入射电子束受到气体散射作用
电子能量为25KV时，通过氧气的平均自由程
环境扫描电镜的特点(一)
平均碰撞次数(m)定义三类不同的散射
Minimal Scattering Scatter <5% （ 0< m< 0.05 ）
Partial Scattering Scatter 5% to 95% （ 0.05< m< 3）
半定量分析
无标样定量分析
无标样定量分析是X射线显微分析的一种快 速定量方法。强度比 K＝IS/IStd。 表达式中IStd是标样强度，它是由纯物理计 算，或用标样数据库给定的，适应于不同的 实验条件。其计算精度不如有标样定量分 析。
二、X射线能谱仪基本功能
EDS的分析方法－点分析
电子束（探针）固定 在试样感兴趣的点 上，进行定性或定量 分析。该方法准确度 高，用于显微结构的 成份分析，对低含量 元素定量的试样，只 能用点分析。
EDS的分析精度
“电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则”国家标准 定量结果及允许误差 对定量结果必须正确选取有效位数。EDS定量分析结果， 小数点后保留一位，原始数据可以多保留一位。 EDS分析的相对误差 (含量＞20%wt）的元素， 允许的相对误差 <5% (3 %wt<含量<20%wt的元素，允许的相对误差<10% (1 %wt<含量<3%wt的元素，允许的相对误差<30% (0.5%wt<含量<1%wt的元素，允许的相对误差<50%
X + e- → X+ + 2e-
环境扫描电镜的特点(二)
消除绝缘样品表面电荷积累的解释
- - - - gas
- - - - gas
样品室真空度和气氛可以控制 对任何样品无需处理 直接进行观察和分析 可以进行动态过程（如化学反应）的观察 在低真空模式下仍可以获得高分辨图像
北京大学 电子显微镜实验室
环境扫描电镜要解决的问题(一)
绝缘样品的观察
高真空SEM下观察锆石
环扫下观察锆石
环境扫描电镜要解决的问题(二)
含水样品的观察
高真空SEM下观察蚜虫
1(Torr)＝133(Pa)
样品室真空度控制关键技术
压差光阑
High Vacuu m Region
Gas flow
Pressure Limiting Apertures (PLA)
Low Vacuum Region
Sample Gas flow
通过压差光阑来实现样品室和镜筒之间真空的梯度差
环境扫描电镜的特点(一)
电子束受气体散射模型的 Monte Carlo模拟
环境扫描电镜的特点(二)
信号电子与气体相互作用－电子级联放大现象
信号放大的基本的物理机制 是运动电子和气体分子发生 碰撞生产的电离，产生二倍 的电子，这些电子在外电场 的作用下，继续上述过程， 产生放大现象，可用 Towsend Gas Capacitor模 型(TGC)。
•
•
X射线产生机理
a. 连续谱X射线的产生：PE在原子实库仑场 中减速产生韧致辐射。 b. 内壳层电离：产生特征X射线(或Auger电子)
特征X射线
右图：Ti K 系特征谱(Ti Kα = 4.51 KeV) 和 Sb L系特征谱(Sb Lα = 3.61 KeV)
连续X射线
Intensity (I) Generated
能谱的特点
• • 能快速、同时对各种试样的微区内Be-U的所有元 素，元素定性、定量分析，几分钟即可完成。 对试样与探测器的几何位置要求低：对W.D的要求 不是很严格；可以在低倍率下获得X射线扫描、面 分布结果。 能谱所需探针电流小：对电子束照射后易损伤的 试样，例如生物试样、快离子导体试样、玻璃等 损伤小。 检测限一般为0.1%－0.5%，中等原子序数的无重 叠峰主元素的定量相误差约为2%。
环扫ESEM下观察锆石蚜虫
环境扫描电镜要解决的问题(三)
动态反应过程的原位观察
3.6 Torr 4.1 Torr 5.3 Torr
5.8 Torr
5.9 Torr
5.6 Torr
ESEM原位观察NaCl溶解-结晶过程
扫描电镜根据样品室真空环境分类
1、CSEM (Conventional High Vacuum SEM) ：样品室真空度小于10-4Torr 2、LV-CSEM (Low Vacuum SEM) ：样品室真空度0.1~2Torr 3、ESEM (Environmental SEM) ：样品室真空度大于4.6Torr.
