第十五章電子探針顯微分析

電子探針是在電子光學和X射線光譜學原理基礎上發(fā)展的一種高效率分析儀器電子探針利用探測器接收樣品的特征X射線信號，進行微區(qū)成分定性與定量分析電子探針整體結構與掃描電鏡基本相同，但加速電壓較高(最高為50kV)，且束流較大，以便獲得足夠的過壓比和信號強度電子探針兼有形貌觀察和成分分析兩種功能，其主要功能是微區(qū)成分分析。檢測X射線的探測器—能譜儀亦可作為附件安裝在透射電鏡上，而使透射電鏡可進行微觀組織、晶體結構和化學成分三位一體原位分析第十五章電子探針顯微分析現(xiàn)在是1頁\一共有31頁\編輯于星期五1第十五章電子探針顯微分析本章主要內(nèi)容第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理第二節(jié)電子探針儀的分析方法及應用現(xiàn)在是2頁\一共有31頁\編輯于星期五2第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理圖15-1為電子探針結構示意圖，其電子光學系統(tǒng)和真空系統(tǒng)與掃描電鏡基本相同電子探針的信號檢測系統(tǒng)是X射線譜儀，檢測X射線波長的譜儀稱波譜儀(WDS)，檢測X射線能量的譜儀稱能譜儀(EDS)圖15-1電子探針的結構示意圖現(xiàn)在是3頁\一共有31頁\編輯于星期五3一、波長分散譜儀(一)工作原理如圖15-2所示，在樣品內(nèi)激發(fā)的X射線，向樣品表面以外的各個方向發(fā)射，而每一方向均有不同波長的X射線在樣品上方放置一塊晶面間距d的晶體，由布拉格定律2dsin

=

可知，在不同的2方向可檢測到不同波長的X射線，從而實現(xiàn)X射線的分散和檢測其檢測原理是利用已知晶面間距的分光晶體檢測未知波長的X射線

但平面分光晶體檢測效率非常低圖15-2平面分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是4頁\一共有31頁\編輯于星期五4二、波長分散譜儀(一)工作原理如圖15-3，若將分光晶體進行彈性彎曲，并將射線源S、分光晶體表面和檢測窗口D位于同一圓周上，可使衍射束聚焦而提高檢測效率，圖中虛線圓稱羅蘭圓或聚焦圓若晶體彎曲半徑為聚焦圓半徑的2倍，稱約翰型聚焦法或半聚焦法；若晶體彎曲半徑與聚焦圓半徑相等，稱約翰遜型聚焦法或全聚焦法

目前，新型的波譜儀多采用全聚焦法圖15-3彈性彎曲的分光晶體a)約翰型聚焦法b)約翰遜型聚焦法第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是5頁\一共有31頁\編輯于星期五5二、波長分散譜儀(一)工作原理直進式波譜儀，分光晶體沿直線移動，工作原理如圖15-4所示。晶體位置L、聚焦圓半徑R滿足，L=2Rsin，由已知

L和R求出，再利用布拉格方程計算特征X射線波長直進式波譜儀優(yōu)點是，檢測不同波長的X射線時，可保持出射角不變，有利于定量分析時的吸收修正直進式波譜儀缺點是結構較復雜，且

占據(jù)較大空間第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理圖15-4直進式波譜儀現(xiàn)在是6頁\一共有31頁\編輯于星期五6探測器試樣入射束分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

現(xiàn)在是7頁\一共有31頁\編輯于星期五7探測器分光晶體試樣入射束第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

現(xiàn)在是8頁\一共有31頁\編輯于星期五8試樣入射束探測器分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

現(xiàn)在是9頁\一共有31頁\編輯于星期五9試樣入射束探測器分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

現(xiàn)在是10頁\一共有31頁\編輯于星期五10試樣入射束探測器分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

現(xiàn)在是11頁\一共有31頁\編輯于星期五11試樣入射束探測器分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

現(xiàn)在是12頁\一共有31頁\編輯于星期五12試樣入射束探測器分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

現(xiàn)在是13頁\一共有31頁\編輯于星期五13試樣入射束探測器分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

現(xiàn)在是14頁\一共有31頁\編輯于星期五14試樣入射束探測器分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

現(xiàn)在是15頁\一共有31頁\編輯于星期五15二、波長分散譜儀(一)工作原理如圖15-5所示，回轉式波譜儀檢測不同波長X射線時，分光晶體在聚焦圓周上移動，檢測器以相應的2倍的角速度在同一圓周上移動

回轉式波譜儀優(yōu)點是結構簡單

缺點是接收不同波長X射線時，出射角將發(fā)生改變，不利于定量分析時的吸收修正第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理圖15-5回轉式波譜儀現(xiàn)在是16頁\一共有31頁\編輯于星期五16第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理二、波長分散譜儀(一)工作原理

試樣探測器入射束分光晶體現(xiàn)在是17頁\一共有31頁\編輯于星期五17二、波長分散譜儀(一)工作原理

試樣探測器入射束分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是18頁\一共有31頁\編輯于星期五18二、波長分散譜儀(一)工作原理

試樣探測器入射束分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是19頁\一共有31頁\編輯于星期五19一、波長分散譜儀(二)分析方法將分光晶體連續(xù)移動，譜儀連續(xù)檢測接收不同波長的X射線，可獲得如圖15-6所示的X射線譜圖

