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1、,电子显微分析,1,上周课总结： TEM典型图片,2,3,透射电镜成像系统的两种基本操作 (a)将衍射谱投影到荧光屏 (b)将显微像投影到荧光屏,4,单晶衍射图,5,6,7,SEM,8,9,微束分析,微束分析(Microbeam Analysis) ： 利用一束细电子束、离子束、光束或粒子束作用 于试样产生的各种信息,进行成分、形貌、结构 及其他物理和化学特性的分析。 束斑大小：微米纳米。 主要功能：成分分析；结构分析；图像分析。 主要指标：束班大小、分辨率、空间分辨率、 灵敏度、准确度等。 定量分析：微束分析是物理方法，由于物理过程的复杂性，成分定量基本都用标样比较法并进行修正计算。,典型微
2、束分析仪器,1. 电子束: 电子探针(EPMA)；扫描电镜 (SEM)； 分析电镜(AEM)；俄歇电子谱(AES)；电子能量损失 谱(EELS)。 2. 离子微束: 离子探针(IMMA)；二次离子质谱(SIMS). 3. 光子束: 显微激光光谱(LMCES),光电子谱(ESCA, XPS). 4. 粒子束: 质子探针(PIXA),EPMA、SEM概述,电子探针英文缩写为EPMA或EMA (Electron probe X-ray microanalyser)。 扫描电子显微境英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）。 这两种仪器是分别发展起来的，但现在EPM
3、A都具有SEM的图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer），或者EDX（Energy Dispersive X-ray Spectrometer）与SEM组合时，可以进行综合分析。,EPMA、SEM区别,EPMA：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，出射角大、有OM，电流大，有较成熟的 定量方法，所以定量结果准确度高。 真空腔体大，成分分析束流大，所以电子光路、 光阑等易污染，图像质量下降速度快，EPMA
4、二 次电子像分辨率约为5nm。 SEM：形貌观察，成分分析。图像分辨率高 FESEM:1纳米， W灯丝：3纳米 EPMA比SEM价格贵23倍。,发展历史,1913年：MOSELY定律 定性分析的基础是Moseley关系式: K(Z) （ C/ ） 式中为元素的特征X射线频率，Z为原子序 数，K与均为常数，C为光速。 1949年：Castaing博士用TEM改装成 电子探针 1956年：法国CAMECA公司制成商品 1960年：扫描型电子探针问世 1965年：SEM问世,发展历史,70年代后：EPMA与SEM、EDS组合，并用计算 机控制 分析过程和进行数据处理。 80年代：我国进口组合仪：JC
5、XA-733，EPM- 810Q，EPMA8705QH2 。EDS发展迅速。 90年代:EPMA谱仪、试样台移动用滚动代替滑动，编码定位，鼠标控制分析部位。模拟图像发展到数字图像，可进行图像分析及图像处理，照片打印。日本电子公司的JXA8800、JXA8100电子探针，日本岛津公司的EPMA1600电子探针等，均属于这类仪器。新型号的EPMA和SEM的控制面板，已经没有眼花缭乱的各种调节旋钮，完全由屏幕显示，用鼠标进行调节和控制。,今后发展,向更自动化、操作更方便、更容易、更微区、更微量、功能更多的方向发展。定量结果的准确度会得到提高，特别是对超轻元素(Z10) 的定量分析方法将会逐步完善。近
