EDS元素分析

EDS元素分析
EDS元素分析
⼀、实验⽬的
1.了解能谱仪（EDS）的结构和⼯作原理。

2.掌握能谱仪（EDS）的分析⽅法、特点及应⽤。

⼆、实验原理
在现代的扫描电镜和透射电镜中，能谱仪（EDS）是⼀个重要的附件，它同主机共⽤⼀套光学系统，可对材料中感兴趣部位的化学成分进⾏点分析、⾯分析、线分析。

它的主要优点有：（1）分析速度快，效率⾼，能同时对原⼦序数在11—92之间的所有元素（甚⾄C、N、O等超轻元素）进⾏快速定性、定量分析；（2）稳定性好，重复性好；（3）能⽤于粗糙表⾯的成分分析（断⼝等）；（4）能对材料中的成分偏析进⾏测量，等等。

（⼀）EDS的⼯作原理
探头接受特征X射线信号→把特征X射线光信号转变成具有不同⾼度的电脉冲信号→放⼤器放⼤信号→多道脉冲分析器把代表不同能量（波长）X射线的脉冲信号按⾼度编⼊不同频道→在荧光屏上显⽰谱线→利⽤计算机进⾏定性和定量计算。

（⼆）EDS的结构
1、探测头：把X射线光⼦信号转换成电脉冲信号，脉冲⾼度与X射线光⼦的能量成正⽐。

2、放⼤器：放⼤电脉冲信号。

3、多道脉冲⾼度分析器：把脉冲按⾼度不同编⼊不同频道，也就是说，把不同的特征X射线按能量不同进⾏区分。

4、信号处理和显⽰系统：鉴别谱、定性、定量计算；记录分析结果。

（三）EDS的分析技术
1、定性分析：EDS的谱图中谱峰代表样品中存在的元素。

定性分析是分析未知样品的第⼀步，即鉴别所含的元素。

如果不能正确地鉴别元素的种类，最后定量分析的精度就毫⽆意义。

通常能够可靠地鉴别出⼀个样品的主要成分，但对于确定次要或微量元素，只有认真地处理谱线⼲扰、失真和每个元素的谱线系等问题，才能做到准确⽆误。

定性分析⼜分为⾃动定性分析和⼿动定性分析，其中⾃动定性分析是根据能量位置来确定峰位，直接单击“操作/定性分析”按钮，即可在谱的每个峰位置显⽰出相应的元素符号。

⾃动定性分析识别速度快，但由于谱峰重叠⼲扰严重，会产⽣⼀定的误差。

2、定量分析：定量分析是通过X射线强度来获取组成样品材料的各种元素的浓度。

根据实际情况，⼈们寻求并提出了测量未知样品和标样的强度⽐⽅法，再把强度⽐经过定量修正换算成浓度⽐。

最⼴泛使⽤的⼀种定量修正技术是ZAF修正。

3、元素的⾯分布分析：在多数情况下是将电⼦束只打到试样的某⼀点上，得到这⼀点的X 射线谱和成分含量，称为点分析⽅法。

在近代的新型SEM中，⼤多可以获得样品某⼀区域的不同成分分布状态，即：⽤扫描观察装置，使电⼦束在试样上做⼆维扫描，测量其特征X
射线的强度，使与这个强度对应的亮度变化与扫描信号同步在阴极射线管CRT上显⽰出来，就得到特征X射线强度的⼆维分布的像。

这种分析⽅法称为元素的⾯分布分析⽅法，它是⼀种测量元素⼆维分布⾮常⽅便的⽅法。

三、实验设备和材料
1、实验设备：NORAN System SIX
2、实验材料：ZnO压敏断⾯
四、实验内容与步骤
（⼀）点分析
该模式允许在电镜图像上采集多个⾃定义区域的能谱。

