波谱和能谱分析在线视频

大家好

今天我们一起学习的内容是

波谱和能谱分析

特征X射线也是扫描电镜分析中

一种常用的分析信号

X射线探测器通常有两种

一种是利用X射线波长的

不同来展谱的叫做波长色散谱仪

简称波谱仪或WDS

另一种是利用X射线能量的

不同来展谱叫做能量色散谱仪

简称能谱仪或EDS

所谓展谱

就是把从样品表面发射出来的

很多波长或者能量不同的

X射线一一分开

然后再分别检测它们的强度

特征X射线的波长和强度数据

是我们对样品进行成分分析的基础

根据莫塞莱定律

从原子发射出的特征X射线的

波长和该原子的

原子序数有一一对应的关系

所以

测出X射线的波长

就可以判断这是哪一种元素了

也就是可以对材料进行定性的分析

而X射线的强度

和这种元素的含量有关

所以又可以进行定量分析

这是安装在扫描电镜中的WDS示意图

WDS主要是利用分光晶体

把不同波长的特征X射线分开

原理和XRD相似

分开后再测出强度

就得到了特征X射线的

波长和强度的关系谱图

系统会根据波长的大小标

定出每个峰对应哪种元素

这是安装在扫描电镜中的EDS示意图

EDS主要是利用硅锂Si(Li)晶体探测器

检测并计算出X光子的能量

再利用多通道分析器把

不同能量的X光子分别

存储在不同的通道内

通道地址和X光子能量成正比

而通道的计数就是X光子的数量

也就是X射线的强度

根据能量和强度数据

就可以绘制出X射线能量色散谱

同样

系统会根据X射线能量的大小标

定出每个峰对应的元素

波谱仪和能谱仪各有优缺点

我们对比了解一下

波谱仪的分辨率高

探测元素范围广、探测极限小

适用于做精确的定量分析

但它的缺点是检测效率低

需要大束流、分析速度较慢

要求试样表面平整光滑等等

能谱仪虽然在分析元素范围、探测极限

分辨率等方面不如波谱仪

但它的优点是分析速度快

可以用比较小的束流和微细的电子束

对于表面不平整的样品也可以分析

如果扫描电镜上能

同时装配能谱仪和波谱仪

那就可以优势互补

高效准确地对样品

进行定性和定量分析

现在能谱仪基本上

是扫描电镜和透射电镜的标配

下面我们主要来看看能谱仪的应用

能谱仪的工作方式有三种

点分析

线分析和面分析

实际上波谱仪也是有这三种工作方式

第一种是点分析

这是最常用的一种工作方式

就是将入射电子束固定在

要分析的点或者微区上进行的全谱扫描

并在这个基础上对样品

所含元素作定量分析

比如这个样品

我们在获得二次电子像之后

想进一步知道它是由什么物质组成的

那就选择其中一个微区进行定点分析

很快几秒十几秒钟就可以得到结果

这是能量色散谱

各个峰上都标注出了元素的种类

一般情况下仪器还会提供

各个原子的重量百分比和原子百分比

从谱图和含量表上我们知道

这个样品主要含有碳和氧

同时含有微量的镁铝硅硫等元素

或者我们在获得背散射电子的

原子序数像之后

发现它有很明显的相态分布

有灰色的基体

亮度不同的析出相

那么我们就挑选ABCD几个

典型区域分别进行定点扫描

得到谱图和重量百分比

分析后就会得出

这个样品的基体

C区和D区

分别是铝和铌含量不同的钛合金

A和B分别是富含钇的夹杂相

第二种分析方法是线分析

它是电子束在样品表面

沿选定的直线进行逐点扫描

能谱仪固定只接收某种

被测元素的特征X射线

这样就得到这种元素在样品表面

这一条直线上的浓度变化曲线

要分析其他元素就再重新进行一次扫描

线分析方法通常使用地比较少

主要是用于研究各类界面处的

元素扩散情况

或者基体材料中夹杂相的检测

比如这张图就是在铝

和钛的相界处进行线扫描

可以发现在界面处沿着这条线

铝逐渐减少

而钛含量逐渐增多

这幅图是铸铁中有夹杂的颗粒

在颗粒处分别进行硫和锰元素的线扫描

就可以发现它们是硫化锰颗粒

这样把图像和谱线结合起来的方式

看起来非常直观

第三种是面分析

面分析是电子束在样品表面

选定的区域内扫描

能谱仪固定接收选定的

某种元素的特征X射线

就可以获得这种元素

在这个区域的分布图像

这种工作方式把样品表面形貌

和成分分布对应起来

更加直观

这一组图像中

第一幅就是样品的二次电子像

然后分别扫描了碳、氮、氧、铝

硅等元素在同一个区域的

分布状态一目了然

这一组图像

第一幅是背散射电子原子序数像

从这个图像中我们知道样品表面

存在很明显的成分差异

后面三幅图分别是银、铜

钛元素的能谱面扫描图

一对比

就可以很清晰地知道

成分分布的具体情况了

总的来说

能谱分析操作便捷

分析速度快

给出的结果直观漂亮

但能谱分析也有很多缺点

最主要的缺点是定量分析的准确度低

一般能谱分析中的定量数据

是根据能谱仪系统中带有的

标样数据库来进行计算的

而通常标样的元素含量

与实际材料的元素含量差值比较大

并且标样和我们测量样品的测试条件

比如加速电压、束斑大小、采集电

工作距离等条件可能并不相同

因此所得到的结果误差就会很大

严格上来说能谱分析

给出的数据只能算作半定量分析

有个国家标准叫

“电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则”

规定了EDS定量分析的允许误差

对平坦的无水、致密、稳定

且导电良好的试样

定量分析总量误差要求小于 ±3％

而对于相对误差的规定是

样品中含量高于20%wt的主要元素

允许的相对误差要≤±5％

而含量越低

允许的误差就越大

甚至到了 50％

由此大家可以估算到

我们得到的结果误差的大概程度

如果需要准确的定量关系

那么就需要用到波谱仪

但是通常很难找到配有

波谱仪的扫描电镜

不过

还有一种设备叫电子探针显微镜EPMA

它和扫描电镜非常相似

但同时配有波谱仪和能谱仪

可以获得可靠的定量分析数据

需要的话可以选用电子探针显微镜

来做准确的定量分析

好

今天我们主要介绍了

扫描电镜中的波谱和能谱分析

今天的课程就到这里

谢谢大家

下次课再见