6、年来已经有人对X射线产生的深度分布函数(Z) 进行了深入研究，并作了一些修正，在(Z)表达式中引进了新的参数，使(Z)函数更接近于实际的深度分布，这种称为PRZ的定量修正方法已经取得了较好的结果。对超轻元素，已经有人提出了新的修正函数及新的质量吸收系数，近来英国牛津公司的INCA Energy能谱仪采用XPP定量分析程序，提高了分析结果的准确度。,EPMA、SEM发展现状,SEM商品65年问世,分辨率约为25nm ,现在分辨率1nm3nm.日本2000年统计,SEM生产1600台/年.世界SEM厂家近十家。国内96年约1200台 EPMA1960年问世。我国从六十年代初开始陆续引进， 70年代
7、开始进口EPMA和SEM组合仪，现有100多台，日本超过1500台。世界上生产EPMA的厂家主要有三家：日本电子公司、日本岛津公司和法国的CAMECA公司。 1977我国曾试制过EPMA；现只生产SEM。,EPMA分析特点,微区（1 m 5 m） 、显微结构分析 元素分析范围广 ：硼(B)铀(） 定量准确度高 检测极限: WDS:0.01%左右; EDS:0.1%左右 不损坏试样、分析速度快 微区离子迁移动力学研究,显微结构,在显微镜(OM、SEM、TEM等)下观察到的结构称显微结构。EPMA是显微结构分析的主要仪器之一。 显微结构记录了材料工艺全过程；是性能表征及材料评价的依据； 显微结构所
8、研究的内容十分广泛，包括相组成、相分布、晶粒大小和形态、杂质及缺陷的特征与分布、晶界与相界、断裂特征及断裂方式等。,扫描电子显微镜,SEM商品是1965年问世，当时分辨率约为25nm。我国1973年开始研制，现已生产出多种型号的SEM。国产机的分辨率和可靠性等方面与进口机器相比，还有一定的差距，现在SEM主要靠进口。据国际标准化组织微束分析技术委员会(ISO/TC 202)2000年调查表明，日本每年生产SEM约1600台，国内各种SEM超过1200台。近两年国内买JEOL低真SEM 84台。,SEM的主要特点,一. 放大倍率高: 可从几十倍放大到几十万倍，连续可调。放大 倍率不是越高越好，要
9、根据有效放大倍率和分 析试样的需要进行选择。如果放大倍率为M， 人眼分辨率约为0.2mm，仪器分辨率为5nm， 则有效放大率M0.2106nm5nm=40000（倍） 如果选择高于40000倍的放大倍率，不会增加图 像细节，只是虚放大。放大倍率是由分辨率制 约，不能盲目看仪器放大倍率指标。,二. 分辨率高,分辨率是指能分辨的两点之间的最小距离。分辨率d可以用贝克公式表示：d=0.61/nsin ，为透镜孔径半角，为照明试样的光波长，n为透镜与试样间介质折射率。 举例： 对光学显微镜 7075，n=1.4。 nsin1.4，而可见光波长：400nm-700nm ，所以光学显微镜分辨率 d0.5
10、，显然 d 200nm。,正确认识分辨率,仪器的分辨率指标不是日常工作能实现的，只是仪器验收指标。拍摄分辨率照片是用碳镀金的特殊试样，拍照时规定一些特殊条件，如放大倍率、电子束电流、加速电压、工作距离等。有时要晚上没有任何振动和干扰情况下进行多次拍照，寻找最好的图像测量分辨率。日常工作无法满足上述的特殊要求。,三. 电子束波长可调,要提高分辨率可以减小照明波长来实现。 SEM是用电子束照射试样，电子束是具有波粒二相性，12.26/V0.5，如果V20kV时，则0.0085nm。目前用W灯丝的SEM，分辨率已达到3nm-6nm, 场发射源SEM分辨率可达到1nm 。,四. 景深大,景深大的图像立
