EDS元素分析
一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?
1.了解能譜儀（EDS）的結(jié)構(gòu)和工作原理。?
2.掌握能譜儀（EDS）的分析方法、特點(diǎn)及應(yīng)用。?
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二、實(shí)驗(yàn)原理?
在現(xiàn)代的掃描電鏡和透射電鏡中，能譜儀（EDS）是一個重要的附件，它同主機(jī)共用一套光學(xué)系統(tǒng)，可對材料中感興趣部位的化學(xué)成分進(jìn)行點(diǎn)分析、面分析、線分析。它的主要優(yōu)點(diǎn)有：（1）分析速度快，效率高，能同時對原子序數(shù)在11—92之間的所有元素（甚至C、N、O等超輕元素）進(jìn)行快速定性、定量分析；（2）穩(wěn)定性好，重復(fù)性好；（3）能用于粗糙表面的成分分析（斷口等）；（4）能對材料中的成分偏析進(jìn)行測量，等等。?
（一）EDS的工作原理?
探頭接受特征X射線信號→把特征X射線光信號轉(zhuǎn)變成具有不同高度的電脈沖信號→放大器放大信號→多道脈沖分析器把代表不同能量（波長）X射線的脈沖信號按高度編入不同頻道→在熒光屏上顯示譜線→利用計算機(jī)進(jìn)行定性和定量計算。?
（二）EDS的結(jié)構(gòu)?
1、探測頭：把X射線光子信號轉(zhuǎn)換成電脈沖信號，脈沖高度與X射線光子的能量成正比。?
2、放大器：放大電脈沖信號。?
3、多道脈沖高度分析器：把脈沖按高度不同編入不同頻道，也就是說，把不同的特征X射線按能量不同進(jìn)行區(qū)分。?
4、信號處理和顯示系統(tǒng)：鑒別譜、定性、定量計算；記錄分析結(jié)果。
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（三）EDS的分析技術(shù)?
1、定性分析：EDS的譜圖中譜峰代表樣品中存在的元素。定性分析是分析未知樣品的第一步，即鑒別所含的元素。如果不能正確地鑒別元素的種類，最后定量分析的精度就毫無意義。通常能夠可靠地鑒別出一個樣品的主要成分，但對于確定次要或微量元素，只有認(rèn)真地處理譜線干擾、失真和每個元素的譜線系等問題，才能做到準(zhǔn)確無誤。定性分析又分為自動定性分析和手動定性分析，其中自動定性分析是根據(jù)能量位置來確定峰位，直接單擊“操作/定性分析”按鈕，即可在譜的每個峰位置顯示出相應(yīng)的元素符號。自動定性分析識別速度快，但由于譜峰重疊干擾嚴(yán)重，會產(chǎn)生一定的誤差。?
2、定量分析：定量分析是通過X射線強(qiáng)度來獲取組成樣品材料的各種元素的濃度。根據(jù)實(shí)際情況，人們尋求并提出了測量未知樣品和標(biāo)樣的強(qiáng)度比方法，再把強(qiáng)度比經(jīng)過定量修正換算成濃度比。最廣泛使用的一種定量修正技術(shù)是ZAF修正。?
3、元素的面分布分析：在多數(shù)情況下是將電子束只打到試樣的某一點(diǎn)上，得到這一點(diǎn)的X射線譜和成分含量，稱為點(diǎn)分析方法。在近代的新型SEM中，大多可以獲得樣品某一區(qū)域的不同成分分布狀態(tài)，即：用掃描觀察裝置，使電子束在試樣上做二維掃描，測量其特征X射線的強(qiáng)度，使與這個強(qiáng)度對應(yīng)的亮度變化與掃描信號同步在陰極射線管CRT上顯示出來，就得到特征X射線強(qiáng)度的二維分布的像。這種分析方法稱為元素的面分布分析方法，它是一種測量元素二維分布非常方便的方法。
三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和材料?
1、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：NORAN?System?SIX?2、實(shí)驗(yàn)材料：ZnO壓敏斷面?
四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟?
（一）點(diǎn)分析?
該模式允許在電鏡圖像上采集多個自定義區(qū)域的能譜?。
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1?、采集參數(shù)設(shè)置??
由該模式的目的可知，其采集參數(shù)設(shè)置包括電鏡圖像采集參數(shù)設(shè)置和能譜采集參數(shù)設(shè)置。??對其進(jìn)行合理設(shè)置。???
2?、采集過程??
單擊采集工具欄中的采集開始按鈕，采集一幅電鏡圖像?？梢粤⒓床杉?dú)立區(qū)的能譜，也可以批量采集多區(qū)域的能譜。???
