04-X射线能谱显微成分分析
X射线能谱分析解读PPT课件
能量色散谱仪简称能谱仪，是利用特征X射线能量 不同来展谱而进行成分分析的仪器。
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9 X射线能谱分析
9.1能谱仪的主要组成部分
由探针器、前置放大器、脉冲信号处理单元、模数 转换器、多道分析器、微型计算机及显示记录系统组 成，是一套较为复杂的电子仪器。组成结构见图2-93。
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9 X射线能谱分析
9.2能谱仪的工作原理
空间分辨率和精度。
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9 X射线能谱分析
9.4 分析方法及其应用
（2）计数率和计数时间
在分析时，每一次强度测量要有足够的累计计数N。 这不仅可提高测量精度，同时要使每个谱峰从统计角 度来看都是显然可见的。一般N需大于105 ，对中等 浓度元素计数率约为103～104cps。计数时间为 10～100s。对于能谱仪，计数率过高有增加能谱失 真的趋势，要使能谱系统在最佳分辨率情况下工作， 计数率一般保持在2000cps以下，如总计数率不够， 可适当增加计数时间。计数率cps主要决定于试样状 况和束流大小。对于一定的试样，可通过调节束流大 小来控制计数率。但必须注意，束流过大不仅导致样 品的污染，同时也导致镜筒的污染，使图像分辨率下 降。
由试样出射的具有各种能量的X光子相继经Be窗 射入Si（Li）内，在Ι区产生电子一空穴对。每产生 一对电子一空穴对，要消耗掉X光子3.8eV能量，因 此每一个能量为E的入射光子产生的电子一空穴对数 目N= E／3.8。
加在Si（Li）上的偏压将电子一空穴对收集起来， 每入射一个X光子，探测器输出一个微小的电荷脉 冲，其高度正比于入射的X光子能量E、电荷脉冲经 前置放大器、信号处理单元和模数转换器处理后以 时钟脉冲形式进入多道分析器。
X射线光电子能谱分析法
X射线光电子能谱分析法X射线光电子能谱分析法（X-ray photoelectron spectroscopy，XPS）是一种非常重要的表面分析技术，广泛应用于材料科学、化学、表面物理、生物技术和环境科学等领域。
本文将对X射线光电子能谱分析法进行详细介绍，包括基本原理、仪器分析系统和应用领域。
一、基本原理X射线光电子能谱分析法是利用X射线照射固体表面，使其产生光电子信号，并通过测量光电子的动能和数量，来确定样品表面的化学成分及其状态。
其主要基于光电效应（photoelectric effect）和X射线物理过程。
光电效应是指当光子入射到固体物质表面的时候，会将表面电子激发到导带或导带以上的能级上，并逃离固体形成受激电子。
这些逃逸的电子称为光电子，其动能与入射光子的能量有关。
X射线物理过程主要包括光子的透射、散射和与原子内电子的相互作用等。
当X射线入射到固体表面时，会发生漫反射和荧光特性，造成信号的背景噪声。
同时，X射线的能量足够高，可以与样品的内层电子发生作用，如光电子相对能谱（Photoelectron RELative Energies）和化学平移分量（Chemical Shift）等。
二、仪器分析系统X射线光电子能谱分析系统包括光源、样品室、分析仪和检测器等。
光源常用的是具有较窄X射线能谱线宽的准单色X射线源，如AlKα线或MgKα线。
样品室的真空度一般要达到10^-8Pa左右，以避免空气对样品的干扰。
分析仪是用于测量光电子动能和数量的关键部件，常见的配备有放大器、电子能谱仪和角度分辨收集器等。
放大器将来自检测器的信号放大，并进行滤波处理以滤除高频噪声。
电子能谱仪是用于测量光电子动能的装置，一般包括一个径向入射、自由运动的光电子束和一个动能分析系统。
角度分辨收集器则用于测量光电子的角度分布。
检测器用于测量光电子的数量，常见的有多种类型的二极管（如能量分辨二极管和多道分析器）和面向瞬态X射线源的时间分辨仪器。
X射线光电子能谱分析
X射线光电子能谱分析X射线光电子能谱分析（X-ray photoelectron spectroscopy，简称XPS）是一种用来表征材料表面元素化学状态和电子能级分布的表征技术。
它利用X射线照射材料表面，测量和分析材料表面光电子的能谱，通过分析能谱图可以得到有关材料的化学组成、表面化学键的种类和键长、元素的电子与核心电子之间的相互作用等信息。
本文将对X射线光电子能谱分析技术的原理、仪器设备及应用领域进行详细介绍。
X射线光电子能谱分析的原理可以用以下几个步骤来概括：首先，用X射线照射材料表面，激发材料表面的原子和分子。
然后，从激发的原子和分子中发射出光电子。