11、体感强，对粗糙不平的 断口试样观察需要大景深。SEM的景深 f可以用如下公式表示： f = 式中D为工作距离，为物镜光阑孔径， M为 放大倍率，d为电子束直径。可以 看出，长工作距离、小物镜光阑、低放 大倍率能得到大景深图像。,景深比较,一般情况下，SEM景深比TEM大10倍，比光学显微镜（OM）大100倍。 10000倍时, TEM 的f1m， SEM的f10m； 100倍时， OM的 f10m， SEM的 f=1000m。,五. 保真度,试样通常不需要作任何处理即可以直接进行形貌观察，所以不会由于制样原因而产生假象。这对断口的失效分析及贵重试样的分析特别重要。,六. 试样制备简单,试样可以
12、是自然面、断口、块状、粉体、 反光及透光光片，对不导电的试样只需 蒸镀一层10nm左右的导电膜。 另外，现在许多SEM具有图像处理和图像分析功能。有的SEM加入附件后，能进行加热、冷却、拉伸及弯曲等动态过程的观察。,仪器构造,SEM的构造与EPMA基本相同，但SEM一般都没有WDS，成分分析主要用EDS。主要组成部分：电子光学系统、试样室、计算机、扫描显示系统、真空系统、探测器（EDS,SE,BSE)等。 高分辨率图像要小电子束直径，小束流（1091012A）。SEM的电子枪有不同的结构：钨灯丝（W）、LaB6及场发射电子源。不同电子枪分辨率不同。,扫描电镜的成像原理,SEM主要用SEI观察形
13、貌。成像过程：首先由电子枪发射电子，在加速电压的作用下，通过会聚透镜、物镜、物镜光栏后，形成直径约几nm的电子束。当电子通过扫描线圈在试样表面扫描时,另一个扫描线圈同步扫描观察图像的CRT，用SEI探测器收集试样每点的二次电子信号，去同步调制CRT对应点的亮度。故CRT观察的图像与试样扫描部位逐点对应。,31,扫描电镜成像原理中的几个名词解释,32,33,CRT是一种使用阴极射线管 (Cathode Ray Tube)的显示器,扫描线圈 其作用是提供入射电子束在样品表面上以及阴极射线管内电子束在荧光屏上的同步扫描信号。改变入射电子束在样品表面扫描振幅，以获得所需放大倍率的扫描像。扫描线圈试扫描
14、点晶的一个重要组件，它一般放在最后二透镜之间，也有的放在末级透镜的空间内。,34,二次电子是指被入射电子轰击出来的核外电子。由于原子核和外层价电子间的结合能很小，当原子的核外电子从入射电子获得了大于相应的结合能的能量后，可脱离原子成为自由电子。如果这种散射过程发生在比较接近样品表层处，那些能量大于材料逸出功的自由电子可从样品表面逸出，变成真空中的自由电子，即二次电子。 二次电子来自表面5-10nm的区域，能量为0-50eV。 它对试样表面状态非常敏感，能有效地显示试样表面的微观形貌。由于它发自试样表层，入射电子还没有被多次反射，因此产生二次电子的面积与入射电子的照射面积没有多大区别，所以二次电
15、子的分辨率较高，一般可达到5-10nm。扫描电镜的分辨率一般就是二次电子分辨率。,35,扫描电镜分析原理,SE发射强度与入射角的关系,SE的发射量与试样表面的几何状态有关，入射电子束与试样表面法线的夹角越大，二次电子的发射强度越高：IK/cos,二次电子能量低，从试样表面逸出的深度为5nm10nm。如果产生二次电子的深度为x，逸出表面的最短距离则为x cos（图c），显然，大角会有更多的二次电子逸出表面。观察比较平坦的试样表面时，如果倾斜一定的角度，会得到更好的二次电子图像衬度。,SE的产额（SE电流Is与入射电子电流I之比）还与入射电子束的能量有关，即和加速电压有关。不同加速电压和不同入射角
16、的二次电子产额不同。当能量等于某电压（V1或V2）时，SE产额等于1，即入射电子电流Ip等于发射的二次电子电流Is。能量在V1和V2之间，二次电子产额大于1。如果加速电压在V1和V2之间观察不导电试样，也不会产生试样放电现象。,入射电子能量与SE产额的关系,SE产额与加速电压的关系,入射电子的能量增加，激发试样中原子产生的SE概率也增加。然而，当入射电子能量超过一定值时，电子在试样中穿透的深度增加，深层电子要逸出试样表面需要较高能量。由于SE能量小于50eV，大于10nm的深度内产生的二次电子不能逸出试样表面，所以SE产额反而减少。,V1和V2的大小与试样中元素组成及电子束入射角有关，V1约为
