处理过程中，在界面上常形成界面反应产生的化合物，利用薄的截面试样可以测定这些厚度小于100 nm的化合物的成分、结构以及界面平整度等。化合物的成分化合物的成分o