这些光电子的能量与产生它们的原子或分子的能级差有关。
最后，测量和分析这些光电子的能谱，从而得到材料表面的化学组成和电子能级分布信息。
为了进行X射线光电子能谱分析，需要使用专门的仪器设备，包括X射线源、能量分辨光电子能谱仪和电子能谱仪。
X射线源通常使用非常亮的单晶或多晶X射线管。
光电子能谱仪用来测量光电子的能谱，并将所获得的信号转化为能谱图。
电子能谱仪则用来检测、放大和记录电子能谱图。
X射线光电子能谱分析可以在多个领域应用，具有广泛的研究意义和实际应用价值。
在材料科学领域，它可以用来表征材料表面的成分和化学状态，研究材料的性质和行为；在表面科学领域，它可以研究表面的形貌和变化，探索表面的特性和反应；在催化剂和材料化学领域，它可以分析催化剂的表面状态和反应过程；在电子器件和光学器件领域，它可以研究界面和界面化学反应的机理等。
总结起来，X射线光电子能谱分析是一种非常重要的表征技术，可以提供关于材料表面的成分、化学状态和电子能级分布等信息。
通过XPS技术，可以探索材料的性质、表面的形貌以及材料的化学反应机理等，对于材料科学、表面科学、催化剂和电子光学器件等领域的研究和应用具有重要意义。
X射线能谱分析
X射线能谱分析简介导言：早在二十世纪年代中期就开始了X射线能谱分析课题的研究。
例如，Parrish和Kohler(1956)曾指出用分解正比计数器脉冲高度谱的方法进行X射线能量分析的可能性。
后来Dolby（1959、1960）发展了这种方法并且获得了Be、C、O等超轻元素的扫描X射线图像。
同年，Duncumb提出一种用纯元素的标准谱拟合实际谱进行分析的方法。
而Birks等人用正比计数器和一台400道多道分析器配合，在电子探针中首次进行了能谱分析。
到了1968年，Fitzgerald、Keil和Heinrich等人开始把锂漂移硅探测器用到了电子探针中。
由于锂漂移硅探测器有一些独到的优点，得到了有关专家的广泛重视。
在1963年和1970年，美国材料试验学会先后两次就能谱分析技术进行了专门的讨论，促进了能谱技术的发展。
例如，在1966年，锂漂移硅探测器的能量分辨率还只能达到约800eV，但是到了1970年，就迅速提高到约150eV。
探测器分辨率的提高，反过来促进了能谱分析方法及其相关技术的迅速发展。
目前，能谱分析系统已成为电子探针和扫描电镜/透射电镜微区分析的一项标准设备，同时与其相关的波谱分析、电子被散射衍射等有机结合，愈来愈成为微区分析中不可或缺的分析手段。
锂漂移硅探测器简述：能谱分析系统的心脏是一只硅晶体二极管，它是由一块p型硅晶片经锂（向硅中）扩散和飘移后制成的，因此称为锂漂移硅探测器（Lithium Drifted Silicon Detector）,通常缩写为Si(Li)探测器。
我们知道硅是一种典型的半导体材料。
硅晶体的结晶结构与金刚石结构相同，即为面心立方体结构，每个晶胞含有两个硅原子，每个硅原子有四个价电子（两个3s电子，两个3p电子）。
在晶体中，每个原子与相邻四个原子构成四条共价键。
根据能带理论，四个价电子形成四个能带，由于每个格点上有8个价电子，因此，如果格点数为N，则四个能带上将填满8N个电子，这种能带称为满带。
X射线能谱（EDS）分析
五、定量分析中需注意的问题
试样对X射线的吸收
（1）从理论上对k 因子进行修正 （2）利用外插法将实验中获得的不同厚度区 域的测定值外推到很薄的情况，求出理想的 k 因子
统计误差
分析含有的微量元素时，需进行长时间测量， 以获得足够的X射线强度，减小误差 标准偏差=N1/2 误差=(N1/2/N)100=N-1/2 100(%)
化学分析方法 原子吸收、ICP分析等 X-射线荧光分析 俄歇电子能谱（AES） X-射线光电子能谱（XPS） EDS
一、特征X射线的产生
入射电子使原子中内层电子激发，外层电子补入内 层产生X射线，外层L层电子补入内层K层—K, 外层 M层电子补入内层K层—K 随原子序数的增加，X射线产生的几率增大——对重 元素的分析特别有效来自 多道脉冲高度分析器：
X射线能量不同，其电脉冲幅值不同，将 不同幅值的电压脉冲按能量大小分类并 统计，并输出给计算机
三、EDS的分析技术
X射线光电子能谱分析ppt
02
x射线光电子能谱分析实验技术
样品的制备和处理技术
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固体样品研磨
将固体样品研磨成粉末，以提高X射线的透射性 和激发效率。
液体样品处理
对于液体样品，需要进行蒸发、干燥等处理， 以便在实验过程中保持稳定的样品形态。
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气体样品控制
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细胞和组织成像