1 、采集参数设置
由该模式的⽬的可知，其采集参数设置包括电镜图像采集参数设置和能谱采集参数设置。

对其进⾏合理设置。

2 、采集过程
单击采集⼯具栏中的采集开始按钮，采集⼀幅电镜图像。

可以⽴即采集独⽴区的能谱，也可以批量采集多区域的能谱。

⽴即采集独⽴区域的能谱
（1）单击点扫⼯具栏中的⽴即采集按钮，使其处于被按下的状态。

(2)选择⼀种区域形状。

(3)在电镜图像上指定区域位置。

(4)等待采集完成。

(5)如想增加⼀个新区域，单击指定⼀个新的区域位置。

批量采集多区域的能谱
(1)单击点扫⼯具栏中的⽴即采集按钮，使其处于抬起的状态。

(2)单击点扫⼯具栏中的批量采集按钮，使其处于被按下的状态。

(3)选择⼀种区域形状。

(4)在电镜图像上指定区域位置。

(5)重复第（3）、（4 ）步，指定多个区域。

(6)单击采集⼯具栏中的按钮，系统将采集每⼀个区域的谱图。

3 、查看信息
(1)单击点扫⼯具栏中的重新查看按钮。

(2)在电镜图像上单击想要查看信息的区域。

全谱分析模式分析
该模式可以对所采电镜图像的每⼀个像素点采集⼀组经过死时间修正的能谱数据。

⼀旦采集并存储后，就可以在脱离电镜⽀持的条件下，⽣成能谱进⾏定性、定量分析，⽣成⾯分布图像、⽣成线扫描图像、输出报告等。

1、采集参数设置
该模式下的采集参数设置分为以下两部分：
（1）电镜图像采集参数设置
该部分参考Averaged Acquisition 平均采集参数设置。

（2）⾯分布图像采集参数设置
单击采集⼯具栏中的采集参数设置按钮，打开采集参数设置对话框，进⾏设置。

2 、采集过程
单击采集⼯具栏中的采集按钮，进⾏电镜图像的采集和⾯分布采集。

3 、提取所需信息
(1)在提取⼯具栏中选择⼀种提取⼯具，在电镜图像上确定提取区域，即可获得提取信息。

(2)对于Spot 圆圈和Linescan 线提取⽅式，可以进⾏参数设置。

⽅法是：在电镜图像上右击⿏标，在弹出的对话框中选中Image Extract 图像提取选项卡。

在这⾥可以设置圆圈半径、线宽度及线上的取样点数。

（⼆）线扫描
（1）在线扫描图像上右击⿏标，在弹出的对话框中，可以改变标题名称、改变背景⾊、选择线扫描线的显⽰⽅式、是否显⽰光标、是否显⽰栅格、是否使⽤粗线条等。

（2）如想去除某个元素的线扫描，在元素周期表中右击该元素后选择Inactive。

（3）在电镜图像和线扫描图像上都使⽤图像强度光标。

当移动某⼀个光标时，另⼀个光标也随之移动。

电镜图像上的光标指
⽰出当前光标所在位置的横、纵坐标及灰度值；线扫描图像上的光标指⽰出当前光标所在位置的某⼀元素的计数值。

（4）将某⼀元素的线扫描图像叠加在电镜图像上显⽰：单击线扫描图像下的该元素标签，即可叠加/不叠加显⽰该元素的线扫描图像。

叠加属性可按如下⽅式修改：
单击菜单“EditProperties”，并选择Linescan Overlay 选项卡，如下图所⽰。

（三）⾯分布
(1)在⾯分布图像上右击⿏标，在弹出的对话框中，可以改变光标颜⾊、是否显⽰光标、是否叠加于电镜图像上，改变⾯分布颜⾊、⾯分布对⽐度亮度等。

(2)如想去除某个元素的⾯分布，在元素周期表中右击该元素后选择Inactive。

(3)在电镜图像和⾯分布图像上都使⽤图像强度光标。

当移动某⼀个光标时，另⼀个光标也随之移动。

电镜图像上的光标指⽰出当前光标所在位置的横、纵坐标及灰度值；⾯分布图像上的光标指⽰出当前光标所在位置的某⼀元素的计数值。

(4)将某⼀⾯分布图像叠加在电镜图像上显⽰：单击⾯分布图像上的元素标签，即可叠加/不叠加显⽰该⾯分布图像。

实验完成后，将所需的扫描图像保存。

五、实验结果及讨论
分别对ZnO压敏断⾯进⾏点分析，线分析，⾯分析。

⾸先截取所选的分析图样，如下图所⽰
（1）点分析
⾸先对样品进⾏全谱分析：从图中可以读取到该样品中含有Zn、O等元素，其中Zn 的含量最⾼，其它依次是O及其他元素。

对应误差从表格中读取
Live Time: 50.0 sec.
Detector: Pioneer
Quantitative Results Base
Element Line
Weight % Weight % Error Atom % Atom % Error O K 4.88 +/- 0.26 18.08 +/- 0.98 Al K 0.99 +/- 0.16 2.17 +/- 0.35 Zn K 83.97 +/-1.55 76.10 +/- 1.41 Sb L 3.80 +/- 0.23 1.85 +/- 0.11 Bi L 6.37 +/- 2.69 1.81 +/- 0.76 Total
100.00
100.00
实验中我们选取了如图3个点进⾏点分析，如下图所⽰
（其中，图像名称为ZnO （1），加速电压为20kV ，放⼤倍数为2000）
以下具体列出了3个点分析：
从此图可以看出选取的点1附近富含Zn 元素，同时含有少量O 和C 元素。