EDS可以与EPMA，SEM，TEM等组 合，其中SEM－EDS组合是应用 最广的显微分析仪器，EDS的发 展，几乎成为SEM的表配。是微 区成份分析的主要手段之一。
能谱仪：EDS (Energy Dispersive Spectrometer) 能谱分析：EDAX (Energy Dispersive Analysis of X-rays) 能谱法：EDX (Energy Dispersive X-ray Spectrometer)
场发射环境扫描电子显微镜
场发射：电子枪采用场发射技术，以提高分辨率 环境：指样品室真空度和气氛环境 场发射环境扫描电子显微镜：通过场发射枪技 术、压差光阑技术和气体环境下的信号探测技 术来实现绝缘样品的观察、含水样品、动态反 应过程的原位等的高分辨观察。
ESEM的特点
变气压、变气氛扫描电子显微镜的出现
Complete Scattering Scatter >95% （ m>3 ）
环境扫描电镜的特点(一)
散射束的束半径估计
（T=283K、Z(He)=2、E=20kV） rs(L=2m rs(L=15 rs(L=20m 压强 m) mm) m) （Pa） (μm) (μm) (μm) 133 2 25 46 665 5 56 102 1330 7 79 145 2660 10 112 205
25 kV
空间分辨率
相同加速电压、不同材料下电子范围的MC模拟
Iron
Silver
Carbon
空间分辨率
入射电子束
阴极荧光 二次电子 特征X射线 俄歇电子 背散射电子
分析面积：相互作用区体积 在电子束入射面的投影面 积。 X射线的穿透深度Zm(um)： Zm＝0.33(E01.7-Ek1.7)A/ρZ
三、能谱分析中样品和电镜参数的考虑
定量分析对试样的要求
• 样品在真空和电子束轰击下要稳定; • 高准确度的分析时,要求试样分析面平、垂直于 入射电子束; • 试样尺寸大于X射线扩展范围; • 有良好的导电和导热性能; • 均质、无污染。
电镜参数的选择
• • • • • 选择EDS分析条件的原则 入射电子的能量（加速电压）必须大于被测元素线 系的临界激发能。 最佳过压比选择：U＝E0/Ek (2～3)（ X射线的最 佳发射条件） 在不损伤试样的前题下，分析区域应尽量小（束 流、束径、加速电压）。 计数总量最好在25万左右（束流、加速电压、活时 间、X射线线系）。 各分析条件不是独立，必须综合考虑。
内容提要
一、能谱仪的基本原理 二、能谱仪的主要功能 三、能谱分析对样品和电镜参数的考虑 四、能谱分析中几个问题 五、环境扫描电镜中能谱仪的应用
一、X射线能谱仪的基本原理
能谱仪－EDS
至前置放大器 极靴 h e - 采集角 电子阱 FET
冷指 ACTIVE Si(Li) 准直器 硅死层 取出角 样品 窗 ( 光阱) 栅格
EDS的分析方法－线扫描分析
电子束沿一条分析线 进行扫描时，能获得 元素含量变化的线分 布曲线。结果和试样 形貌像对照分析，能 直观地获得元素在不 同相或区域内的分 布。
ห้องสมุดไป่ตู้
EDS的分析方法－面分布
电子束在试样表面扫描 时，元素在试样表面的 分布能在屏幕上以亮度 （或彩色）分布显示出 来（定性分析），亮度 越亮，说明元素含量越 高。研究材料中杂质、 相的分布和元素偏析常 用 此方法。面分布常 常与形貌对照分析。
Detected Energy (E) Eo
X射线荧光产额ω
X能谱仪检测原理
光子能量检测过程
X射线光子进入锂漂移硅Si(Li)探 测器后，在晶体内产生电子一空 穴对。在低温下，产生一个电子 －空穴对平均消耗能量为3.8ev。 能量为E的X射线光子产生的电子 －空穴对为N＝E/3.8 。 例如：MnKa能量E为5.895KeV，形 成的电子－空穴对为1550个。CaK: 3.7KeV，约产生1,000电子－空穴 对。 电子-空穴对形成电压脉冲信号， 探测器输出的电压脉冲高度对应X 射线的能量。
不导电样品的问题
荷电对定量结果的影响 荷电使有效加速电压降低，使X射线过压比U减小，影响了X射线 的最佳发射条件。加速电压降低，X射线强度也降低。 EDS标定的加速电压在定理分析校正时，用于计算X射线激发体 积、基体校正等，加速电压不正确影响定量结果。 吸收电信减小，降低子特征X射线强度。 必须蒸镀碳导电膜。碳为轻元素，对电子的阻止本领、背散射能 力小：对所分析元素的X射线吸收小，厚度控制在20nm左右。
探测极限
检测极限定义: 特定分析条件下，检测到元素或 化合物的最小量值，即某种元素能够检测到的最 低含量。一般认为，材料中某元素的X射线强度N 等于本底标准偏差的3倍时，即N＝3该元素肯定存 在，其置信度为99.7%。 检测极限与仪器性能、分析条件及试样中所含元 素种类等因素有关。 通常EDS检测限为0.1%-0.5%
样品电流
热量
样品 电子束与样品相互作用
E0：加速电压 Ek：临界激发能 A：原子量 R：密度 Z：原子系数
EDS的能量分辨率
EDS的能量分辨率：～130eV 1. 能谱中通常用MnK线（5.890KeV）谱峰的半 高宽测定。 2. 对于低加速电压，应测定C-K和F-K谱峰的半 高宽。（国际ISO15632：2002标准） 谱峰半高宽（FWHM: Full peak Width at Half Maximum）:一种测量X－射线谱宽度的方 法。是谱峰扣除本底后强度最高值一半处的 峰宽。