利用X射线光电子能谱分析可以研究细胞和组织的结构和功能 ，如细胞膜的通透性和细胞骨架的分布等。同时也可以测定 细胞内自由基的分布和数量，为抗氧化剂药物的设计提供依 据。
05
x射线光电子能谱分析的挑战和前景
实验技术的局限性
01
样品制备难度大
02
信号衰减问题
需要选择合适的样品制备方法，以减 少表面吸附物和污染物的干扰。
2023
x射线光电子能谱分析ppt
目录
• 引言 • x射线光电子能谱分析实验技术 • x射线光电子能谱分析在材料科学中的应用 • x射线光电子能谱分析在生物学中的应用 • x射线光电子能谱分析的挑战和前景 • 参考文献 • 结论
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引言
x射线光电子能谱简介
x射线光电子能谱技术（XPS）是一种表面分析技术，用于测 量样品表面的元素组成和化学状态。
04
x射线光电子能谱分析在生物学中的 应用
在生物大分子结构研究中的应用
确定生物大分子中的元素组成
通过X射线光电子能谱分析，可以测定生物大分子中的元素组成，如蛋白质 、核酸和多糖等。
研究生物大分子结构
利用X射线光电子能谱分析可以研究生物大分子的结构，如蛋白质的三维构象 和核酸的二级结构等。
X射线光电子能谱分析分析
一、X射线光电子能谱的测量原理X射线光电子能谱（X-ray photoelectron Spectroscopy，简称XPS）也就是化学分析用电子能谱（Electron Spectroscopy for Chemical Analysis，简称ESCA），它是目前最广泛应用的表面分析方法之一，主要用于成分和化学态的分析。
用单色的X射线照射样品，具有一定能量的入射光子同样品原子相互作用，光致电离产生了光电子，这些光电子从产生之处输运到表面，然后克服逸出功而发射，这就是X射线光电子发射的三步过程。
用能量分析器分析光电子的动能，得到的就是x射线光电子能谱。
根据测得的光电子动能可以确定表面存在什么元素以及该元素原子所处的化学状态，这就是x射线光电子谱的定性分析。
根据具有某种能量的光电子数量，便可知道某种元素在表面的含量，这就是x射线光电子谱的定量分析。
为什么得到的是表面信息呢？这是因为：光电子发射过程的后两步，与俄歇电子从产生处输运到表面然后克服逸出功而发射出去的过程是完全一样的，只有深度极浅范围内产生的光电子，才能够能量无损地输运到表面，用来进行分析的光电子能量范围与俄歇电子能量范围大致相同。
所以和俄歇谱一样，从X射线光电子谱得到的也是表面的信息，信息深度与俄歇谱相同。
如果用离子束溅射剥蚀表面，用X射线光电子谱进行分析，两者交替进行，还可得到元素及其化学状态的深度分布，这就是深度剖面分析。
X射线电子能谱仪、俄歇谱仪和二次离子谱仪是三种最重要的表面成分分析仪器。
X射线光电子能谱仪的最大特色是可以获得丰富的化学信息，三者相比，它对样品的损伤是最轻微的，定量也是最好的。
它的缺点是由于X射线不易聚焦，因而照射面积大，不适于微区分析。
不过近年来这方面已取得一定进展，分析者已可用约100 μm直径的小面积进行分析。
最近英国VG公司制成可成像的X射线光电子谱仪，称为“ESCASCOPE”，除了可以得到ES-CA谱外，还可得到ESCA像，其空间分辨率可达到10μm，被认为是表面分析技术的一项重要突破。
X射线能谱
第4章 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1αK 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1αK ，2αK 等记号来表示特征X 射线的种类。
1α和2α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1αK 和2αK 等的能量相差很小而分不开时，可写成2,1αK 或者简单写成αK 。
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)。
04-电子显微分析-SEM和EPMA(2-EPMA)
常用的分光晶体
≤2d
2、波谱图
kα
4 3
1 R（Z -）2
横坐标代表波长 纵坐标代表强度
4 3
1
R（Z -）2
合金钢(0.62Si，1.11Mn，0.96Cr，0.56Ni， 0.26V，0.24Cu)定点定向分析的波谱图
9
3、波谱仪进行元素分析的特点
分析速度慢
单个元素测量，做全分析时间较长。
I－E图谱
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2、能谱图
NaCl的扫描形貌像 及其定点能量色散谱