说明在⼤晶粒中ZnO 占主要成分，即ZnO 富集区，⽽其它掺杂含量很少。

Image Name: Base(1)
Accelerating V oltage: 20.0 kV
Magnification: 2000
从此图可以看出选取的点2附近富含Sb元素，同时含有少量C、O、Zn、Bi、Mn、Co、Ni 等元素。

说明在晶界区域掺杂的杂质占主要成分，即杂质富集区，⽽主项含量很少。

从此图可以看出选取的点3附近富含Zn、Bi元素，同时含有少量O、Zn等元素。

说明在⼩晶粒中Bi已经掺杂进⼊主晶相，同时⼀些其他杂质也已经掺⼊其中。

下⾯给出了点1、2、3处各元素含量⽐和误差：
O-K Mn-K Co-K Ni-K Zn-K Sb-L Bi-L Base(1)_pt1 5.46 94.54
Base(1)_pt2 11.54 2.09 2.27 2.62 56.79 24.68
Base(1)_pt3 1.55 26.60 71.85
O-K Mn-K Co-K Ni-K Zn-K Sb-L Bi-L Base(1)_pt1 +/-0.30 +/-1.58
Base(1)_pt2 +/-0.37 +/-0.18 +/-0.21 +/-0.41 +/-1.28 +/-0.38
Base(1)_pt3 +/-0.16 +/-0.97 +/-5.66
O-K Mn-K Co-K Ni-K Zn-K Sb-L Bi-L Base(1)_pt1 19.09 80.91
Base(1)_pt2 37.69 1.99 2.02 2.33 45.39 10.59
Base(1)_pt3 11.41 48.02 40.57
O-K Mn-K Co-K Ni-K Zn-K Sb-L Bi-L Base(1)_pt1 +/-1.04 +/-1.35
Base(1)_pt2 +/-1.21 +/-0.17 +/-0.19 +/-0.37 +/-1.02 +/-0.16
Base(1)_pt3 +/-1.21 +/-1.76 +/-3.20 （2）对样品进⾏线分析
注：加速电压20kV，放⼤倍数为5000。

Accelerating V oltage: 20.0 kV Magnification: 5000
如图所⽰，我们选取经过⼤晶粒、晶界、和⼩晶粒的⼀条线段进⾏线分析。

通过结合上下两个图分析，可以得到如下结论：（1）该ZnO陶瓷主要的元素为Zn，并且其富集区在⼤晶粒中，其次是⼩晶粒中，晶界中含量最少；（2）掺⼊的Sb元素主要富集在⼩晶粒中，且⽐较均匀，说明掺杂效果较好；（3）晶界处富集较多的Bi；（4）元素Mn含量很少⽽且⽐较均匀。

这也验证了前⾯点分析的正确性。

（3）对样品进⾏⾯分析
选取如下图所⽰的样品区域及其灰度图，⼯作时加速电压为15kV，放⼤倍数为2000
以下为所研究的元素在样品中的分布（⽤不同标志和颜⾊区分）
Data Type: Counts Mag: 5000 Acc. Voltage: 20 kV
结合⾯分析中各元素的含量分布，并与所选图各区域对⽐，可得出如下结论：（1）Zn 元素含量最多，其次是氧，这也验证了其ZnO为主要成分，但在⼀些晶界上明显含量较少；（2）Co、Mn元素含量最少，应该是少量的掺杂，且三者的分布较为均匀，但是在⼩晶粒和晶界中含量较多；（3）Sb元素含量较少，但在⼩晶粒中含量较多；（4）Bi元素含量较少，但是在晶界中分布较多。

这与前⾯点分析和线分析相吻合。

根据晶体⽣长理论及固体物理知识，以上的现象可以解释为：主要成分ZnO晶粒的⽣长所需能量较少，因此形成的晶粒较⼤；⽽重⾦属元素如Sb在⼩晶粒中取代Zn的位置，使得晶粒在⽣长时需要较多的能量，因此晶粒的尺⼨相对较⼩；⽽晶界处常常是空位，畸变和位错的富集区，因此⼀些元素如Bi常常在晶界处富集。