17、0.4keV0.8 keV，V2约为1 keV4 keV。各元素的二次电子产额与入射电子能量关系曲线形状基本相同,典型元素入射电子能量与SE产额的关系,高加速电压下SE产额低,背散射电子特点,背散射电子是指入射电子与试样相互作用(弹性和非弹性散射)之后，再次逸出试样表面的高能电子，其能量接近于入射电子能量( E。)。背散射电子的产额随试样的原子序数增大而增加，IZ2/3-3/4。所以，背散射电子信号的强度与试样的化学组成有关，即与组成试样的各元素平均原子序数 有关。 分辨率不如SEI,背散射电子与二次电子的差别,BE、SE的信号强度与Z的关系,背散射电子成分像的主要用途：,1、观察单晶表面生长
18、条纹和生长台阶。 2、观察不腐蚀样品的抛光面元素及相分 布,确定定性和定量分析点。 3、析出相的观察与分析。 4、导电性差的试样形貌观察：BEI优于 SEI。,生长台阶的BEI和SEI,背散射电子的强度还与试样中的晶面取向及入射电子的入射方向有关。利用这种特性可以观察单晶和大晶体颗粒的生长台阶和生长条纹。生长台阶和生长条纹的高差一般都很小，但背射电子像已有明显衬度。例如单晶Al2O3生长台阶的背散射电子像表面清楚。 如果用二次电子像观察这类易产生污染的材料，不但台阶衬度小，而且图像出现许多黑色污染斑。,生长台阶的BEI,Al2O3,Al2O3生长台阶SEI及污斑,ZrO2背散射电子成分像,Al
19、 X射线像 Mg X射线像,场发射SEM及低真空SEM,场发射扫描电镜的分辨率已达到1nm，日常使用的放大倍率可超过100，000倍。 低真空扫描电镜和环境扫描电镜也逐渐扩大了应用。由于半导体工业的发展及纳米材料研究的兴起，场发射扫描电镜的用户也在增加。JEOL1999年底推出的JSM6700F场发射扫描电镜，据说第一年就卖出150多台，国内已有6台。现在国内有JEOL的场发射扫描电镜16台。,JSM7500F场发射扫描电镜,四川大学分析测试中心 FESEM,55,仪器使用范围: 广泛应用于复合材料、陶瓷材料、金属材料、高分子材料、生物材料、电子材料、薄膜材料等微观形貌分析及其成份分析。是研究
20、各种材料的超显微结构与性能关系所不可缺少的工具。,56,仪器功能和附件: 该电镜是一款超高分辨率的场发射扫描电镜，设备完全数字化，多用户界面、控制板面、各个功能模式切换灵活。本中心为该仪器配备了可抽拉式背散射电子探头、EDS等附件，可以获得二次电子像、背散射电子像以及两者的混合像，能够结合形貌像进行点、线、面的微区能谱分析。本中心的扫描电子显微镜实验室还配备了相关的制样设备，如英国Quorum离子溅射仪、临界点干燥仪等，可以对不导电样品进行喷金、喷碳处理，对含水样品（如生物样品）进行干燥处理。该仪器可用于微观形貌分析,包含表面形貌分析，断口形貌分析，相结构分析，粉末样品粒径分析，镀层厚度分析，
21、剖析样品分析等。,场发射扫描电镜,当金属、氧化物、硼化物等加热到高温时，能发射热电子。另外，当金属、氧化物、硼化物有细的尖端时，尖端表面在强的电场作用下也能发射电子。用强电场使上述材料发射电子的原理，可以制造高亮度的TEM或SEM的电子枪，称场发射电子枪。九十年代SEM开始采用场发射电子枪，称这种SEM为场发射扫描电镜（Field Emission Scanning Electron Microscope: FESEM),冷场发射和热场发射,场发射SEM分冷场发射和热场（肖特基）发射。冷场发射是阴极温度在室温，热场发射阴极要加热到约1500。热场W阴极单晶尖端为取向，表面有一层氧化锆，以降低电