立即采集獨(dú)立區(qū)域的能譜??
(1)單擊點(diǎn)掃工具欄中的立即采集按鈕，使其處于被按下的狀態(tài)。???
(2)選擇一種區(qū)域形狀。??
(3)在電鏡圖像上指定區(qū)域位置。???
(4)等待采集完成。??
(5)如想增加一個新區(qū)域，單擊指定一個新的區(qū)域位置。???
批量采集多區(qū)域的能譜??
(1)單擊點(diǎn)掃工具欄中的立即采集按鈕，使其處于抬起的狀態(tài)。??
(2)單擊點(diǎn)掃工具欄中的批量采集按鈕??，使其處于被按下的狀態(tài)。??
(3)選擇一種區(qū)域形狀。??
(4)在電鏡圖像上指定區(qū)域位置。
(5)重復(fù)第（3）、（4?）步，指定多個區(qū)域。??
(6)單擊采集工具欄中的按鈕??，系統(tǒng)將采集每一個區(qū)域的譜圖。??
3?、查看信息??
(1)單擊點(diǎn)掃工具欄中的重新查看按鈕。?
(2)在電鏡圖像上單擊想要查看信息的區(qū)域。?
? ? ? ? 全譜分析模式分析?
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該模式可以對所采電鏡圖像的每一個像素點(diǎn)采集一組經(jīng)過死時間修正的能譜數(shù)據(jù)。一旦采集?并存儲后，就可以在脫離電鏡支持的條件下，生成能譜進(jìn)行定性、定量分析，生成面分布圖像、生成線掃描圖像、輸出報告等。??
1、?采集參數(shù)設(shè)置??
該模式下的采集參數(shù)設(shè)置分為以下兩部分：??
（1）電鏡圖像采集參數(shù)設(shè)置??
該部分參考Averaged?Acquisition?平均采集參數(shù)設(shè)置。??
（2）面分布圖像采集參數(shù)設(shè)置?
單擊采集工具欄中的采集參數(shù)設(shè)置按鈕?，打開采集參數(shù)設(shè)置對話框，進(jìn)行設(shè)置。
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2?、采集過程??
?單擊采集工具欄中的采集按鈕，進(jìn)行電鏡圖像的采集和面分布采集。???
3?、提取所需信息?
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(1)在提取工具欄中選擇一種提取工具，在電鏡圖像上確定提取區(qū)域，即可獲得提取信息。??
(2)對于Spot??圓圈和Linescan?線提取方式，可以進(jìn)行參數(shù)設(shè)置。方法是：在電鏡圖像上右擊鼠標(biāo)，在彈出的對話框中選中Image?Extract?圖像提取選項(xiàng)卡。在這里可以設(shè)置圓圈半徑、線寬度及線上的取樣點(diǎn)數(shù)。???
（二）線掃描?
（1）在線掃描圖像上右擊鼠標(biāo)，在彈出的對話框中，可以改變標(biāo)題名稱、改變背景色、選擇線掃描線的顯示方式、是否顯示光標(biāo)、是否顯示柵格、是否使用粗線條等。??
（2）如想去除某個元素的線掃描，在元素周期表中右擊該元素后選擇Inactive。??
（3）在電鏡圖像和線掃描圖像上都使用圖像強(qiáng)度光標(biāo)。當(dāng)移動某一個光標(biāo)時，另一個光標(biāo)也隨之移動。電鏡圖像上的光標(biāo)指示出當(dāng)前光標(biāo)所在位置的橫、縱坐標(biāo)及灰度值；線掃描圖像上的光標(biāo)指示出當(dāng)前光標(biāo)所在位置的某一元素的計數(shù)值。??
（4）將某一元素的線掃描圖像疊加在電鏡圖像上顯示：單擊線掃描圖像下的該元素標(biāo)簽，即可疊加/不疊加顯示該元素的線掃描圖像。疊加屬性可按如下方式修改：??單擊菜單“EditProperties”，并選擇Linescan?Overlay?選項(xiàng)卡，如下圖所示。
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（三）面分布?
?(1)在面分布圖像上右擊鼠標(biāo)，在彈出的對話框中，可以改變光標(biāo)顏色、是否顯示光標(biāo)、是否疊加于電鏡圖像上，改變面分布顏色、面分布對比度亮度等。??
?(2)如想去除某個元素的面分布，在元素周期表中右擊該元素后選擇Inactive。????
