材料分析方法哈爾濱工業(yè)大學(xué)周玉電子探針

1、 第二篇第二篇 電子顯微分析電子顯微分析第十一章第十一章 電子探針顯微分析電子探針顯微分析 電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理 電子探針的分析方法及應(yīng)用電子探針的分析方法及應(yīng)用 電子探針的功能電子探針的功能 n電子探針的功能：電子探針的功能：進行微區(qū)成分分析進行微區(qū)成分分析. .n它是電子光學(xué)和它是電子光學(xué)和X X射線光譜學(xué)原理的基礎(chǔ)上發(fā)射線光譜學(xué)原理的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種高效率分析儀器。其原理是用喜展起來的一種高效率分析儀器。其原理是用喜聚焦電子束入射樣品表面，激發(fā)出樣品的特征聚焦電子束入射樣品表面，激發(fā)出樣品的特征X X射線，分析特征射線，分析特征X X射線的波長（或特征能量），

2、射線的波長（或特征能量），即可知道樣品中所含元素的種類（即可知道樣品中所含元素的種類（定性分析定性分析），），分析分析X X射線的強度，則可知道樣品中對應(yīng)元素射線的強度，則可知道樣品中對應(yīng)元素含量多少（含量多少（定量分析定量分析）。）。 分析理論基礎(chǔ)及方法分析理論基礎(chǔ)及方法 理論基礎(chǔ)：理論基礎(chǔ)： 莫塞萊定率莫塞萊定率 h: plank常數(shù)常數(shù)K K: : 與馬德堡常數(shù)有關(guān)與馬德堡常數(shù)有關(guān) ：屏蔽常數(shù)：屏蔽常數(shù)2)( ZKh21Z 即即 L L系系 常用常用K K系系 35 Z35 Z11.1 電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理 -電子探針結(jié)構(gòu)電子探針結(jié)構(gòu) n電子探針儀與電子探針儀與S

3、EM鏡筒大致相同鏡筒大致相同,僅接收物僅接收物理信號有區(qū)別理信號有區(qū)別,現(xiàn)一般在現(xiàn)一般在SEM上加裝特征上加裝特征X射線探測附件射線探測附件,可對同一區(qū)進行組織、成分可對同一區(qū)進行組織、成分分析分析.n兩種展譜方式兩種展譜方式1.1.WDS：Wave Dispersive Spectroscopy 利用利用波動性波動性 逐一展譜逐一展譜2.2.EDS：Energy Dispersive pectroscopy 利用利用粒子性粒子性h h 同時展譜同時展譜11.1 電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理 -波譜儀波譜儀(WDS) 1.工作原理工作原理 常用波譜儀為全聚集直進式,由分光晶體、

4、X射線探測器和相應(yīng)機械傳動裝置組成.其原理如下:樣品、分光晶體、探測器位于聚焦圓上,入射電子束照射樣品,因含不同元素,產(chǎn)生不同波長特征X射線,位于B點的分光晶體(由一組平行晶面d組成)與特征X射線的某一波長,滿足衍射條件,產(chǎn)生的衍射線會聚于C點,此波長為 RdL分光晶體 直進式波譜儀 2.分析方法分析方法 上式中,當d、R一定時,分光晶體沿直線AB運動,使L由大到小變化,便可測出照射區(qū)的特征X射線波長、強度-熒光屏顯示 譜線-元素組成. I合金鋼定點分析譜線 3.結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu) 1)分光晶體 波譜儀不能很大,L有限(L=10-30cm). 當L=10-30cm,R=20cm時, =15650. 由知

5、,僅用一分光晶體只能測有限波長范圍,即有限元素分析.要分析Z=492,需使用不同d的分光晶體,常用彎曲分光晶體見表14-1.2)X射線探測器: 與X射線衍射儀相同的正比、閃爍計數(shù)管.3)X射線計數(shù)和記錄系統(tǒng)探測器-信號放大-多道分析、計數(shù)-記錄(XY記錄儀、打印、熒光屏)-譜線 I11.1 電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理 -能譜儀能譜儀(EDS) 1.工作原理工作原理 鋰漂移硅檢測器能譜儀框圖 鋰漂移硅檢測器：鋰漂移硅檢測器： Si(Li)Si(Li)或或 Ge(Li)Ge(Li) 原理：原理： Li補償補償P型中受主雜質(zhì)，型中受主雜質(zhì)，使原使原PN結(jié)中的耗盡已擴大，結(jié)中的耗盡已

