第4章--X射线能谱.docVIP

X射线能谱(EDS)分析方法 分析电子显微技术最基本的成分分析方法是用X射线能量色散谱分析方法，又叫X射线能谱法（即EDS方法，也称为EDX或EDXS）。它是分析电子显微方法中最可靠、最快捷、最重要的方法。 首先，从特征X射线的产生过程和探测器的原理开始，来介绍EDS分析技术和定量分析方法。然后介绍在晶体试样中观察到的相干韧致辐射和利用电子通道效应确定原子位置的ALCHEMI方法，以及有关的实验数据。 4.1 特征X射线的产生 特征X射线的产生是入射电子使原子内壳层电子激发而发生的现象。即内壳层电子被激发后跳到比费米能高的能级上，电子轨道内出现的空位被外壳层轨道的电子填人时，作为多余能量放出的就是特征X射线。高能级的电子落人空位时，要遵从选择规则(selection rule)，只允许满足轨道量子数（L）的变化值△L＝±1的特定跃迁。图1—6示出空位在内壳层ls轨道(K壳层)中形成时，由于L3向K跃迁，放出特征X射线的过程。图4—1示出空位在K壳层和L壳层中形成时产生的特征X射线。按照图4—1，可以用，等记号来表示特征X射线的种类。和中的希腊字母和数字表示各壳层间跃迁的种类，即表示特征X射线的种类，当和等的能量相差很小而分不开时，可写成或者简单写成。 不同元素具有各自固有的特征X射线能量，所以，根据谱的能量值就可以确定元素的种类，根据谱的强度就可以确定元素含量。另外，从空位在内壳层形成的激发状态变到基态的过程中，除产生Ｘ射线外，还放出俄歇电子。一般来说，随着原子序数增加，Ｘ射线产生的几率增大，俄歇电子产生几率减小。因此，在分析微量杂质元素时，EDS对重元素的分析特别有效。 4.2 X射线探测器的种类和原理 X射线探测器有两种。一种是X射线能量色散谱仪(简称能谱仪EDS：energy dispersive X-ray spectroscopy)另一种是X射线波长色散谱仪(简称波谱仪WDS：wavelength dispersive X-ray spectroscopy)。在分析电镜中均采用探测效率高的EDS。图4-2所示为装有EDS探测器的试样室的断面图。从试样产生的X射线通过测角台进入到探测器中。图4.3所示为EDS探测器系统的框图。对于EDS中使用的x射线探测器，一般都是用高纯单晶硅中掺杂有微量锂的半导体固体探测器(SSD：solid state detector)。SSD是一种固体电离室，当X射线入射时，室中就产生与这个X射线能量成比例的电荷。这个电荷在场效应管(FET：fieldeffecttransistor)中聚集，产生一个波峰值比例于电荷量的脉冲电压。用多道脉冲高度分析器(multichannelpulse height analyzer)来测量它的波峰值和脉冲数。这样，就可以得到横轴为X射线能量，纵轴为x射线光子数的谱图。为了使硅中的锂稳定和降低FET的热噪声，平时和测量时都必须用液氮冷却EDS探测器。最近，正在开发不需要用液氮冷却的EDS探测器。 图4—2 装有EDS探测器的TEM的试样室的断面示意图 保护探测器的探测窗口有两类，其特性和使用方法各不相同。 4．2．1 铍窗口型(berylliumwindowtype) 用厚度为8—10pm的铍薄膜制作窗口来保持探测器的真空，这种探测器使用起来比较容易，但是，由于铍薄膜对低能X射线的吸收，所以，不能分析比Na(z二11)轻的元素。 4．2．2 超薄窗口型(UTWtype：ultrathinwindowtype) 保护膜是沉积了铝，厚度0．3—0．5umm的有机膜，它吸收X射线少，可以测量C(Z＝6)以上的比较轻的元素。但是，采用这种窗口时，探测器的真空保持不太好，所以，使用时要多加小心。最近，对轻元素探测灵敏度很高的这种类型的探测器已被广泛使用。 图4—3 EDS系统的框图 此外，还有去掉探测器窗口的无窗口型(windoMess type)探测器，它可以探测B(Z＝5)以上的元素。但是，为了避免背散射电子对探测器的损伤，通常将这种无窗口型的探测器用于扫描电子显微镜(5．4节)等低加速电压的情况。 EDS的分辨率约为150eV，比EELS和WDS低1～2个数量级。与EDS不同，WDS采用LiF(晶格常数：d200＝0．2013nm)和RAP(邻苯二铷酸d001＝1．305nm)等作为X射线的分光晶体，通常它能探测B(Z＝5)以上的元素，而且，分辨率也比较高(约10eV)。但是，WDS的探测效率比较低，需要较长的测量时间。对于通常的分析型透射电子显微镜，是要检测从薄膜的微小区域发出的特征X射线，所以，它采用探测效率高的EDS。而电子探针(EPMA：electron probe micro—analy