材料分析方法-18電子探針

電子探針ElectronProbeMicroscopeAnalysis(EPMA)概述表面形貌—SEM（SEI、BEI）微小區(qū)域的成分、第二相粒子……？？？材料微觀組織檢測方法：OM、XRD，TEM，SEM，……入射電子與樣品作用產(chǎn)生各種物理信號（Auger、SE、BE、AE、特征X-ray……）特征X-射線(?E=h/)特定的能量特定的波長成分分析（原子序數(shù)Z）特征X射線連續(xù)X射線通過檢測聚焦電子束激發(fā)樣品表面所產(chǎn)生的特征X射線，來進行成分分析的儀器（方法）。電子探針？E電子探針原理：檢測特征X-射線的能量和波長功能：微區(qū)成分分析儀器設(shè)備：X-射線能譜儀（檢測能量）

X-射線波譜儀（檢測波長）*上述設(shè)備作為SEM的附件而聯(lián)合使用，一般不單獨使用。X-射線顯微分析電子探針能譜儀波譜儀電子探針EBSD探頭樣品SE和BE探頭能譜探頭電子探針的特點★一般的化學(xué)分析方法僅能得到分析試樣的平均成分，而在SEM上卻可實現(xiàn)與微區(qū)形貌相對應(yīng)的微區(qū)分析，因而是材料組織和元素分布狀態(tài)的極為有用的分析方法?！飹呙桦婄R上加裝X-射線能譜儀組成的分析系統(tǒng)—能譜儀，同時進行材料表面形貌和成分分析。適合于任何樣品。★掃描電鏡上加裝波譜儀組成一套分析系統(tǒng)，簡稱電子探針儀。也可進行形貌和成分同時分析。它要求試樣表面必須是光滑的。第一節(jié)X-射線能譜分析利用特征X射線能量不同來展譜而進行成分分析的儀器(EnergyDisperseSpectrum,EDS)。全稱—能量色散X射線譜儀，簡稱能譜儀。各種元素均具有自己的特征X-射線波長，特征波長的大小取決于能級躍遷過程中釋放的特征能量。能譜儀就是利用不同元素特征X-射線能量的不同這一特點來進行成分分析的。SEM+EDXsystem入射電子束液氮場致效應(yīng)晶體管偏壓電源PN脈沖信號處理單元多通道脈沖高度分析器數(shù)據(jù)處理及顯示單元1.1能譜儀的主要組成部分Si（Li）半導(dǎo)體特征X射線Si原子被電離形成“電子-空穴”對偏壓~1000V收集“電子-空穴”對前置放大器轉(zhuǎn)換成脈沖電流主放大器轉(zhuǎn)換成脈沖電壓脈沖高度分析器將能量進行分類按能量大小展譜1.2能譜儀工作原理1.3能譜儀核心部件——能譜探頭能譜探頭外觀及內(nèi)部結(jié)構(gòu)能譜儀外觀特征EDAX能譜儀JEO能譜儀電制冷探測器(探測晶體采用Si漂移技術(shù)處理)能譜探頭的安放位置——45o能譜探頭1、分析元素范圍能譜儀分析的元素范圍為：有Be窗口的范圍為11Na～92U。無窗或超薄窗口的為4Be～92U。2、分辨率能譜儀的分辨率是指分開或識別相鄰兩個譜峰的能力。目前能譜儀的分辨率可達~130eV左右。3、探測極限能譜儀能測出的元素最小百分濃度稱為探測極限，與分析的元素種類、樣品的成分等有關(guān)。能譜儀的探測極限一般約為0.1~0.5%。1.4能譜儀的主要性能指標(biāo)能量E/keV強度計數(shù)率（CPS）1、探測X光子的效率高，靈敏度高。

探頭安放位置接近樣品，直接接收X-光子，且接收角度大。2、分析速度快。

能譜儀可在同一時間對分析點內(nèi)的所有元素X光子的能量進行測定和計數(shù)，在幾秒種內(nèi)即可得到定性結(jié)果。3、結(jié)構(gòu)簡單，無機械傳動部件（穩(wěn)定性和重復(fù)性較高）。4、對樣品無特殊要求，適合粗糙表面（不需要聚焦）。5、分辨率較低（130eV）。6、分析輕元素受限。7、液氮冷卻

（受探頭材料限制）。1.5能譜儀特點缺點或不足利用特征X射線波長不同展譜而進行成分分析的儀器(WaveDisperseSpectrum,WDS)波長分散譜儀—波譜儀

第二節(jié)X射線波譜分析各種元素均具有自己的特征X-射線波長。能譜儀就是利用不同元素特征X-射線波長的不同這一特點，來進行成分分析的。2.1波譜儀的主要組成部分分光晶體、探針器、前置放大器、脈沖信號處理單元、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、多道分析器、微型計算機及顯示記錄系統(tǒng)組成，是一套較為復(fù)雜的電子儀器。EBSD探頭波譜儀2.2波譜儀工作原理

入射電子激發(fā)樣品產(chǎn)生特征X-射線；

各種波長的特征X-射線在分光晶體上發(fā)生強烈衍射（滿足布拉格方程）

2dsin=

在衍射方向上安置探測器D，得到不同波長的X射線。探測器D1212dhkl分光晶體入射電子束各種波長X射線波譜儀工作原理示意圖分光晶體形狀及聚焦圓dhklSDODdhklSO單波長單波長約翰遜（Johansson）聚焦法全譜分析對分光晶體要求*晶體展譜遵循布拉格方程：2dsin=