6、擴大，形成穩(wěn)定中間層。形成穩(wěn)定中間層。X光子作用光子作用下，原子電離產(chǎn)生下，原子電離產(chǎn)生電子電子/空穴空穴對對 .一個光子一個光子(E)(E)產(chǎn)生的電子產(chǎn)生的電子/空穴對空穴對()()N=E/ .入射光入射光子子E-N-E-N-電流脈沖高度電流脈沖高度-放大并轉(zhuǎn)化成電壓脈沖放大并轉(zhuǎn)化成電壓脈沖-多多道分析器把相同高度脈沖累道分析器把相同高度脈沖累加計數(shù)強度加計數(shù)強度CPS CPS PN中中間間層層RayX _+前前置置放放大大器器能譜儀能譜儀 2.分析方法分析方法 EDS同時計數(shù)分析,根據(jù)EI譜線中峰的特征E值,確定元素. 11.1 電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理電子探針結(jié)構(gòu)與工作原理 -波譜儀與能譜

7、儀比較波譜儀與能譜儀比較 1.元素范圍:WDS:Be4-V92; EDS:Z5(B).2.分辨率: EDS低于WDS, EDS:E=145-155eV, WDS: E=5eV 3.探測極限: WDS:0.010.1%, EDS: 0.1-0.5%.4.接收方式; EDS:同時測定計數(shù). WDS逐個測量特征波長并計數(shù).5.分析速度: EDS:幾分鐘, WDS:幾十分鐘.6. EDS必須保持低溫,液氮冷卻. 綜上: WDS分析元素廣,分析精度高.但要求樣品平整光滑,分析速度慢,需較大的電子流. EDS分析快,對樣品要求低,入射電子流小,特別適合于與SEM配合.但分析精度低 11.2 電子探針的分析

8、方法及應(yīng)用電子探針的分析方法及應(yīng)用 一、一、 定性分析定性分析1,定點分析定點分析: 對樣品選定區(qū)進行定性分析. 方法:電子束照射分析區(qū),波譜儀分析時,改變分光晶體和探測器位置.或用能譜儀,獲取 、EI譜線,根據(jù)譜線中各峰對應(yīng)的特征波長值或特征能量值,確定照射區(qū)的元素組成 I2.線分析線分析: 測定某特定元素的直線分布測定某特定元素的直線分布. 方法:將譜儀固定在要測元素的特征X射線 波長值或特征能量值,使電子束沿著圖像指定直線軌跡掃描.常用于測晶界、相界元素分布.常將元素分布譜與該微區(qū)組織形貌結(jié)合起來分析 鑄鐵中（a）S的線分析（b） Mn的線分析 3.面分析面分析: 測定某特定元素的面分布

9、測定某特定元素的面分布 方法:將譜儀固定在要測元素的特征X射線波長值或特征能量值, 使電子束在在樣品微區(qū)作光柵掃描,此時在熒光屏上便得到該元素的微區(qū)分布,含量高則亮 ZnOBi2O3陶瓷燒結(jié)自然表面的面成分分布（a）形貌像（b）Bi元素的面分布像 二二.定量分析簡介定量分析簡介 理論上,在穩(wěn)定的電子束照射下,譜儀測得各元素的同類特征譜峰高(強度)與其濃度成正比,但實際并非如此,其原因是譜線強度除與元素含量有關(guān)外,還與樣品的化學(xué)組成(基體)有關(guān)-“基體效應(yīng)”;其次譜儀在測量時條件不同,比如、不同分光晶體、入射電子強度等)-“譜儀效應(yīng)” 1.精確強度比精確強度比K Ki i-消除消除“譜儀效應(yīng)譜儀效應(yīng)” 在完全相同條件下,如電子束加速電壓、束流、2等,以待測純元素為標樣,分別對標樣、待測樣品測量,因為是同一元素,相同,由2dsin= 得相同純元素Y 樣品中Y元素 則 00YYICYYIC YYYYYKII