特征峰的波長與元素的原子序數(shù)對應，峰強度對應于該元素的含量圖15-6合金鋼(0.62Si,1.11Mn,0.96Cr,0.56Ni,0.26V,0.24Cu)定點分析的X射線譜圖第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是20頁\一共有31頁\編輯于星期五20一、波長分散譜儀(二)分析方法1)樣品分析點的確定利用電子探針配置的專用光學顯微鏡，

將分析點準確聚焦到聚焦圓的圓周上，此時分析點正好位于顯微鏡目鏡標尺的中心2)分光晶體的選擇對于晶面間距一定的分光晶體能檢測的X射線波長范圍是有限的，所以一臺電子探針通常配置3~5道波譜儀，每道譜儀配備2塊分光晶體，可以覆蓋Be~U所有元素的特征X射線波長范圍。分析時根據(jù)元素特征X射線的波長，選擇合適的分光晶體第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是21頁\一共有31頁\編輯于星期五21一、波長分散譜儀(二)分析方法

表15-1列出了常用分光晶體及其適用的波長范圍分光晶體晶面2d/nm適用波長/nmLiFSiO2PETRAPKAPTAP硬脂酸鉛(200)(10-11)(002)(001)(10-10)(10-10)—0.402670.668620.8742.61212.66322.5910.080.08~0.380.11~0.630.14~0.830.20~1.830.45~2.540.61~1.831.7~9.4表15-1常用分光晶體數(shù)據(jù)第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是22頁\一共有31頁\編輯于星期五22二、能量分散譜儀(一)工作原理如圖15-7所示，能譜儀采用Si(Li)晶體作為探測器，當能量為E

的X光子進入檢測器后，將激發(fā)N個電子-空穴對，產(chǎn)生一個電子-空穴對所需的能量為，則X光子能量為E=N

只要檢測出電子-空穴對的數(shù)目，就可計算出X光子的能量再利用多道脈沖高度分析器分類，繪制出按能量分散的譜圖圖15-7能譜儀工作原理框圖第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是23頁\一共有31頁\編輯于星期五23二、能量分散譜儀(一)工作原理如下圖所示為氧化物的X射線能譜圖，橫坐標是能量，縱坐標是強度(或計數(shù))氧化物的X射線能譜圖第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是24頁\一共有31頁\編輯于星期五24二、能量分散譜儀(二)能譜儀成分分析的特點與波譜儀相比，能譜儀具有如下優(yōu)點1)能譜儀的檢測效率高，因為能譜儀探頭可安放在樣品分析點附近，可有效提高收集立體角2)能譜儀分析速度快，因為能譜儀可同時檢測接收不同波長的X射線3)能譜儀穩(wěn)定性和重復性較好，因為能譜儀無機械傳動裝置4)能譜儀對樣品表面無特殊要求，也可用于粗糙表面的成分分析，因為能譜儀不需樣品聚焦第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是25頁\一共有31頁\編輯于星期五25二、能量分散譜儀(二)能譜儀成分分析的特點與波譜儀相比，能譜儀有如下缺點1)能譜儀的能量分辨率低，Si(Li)探測器約為130eV，而波譜儀為5~15eV。能量分辨率低使特征峰變寬，見圖15-8，結果導致峰高降低，以及使能量相近的峰重疊2)能譜儀的元素分析范圍小，因為能譜儀檢測器窗口造成對低能量X射線的吸收。能譜儀的元素分析范圍，早期的為Na~U，目前為B以上元素，而波譜儀的分析范圍為Be~U3)能譜儀的Si(Li)晶體必須在低溫下使用，因此需用液氮冷卻第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是26頁\一共有31頁\編輯于星期五26二、能量分散譜儀(二)能譜儀成分分析的特點同一試樣利用能譜儀和波譜儀分析，譜圖見圖15-8圖15-8能譜儀和波譜儀X射線譜圖的比較第一節(jié)電子探針儀的結構與工作原理現(xiàn)在是27頁\一共有31頁\編輯于星期五27一、定性分析1.點分析將電子束固定入射到選定的樣品分析點，波譜儀連續(xù)改變分光晶體的位置，連續(xù)接收不同波長的X射線，可獲得分析點的X射線全譜；或用能譜儀直接采集分析點的X射線全譜根據(jù)譜圖中特征X射線的波長(或能量)，確定分析點含有的元素種類點分析主要用于物相的元素組成分析，結合定量分析結果，為物相鑒定提供依據(jù)點分析示例見圖13-9第二節(jié)電子探針儀的分析方法及應用現(xiàn)在是28頁\一共有31頁\編輯于星期五28圖13-9元素的點分析ABCDAl33.71Ti5.42Y60.87Al1.33Ti3.26Y93.64Nb1.77Al28.10Ti58.96Nb12.94Al32.45Ti54.21Nb13.34第二節(jié)電子探針儀的分析方法及應用一、定性分析1.點分析

現(xiàn)在是29頁\一共有31頁\編輯于星期五29一、定性分析2.線分析將電子束在樣品表面沿選定的直線掃描，譜儀固定接收被測元素的特征X射線，可獲得該元素在樣品這一直線上的濃度變化曲線主要用于研究各類界處面的元素擴散