?(3)在電鏡圖像和面分布圖像上都使用圖像強(qiáng)度光標(biāo)。當(dāng)移動某一個光標(biāo)時，另一個光標(biāo)也隨之移動。電鏡圖像上的光標(biāo)指示出當(dāng)前光標(biāo)所在位置的橫、縱坐標(biāo)及灰度值；面分布圖像上的光標(biāo)指示出當(dāng)前光標(biāo)所在位置的某一元素的計數(shù)值。
(4)將某一面分布圖像疊加在電鏡圖像上顯示：單擊面分布圖像上的元素標(biāo)簽，即可疊加/不疊加顯示該面分布圖像。
?實(shí)驗(yàn)完成后，將所需的掃描圖像保存。??
五、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論?
分別對ZnO壓敏斷面進(jìn)行點(diǎn)分析，線分析，面分析。?首先截取所選的分析圖樣，如下圖所示?
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（1）點(diǎn)分析?
首先對樣品進(jìn)行全譜分析：從圖中可以讀取到該樣品中含有Zn、O等元素，其中Zn的含量最高，其它依次是O及其他元素。對應(yīng)誤差從表格中讀取
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實(shí)驗(yàn)中我們選取了如圖3個點(diǎn)進(jìn)行點(diǎn)分析，如下圖所示?
（其中，圖像名稱為ZnO（1），加速電壓為20kV，放大倍數(shù)為2000）??
以下具體列出了3個點(diǎn)分析：
?從此圖可以看出選取的點(diǎn)1附近富含Zn元素，同時含有少量O和C元素。說明在大晶粒中ZnO占主要成分，即ZnO富集區(qū)，而其它摻雜含量很少。
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從此圖可以看出選取的點(diǎn)2附近富含Sb元素，同時含有少量C、O、Zn、Bi、Mn、Co、Ni等元素。說明在晶界區(qū)域摻雜的雜質(zhì)占主要成分，即雜質(zhì)富集區(qū)，而主項(xiàng)含量很少。
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從此圖可以看出選取的點(diǎn)3附近富含Zn、Bi元素，同時含有少量O、Zn等元素。說明在小晶粒中Bi已經(jīng)摻雜進(jìn)入主晶相，同時一些其他雜質(zhì)也已經(jīng)摻入其中。?下面給出了點(diǎn)1、2、3處各元素含量比和誤差：
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（2）對樣品進(jìn)行線分析
Accelerating?Voltage:?20.0?kV??
Magnification:?5000?
注：加速電壓20kV，放大倍數(shù)為5000。
? ? ? ?如圖所示，我們選取經(jīng)過大晶粒、晶界、和小晶粒的一條線段進(jìn)行線分析。通過結(jié)合上下兩個圖分析，可以得到如下結(jié)論：
（1）該ZnO陶瓷主要的元素為Zn，并且其富集區(qū)在大晶粒中，其次是小晶粒中，晶界中含量最少；（2）摻入的Sb元素主要富集在小晶粒中，且比較均勻，說明摻雜效果較好；（3）晶界處富集較多的Bi；（4）元素Mn含量很少而且比較均勻。這也驗(yàn)證了前面點(diǎn)分析的正確性。?
（3）對樣品進(jìn)行面分析?
選取如下圖所示的樣品區(qū)域及其灰度圖，工作時加速電壓為15kV，放大倍數(shù)為2000?
以下為所研究的元素在樣品中的分布（用不同標(biāo)志和顏色區(qū)分）
Data?Type:?Counts????Mag:?5000????Acc.?Voltage:?20?kV
結(jié)合面分析中各元素的含量分布，并與所選圖各區(qū)域?qū)Ρ?，可得出如下結(jié)論：（1）Zn元素含量最多，其次是氧，這也驗(yàn)證了其ZnO為主要成分，但在一些晶界上明顯含量較少；（2）Co、Mn元素含量最少，應(yīng)該是少量的摻雜，且三者的分布較為均勻，但是在小晶粒和晶界中含量較多；（3）Sb元素含量較少，但在小晶粒中含量較多；（4）Bi元素含量較少，但是在晶界中分布較多。這與前面點(diǎn)分析和線分析相吻合。?
? ? 根據(jù)晶體生長理論及固體物理知識，以上的現(xiàn)象可以解釋為：主要成分ZnO晶粒的生長所需能量較少，因此形成的晶粒較大；而重金屬元素如Sb在小晶粒中取代Zn的位置，使得晶粒在生長時需要較多的能量，因此晶粒的尺寸相對較小；而晶界處常常是空位，畸變和位錯的富集區(qū)，因此一些元素如Bi常常在晶界處富集。