22、子发射的功函数。冷场发射的W单晶是取向，取向的逸出功最小（4.2eV）。,场发射电子枪,FESEM是利用一个W单晶作电子枪发射体，称电子枪阴极，其曲率半径为10nm-100nm左右，在靠近W单晶的尖端用强电场使阴极尖端发射电子。电子的发射量依赖于阴极表面的功函数。当冷场FESEM电子枪的气体分子在阴极表面吸附时，由于功函数的变化，电子发射量逐渐减小。,Flash(冷场）,在强电场作用下，大量电离的气体离子轰击阴极表面使其变得粗糙，最终导致阴极的损坏。为了清洁和光滑粗糙的阴极表面，需要周期性短时间加热阴极表面来实现，该过程称“flash”。计算机程序可以定期自动“flash”。,场发射电子枪的结
23、构,场发射电子枪可以获得高分辨率图像，但需要超高真空度。电子枪的W阴极为负电位，第一阳极也称取出电极，比阴极正几千伏，以吸引电子，第二阳极为零电位，以加速电子并形成约10nm的电子源直径。,FESEM分辨率高的主要原因,电子源（灯丝）亮度高。 电磁透镜的像差(C S，CC)小。 SEM的分辨率，与入射到试样上的电子束直径密切相关，电子束直径越小，分辨率越高。最小的电子束直径D由如下所示： D2C S26+CC22（V/VACC）2+0.4*I/B2 式中C S为球差，CC为色差，V/VACC为电子的能量 扩展，I是电子束电流，B是电子光源亮度，是聚 焦的电子束张角。,球差C S 与色差CC,球
24、差C S: 电子在电磁透镜磁场中，近光轴电子与远光 轴电子受到的折射程度不同而引起。可以通 过透镜设计减小。 色差CC： 由于电子能量不同，经过电磁透镜后焦点 发生变化产生。,强励磁锥形电磁透镜,JEOL公司用强励磁锥形电磁透镜，特别是物镜，可以明显减小像差，提高分辨率。一般情况下，物镜励磁越强，焦距越短，球差C S越小。,W灯丝电子枪,一般SEM用的电子源为W丝，W灯丝发射电子效率较低，要达到实用的电流密度，要用较大的W丝发射面积，一般W灯丝电子源直径（交叉点）为1000nm2000nm，这样大的W灯丝电子源直径，很难提高分辨率。要保证有足够的电流强度，又保证有较小电子束直径，可以采用高亮度
25、电子枪来解决。用LaB6灯丝和场发射电子源能提高电子枪亮度。,LaB6灯丝亮度比W丝提高十倍，而场发射电子枪可提高三个数量级（5001000倍）。由于冷场发射的电子源亮度、灯丝寿命、电子束直径、发射电流密度、能量扩展均优于热场发射，分辨率略高于热场发射SEM。热场发射的SEM优点是发射电流大，工作电流稳定，可以连续工作，一般半导体工厂在线检测都用热场发射SEM。,冷场发射SEM电流稳定度较差(约8h要frash一次)、束流较小，并且束流随时间逐渐减小，如果没有电流补偿，对EDS元素定量分析准确度和长时间采集X射线面分布等信息时，有一定的影响。近来冷场发射SEM性能已经得到改善，已经可以满足ED
26、S定性、定量分析的要求。冷场发射SEM在高校和科研单位应用较多。,FESEM的主要特点,FESEM的主要特点是分辨率高，并可在低加速电压下观察不导电试样，例如陶瓷、生物及有机物等试样。不同工作距离（W.D）、不同加速电压时，分辨率也不同。例如，日本电子公司的JSM6700F冷场发射扫描电镜，在加速电压15kV, 工作距离（W.D）3mm时，二次电子像分辨率为1nm。,SEI分辨率1纳米照片,300000,在1kV低加速电压下，工作距离1.5mm时，二次电子像分辨率为2.2nm。对EDS分析的工作距离(W.D =15mm)，加速电压30 kV时，二次电子像分辨率可达到1.5mm。加速电压15kV