因sin

<1，所用分光晶體的面間距d>/2;*這意味著，對于不同的特征X-射線，需要與其波長相當(dāng)?shù)姆止饩w。*對于波長0.05~10nm的特征X-射線，需要的分光晶體的面間距為0.01~5nm的分光晶體。*因此，波譜儀一般具有若干個可換的分光晶體，一般為4~8塊。直進式波譜儀工作原理O1D1D2D3O2O31C1C2C323L1L2L3直進式波譜儀特點（1）分光晶體沿直線運動，這樣特征X-射線照射分光晶體的方向固定，即出射角恒定，可保證入射X射線行程路線一致，吸收條件相同。（2）分光晶體距離入射源的距離L=2Rsin，L可測量獲得，進而求得，依據(jù)布拉格方程2dsin=獲得所對應(yīng)的波長。進而進行成分分析。直進式波譜儀外觀形貌直進式波譜儀內(nèi)部結(jié)構(gòu)(視頻)波譜儀中的分光晶體波譜儀工作示意圖12345任意時刻下，光源—分光晶體—探測器位于同一聚焦圓上回轉(zhuǎn)式波譜儀工作原理*聚焦圓心O固定不動，分光晶體和檢測器在聚焦圓上以1:2角速度運動，以保證滿足布拉格方程。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單；缺點：出射方向改變較大，在樣品表面不平情況下，因X-射線路徑不同，吸收條件改變造成一定的誤差。D1D2O電子束C1C2212212回轉(zhuǎn)式波譜儀特點測試結(jié)果表達波長強度（計數(shù)率），CPSSKaMnKaFeKaCoKaFeK1、分析元素范圍

波譜儀分析的元素范圍為：4Be～92U

2、分辨率

波譜儀的分辨率較能譜儀要高，可達5~10eV

3、探測極限波譜儀的探測極限約為0.1~0.5wt%2.3波譜儀的主要性能指標(biāo)1、探測X光子的效率較低

需要經(jīng)分光晶體衍射2、分析速度慢

需逐個測量每種元素的特征波長3、結(jié)構(gòu)復(fù)雜有機械傳動部件4、要求平面樣品5、分辨率高（5~10eV）6、可分析輕元素7、無需液氮冷卻

2.4波譜儀（WDS）特點優(yōu)點電子探針（波譜儀和能譜儀）分析四種分析方法：

定點分析

線掃描分析

面掃描分析

定點定量分析

第三節(jié)電子探針分析方法及應(yīng)用1、定點分析（定量）定點定性分析是對試樣某一選定點（區(qū)域）進行定性成分分析，以確定該點區(qū)域內(nèi)存在的元素。其原理如下：用聚焦電子束照射在需要分析的點上，激發(fā)試樣元素的特征X射線。用譜儀探測并顯示X射線譜，根據(jù)譜線峰值位置的波長或能量確定分析點區(qū)域的試樣中存在的元素。Spectrum:AcquisitionEl

ANSeries

unn.Cnorm.CAtom.CError

[wt.%][wt.%][at.%][%]------------------------------------Mg12

K-series14.0214.7023.49

0.8Al

13

K-series21.0522.0731.781.0Mn25

K-series60.3063.23

44.721.7-------------------------------------Total:95.37100.00100.00鑄態(tài)AM30(Mg-3Al-0.5Mn)合金中的第二相EDS分析變形態(tài)AM30(Mg-3Al-0.5Mn)合金中的第二相EDS分析鑄態(tài)Mg-Al-Mn-Ca合金的SEM-BEI及EDS分析將譜儀（EDS或WDS）固定在所要測定的某一元素特征X射線信號（能量或波長）位置上，使聚焦電子束在試樣觀察區(qū)內(nèi)沿一指定路徑作直線掃描，探測某元素在該直線上的濃度分布情況。2．線掃描分析AlMg線掃描分析示意圖例：硅酸鹽水泥水化28天的SEM及線掃描結(jié)果（WDS）

線掃描分析適應(yīng)范圍：（1）對于測定元素在材料相界和晶界上的富集與貧化是十分有效的。（2）在有關(guān)擴散現(xiàn)象的研究中，能譜分析比剝層化學(xué)分析、放射性示蹤原子等方法更方便。在垂直于擴散界面的方向上進行線掃描，可以很快顯示濃度與擴散距離的關(guān)系曲線，若以微米級逐點分析，即可相當(dāng)精確地測定擴散系數(shù)和激活性。3、面掃描分析

聚焦電子束在試樣上作二維光柵掃描，將譜儀（能譜儀或波譜儀）接受的信號（能量或波長）固定在某一元素特征X射線的位置上，利用該信號調(diào)制成像，此時熒光屏便是該元素的面分布圖像。情況。線掃描分析示意圖元素Z鑄態(tài)Mg-Al-Zn-Mn合金的成分面分布圖像MgAlMnSiZnBEIX-raymappingresultsbyEPMAinacastMg-Al-Zn-Mnalloy鑄態(tài)Mg-Al-Ca-Mn合金的成分面分布圖像（1）精確強度比：使用已知的標(biāo)樣和待測試樣在完全相同的條件下，測量同一元素的特征X射線強度，如不考慮基體效應(yīng)，則待測試樣和標(biāo)樣的某一元素的濃度比就等于強度比。（2）ZAF校正