X射線能量色散譜分析

X射線能量色散譜儀(Energy dispersive X-ray spectroscopy, EDS),簡稱能譜儀,是掃描電鏡和透射電鏡的基本配置。應用能譜儀可以對材料的化學成分進行定性和定量分析,利用電子通道效用可以分析原子在有序晶體中的晶格位置。分析型透射電鏡的重要附件還包括電子能量損失譜儀(Electron-energy-loss spectroscopy, EELS)。與X射線能量色散譜分析功能比較,電子能量損失譜更適合材料中輕元素的定性和定量分析,可以利用電子能量損失譜電離峰近邊結構和廣延能量損失精細結構分析材料中元素的電子結構、化學價態(tài)以及配位原子數(shù)和相鄰原子結構信息。能量選擇成像系統(tǒng)的不斷發(fā)展,不但使人們可以得到電子能量損失譜元素面分析和化學鍵分布,還可以提高透射電鏡電子衍射花樣和衍射圖像的質(zhì)量。分析型電子顯微鏡通常具有很高的空間分辨率,應用X射線能量色散譜和電子能量損失譜可以對材料在納米尺度小區(qū)域進行分析。

對于樣品產(chǎn)生的特征X射線,可以有兩種成譜方法:一種是X射線能量色散譜方法,由于探測效率高,掃描電鏡和透射電鏡中均采用此方法;另一種是X射線波長色散譜方法(Wavelength dispersive X-ray spectroscopy),通常和掃描電鏡連用組成電子探針。

透射電鏡X射線能量色散譜進行元素分析的最小檢出量與該元素產(chǎn)生特征X射線的特性、探測器效率、計數(shù)時間以及電子束流強度等因素有關。計數(shù)時間和電子束流的提高有利于獲得盡量低的最小檢出量。一般透射電鏡X射線能譜色散分析的最小檢出量為5×10-20g左右。最小質(zhì)量分數(shù)(MMF)表示多種元素同時存在的情況下,檢測出某一元素的靈敏度,可以表示為MMF=1/[(P/B)pτ]1/2(其中(P/B)為峰背比,p為元素的計數(shù),τ為計數(shù)時間)。延長計數(shù)時間可以提高最小質(zhì)量分數(shù),但過度增加計數(shù)時間會因電子束流的穩(wěn)定性、樣品的漂流和污染問題導致分析結果出現(xiàn)偏差。另外通過提高電子束流強度和加速電壓可以增加峰的計數(shù)和提高峰背比,從而提高元素檢測的最小質(zhì)量分數(shù)。