27、, 工作距离8mm时，背散射电子像分辨率为3nm，而目前最好的W丝SEM二次电子像分辨率约为3nm（30kV）。,FESEM的应用,由于纳米材料研究的兴起，以及对材料显微结构研究的深入，FESEM的应用范围越来越广。现在纳米材料（陶瓷、金属及有机物）、纳米粉体、介孔材料、纳米涂层、碳纳米管、薄膜材料、半导体芯片线宽测量等领域已得到了广泛应用。即使一般材料研究，要得到更多显微结构信息的高分辨率照片，也需要场发射SEM。,FESEM真空度要求,FESEM的电子枪真空度要求高（108 Pa）。JSM-6700F场发射SEM有三台离子泵，两台油扩散泵和一台机械泵抽真空。离子泵需连续运转，不能停电，为了
28、防止停电破坏真空度，一般配有不间断电源(UPS)。场发射SEM易受环境振动和杂散磁场干扰的影响。,低真空扫描电镜,低真空SEM（Low Vacuum SEM: LV SEM）真空度通常大于1330Pa。它可以直接观察含水和非导电试样。例如含水矿物，生物材料等。低真空的试样室的残余气体分子，在与入射电子碰撞时，部分电子会被散射掉。例如，当试样室真空度在40Pa66Pa时，约有1020 的电子被散射掉。,环境扫描电镜,电子与气体分子碰撞时，会产生正离子和电子，正离子被试样表面吸引并中和试样表面积累的电荷，电子飞向探测器。试样室真空度大于2660Pa的SEM. 称环境扫描电镜（Environment
29、al SEM: ESEM）, 通常通气体或者喷水来保持低真空度，环境SEM更适合于观察不稳定试样和含水试样。,SEM条件与图像质量的关系,要得到质量好的SEM图像，不但要保证仪器稳定、电子光学系统合轴良好，还要选择合适的工作条件。例如，加速电压、聚光镜励磁电流、物镜光阑孔径、工作距离、及试样倾斜角度等。,扫描电镜操作条件与图像质量关系,高加速电压对图像影响,加速电压升高： 图像包括较深层信息 损失图像表面细节，5kV比25kV表面细节明显清楚。 增加边缘效应 增加放电可能性 可能损伤试样 提高分辨率,观察条件,聚光镜励磁电流强，电子束直径小，图像分辨率高，但信噪比低，不利于图像清晰和平滑，要选
30、择适当的励磁电流； 物镜光阑孔径小，束流小，分辨率高，景深大，信噪比小，在低倍率下观察粗糙表面时，可选用小物镜光阑，对衬度低的试样用大物镜光阑可以增强信噪比；,短工作距离能获得高分辨率，但景深变小，拍摄高分辨率图像要用短工作距离； 试样倾斜角大，图像信号强，有立体感，可以减少导电性差的试样表面放电现象。 总之，要得到高质量的图像，需综合各种因素选择合适的工作条件，放大倍率要根据试样情况选择，不能片面追求高放大倍率。,污染,电子束长时间照射某一区域时，照射区域会发黑，称表面污染。由残余气体分解产生。气体是仪器本身残余气体、油蒸汽；试样交换时带入；试样表面污染、放气；导电胶或者导电胶带放出；电子束
31、照射嵌镶试样的环氧树脂产生分解物。,黑色污染区,图像对比度 、 亮度,X射线谱仪,X射线谱仪的性能，直接影响到元素分析的灵敏度和分辨本领，它的作用是测量电子与试样相互作用产生的X射线波长和强度。谱仪分为二类:一类是波谱仪(WDS)，一类是能谱仪(EDS)。,85,X射线能谱仪（EDS),EDS生产厂,英国牛津公司 美国NORAN公司 美国PGT EDAX 日本电子公司 美国KEVEX,EDS生产厂家,分析的基本原理,SEM是用聚焦得很细的电子束照射被检测的试样表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与试样相互作用所产生的特征X射线的波长与强度， 从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用
32、二次电子或背散射电子等进行形貌观察。它们是现代固体材料微区成份、 形貌和结构分析的最有用仪器之一，应用十分广泛。,特征X射线产生,高能电子入射到试样时，试样中元素的原子内壳层(如K、L壳层)电子将被激发到较高能量的外壳层，如L或M层，或直接将内壳层电子激发到原子外，使该原子系统的能量升高激发态，原子较外层电子将迅速跃迁到有空位的内壳层，以填补空位降低原子系统的总能量，并以特征X射线或Auger电子的方式释放出多余的能量。如果原子的K层电子被激发，L3层电子向K层跃迁，所产生的特征X射线称K1，M层电子向K层跃迁产生的X射线称K。,特征X射线能级图,X射线产生原理,2n2,元素与特征X射线波长关
33、系,电子探针和扫描电镜用WDS或EDS的定性和定量分析时，就是利用电子束轰击试样所产生的特征X射线。每一个元素都有一个特征X射线波长与之对应： K(Z)。电子束加速电压V0（23）Ve时，产生的特征X射线强度最高，根据所分析的元素不同，V0通常用10 kV30kV。特征X射线名称对应于不同壳层电子的跃迁。,定性分析的基本原理,用波谱或能谱，测量入射电子与试样相互作用产生的特征X射线波长与强度，从而对试样中元素进行定性、定量分析。 定性分析的基础是Moseley关系式: K(Z) （ C/ ） 式中为元素的特征X射线频率，Z为原子序 数，K与均为常数，C为光速。,组成试样的元素(对应的原子序数Z
34、)与它产生的特征 X射线波长()有单值关系，即每一种元素都有一个 特定波长的特征X射线与之相对应， 它不随入射电 子的能量而变化。如果用X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。,当1时，与Z的关系式可写成:,（),EDS定性分析原理,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。EDS定性速度快，但由于它分辨率低，不同元素的特征X射线谱峰往往相互重叠，必须正确判断才能获得正确的结果，分析过程中如果谱峰相互重叠严重，可以用
35、WDS和EDS联合分析，这样往往可以得到满意的结果。,定量分析的基本原理,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:,CA K,96,实践中的定性和定量分析,曲线纵坐标是脉冲数，即入射X射线光子数，与所分析元素含量有关，横坐标为脉冲高度，与元素种类有关，这样就可以测出X射线光子的能量和强度，从而得出所分析元素的种类和含量，这种谱仪称能谱仪(EDS，EDX)。,EDS的发展,EDS 7
36、0年代问世以来，发展速度很快，现在分辨率已达到130eV左右 ，理论分辨率约100eV。Be窗口分析元素范围为11Na92U，现在用有机膜超薄窗口，分析元素可从4Be92U。元素定性、定量分析软件也有很大改善，中等原子序数的元素定量准确度已接近波谱仪。图像处理和图像分析功能发展很快。硬件可靠，探测器的性能也有提高，用时加液氮。探测器有电制冷方法。,能谱的优点,能谱优点： 1.同时测量所有元素，而波谱要一个一个 元素测量，所以分析速度远比波谱快。 2.能谱探头紧靠试样，使X射线收集效率 提高，这有利于试样表面光洁度不好及 粉体试样的元素定性、定量分析。 3.能谱所需探针电流小，对电子束照射后 易损伤的试样，例如生物试样、快离子 导体试样等损伤小。,EDS缺点,能谱缺点： 分辨率差 P/B小 (特征X射线的强度与背底强度之比称为峰背比P/B ，在进行高精度分析时，希望峰背比P/B高) 谱峰重叠严重 定量分析结果一般不如波谱 液氮冷却,能谱和波谱性能比较,比较内容 WDS EDS 元素分析范围 4Be92U 4Be92U 定量分析速度 慢 快 分辨率高 （5eV） 低 检测极限 10-2 (%) 10-1 (%) 定量分析准确度 高 低 X射线收集效率 低 高 P/B（WDS/EDS）10 1,