hv = △E2 - △E2
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纳米线上微区成分分析
三、能谱仪元素分析的特点
分析速度快： 元素分析时能谱是同时测量所有元素 X射线收集效率高，有利于粗糙表面(2-3mm)成分分析
能谱探头紧靠试样，使X 射线收集效率提高。
适于粗糙表面成分分析：样品的位置可起伏2-3mm 进行低倍扫描成像，大视域的元素分布图。 分析元素范围：11Na-92U 分辨率低：150eV 峰背比小
面扫描、定量分析
2
电子探针镜结构与SEM结构区别
EPMA的构造与SEM大体相似，只是增加了接收记录X 射线的附件：X射线谱仪
常用的X射线谱仪有两种： 波谱仪 能谱仪 WDS EDS
波谱仪：利用特征X射线波长不同来展谱 能谱仪：利用特征X射线能量不同来展谱
波谱
能谱
一、波谱仪
1、主结构及工作原理
谱峰宽、易重叠、背底扣除困难、数据处理复杂。
工作条件：探测器须在液氮温度下使用，维护费用高。
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能谱和波谱主要性能的比较
比较内容 元素分析范围 定量分析速度 分辨率 检测极限 定量分析准确度 X射线收集效率 峰背比
X射线光电子能谱分析方法及原理
X射线光电子能谱分析方法及原理X射线光电子能谱分析方法及原理(XPS)，是一种表面分析技术，也被称为电子能谱电子分析(ESCA)。
它是利用光电效应原理，通过测量物质表面的电子能谱，来研究物质的化学成分和性质。
该方法广泛应用于材料科学、表界面科学、固体表面物理、化学和生物科学等领域。
XPS方法的基本原理是：将样品暴露在高真空条件下，用X射线激发样品表面的电子，测量被激发的电子的能量和强度分布，从而获得样品表面的电子能谱。
X射线能量通常在1-2keV范围内，这使得只有表面层的电子被激发出来，从而实现对表面层的分析。
通过测量不同材料或不同样品位置的电子能谱，可以得到物质的化学成分以及化学键，原子的价态和表面状态等相关信息。
XPS技术的核心设备是X射线源、光电子能谱仪和数据分析装置。
X射线源通常采用镁、铝或不锈钢等作为材料，并通过电子轰击产生恒定的X射线。
光电子能谱仪主要由光学系统、分析室、检测器和数据采集系统组成。
光学系统负责将X射线束聚焦并入射样品表面，使其发生光电效应；分析室通过光学镜片将发射的光电子分散，并通过电场聚焦和能量滤波器选择出特定能量范围的光电子；检测器通过电荷放大和信号处理将光电子信号转化为电信号，再通过数据采集系统进行记录和分析。
XPS方法的实验操作流程主要包括样品准备、真空抽取和射线照射、测量光电子能谱和数据分析。
样品准备过程包括清洗、磨光和放置在高真空环境中等步骤，以确保样品表面的纯净和平坦度。
真空抽取和射线照射是为了消除空气中的气体和杂质，并确保光电子能谱的准确测量。
测量光电子能谱时，可以通过调整X射线源的功率和选择不同的分析参数，来获得不同深度的电子能谱。
数据分析过程主要包括光电子峰的识别和拟合，以及数据的定量和定性分析。
XPS方法具有高灵敏度、高空间分辨率和广泛的表面化学信息获取能力等优点，因此被广泛应用于材料科学、表界面科学和生物医学科学等领域。
它不仅可以用来研究表面物理和化学过程，还可以用来研究各种材料的电子结构、化学键和表面功能化修饰等。
用X射线法进行成分分析和物相分析,其原理有何差异？
用X射线法进行成分分析和物相分析，其原理有何差异？X射线衍射，通过对材料进行X射线衍射，分析其衍射图谱，获得X射线是原子内层电子在高速运动电子的轰击下跃迁而产生的光辐射，主要有连续X射线和特征X射线两种。
晶体可被用作X光的光栅，这些很大数目的原子或离子/分子所产生的相干散射将会发生光的干涉作用，从而影响散射的X射线的强度增强或减弱。
由于大量原子散射波的叠加，互相干涉而产生最大强度的光束称为X射线的衍射线。
满足衍射条件，可应用布拉格公式：2dsinθ=nλ;应用已知波长的X射线来测量θ角，从而计算出晶面间距d，这是用于X射线结构分析；另一个是应用已知d的晶体来测量θ角，从而计算出特征X射线的波长，进而可在已有资料查出试样中所含的元素，可用于材料的成分、材料内部原子或分子的结构或形态等信息的研究手段。
用X射线法进行成分分析和物相分析，原理的差异：用X射线法进行成分分析的原理是采用特征波长展谱，通过已知晶格间距的晶体对样品发出的特征波长X射线进行衍射，从而测量特征波长，对样品元素成分进行定性。
用X射线法进行物相分析的原理则相反，是通过已经波长的固定X射线束来轰击样品，样品晶格对X射线的衍射谱来获得晶格间距从而对物相进行鉴定。
物相分析是 X射线衍射在金属中用得最多的方面，分定性分析和定量分析。
前者把对材料测得的点阵平面间距及衍射强度与标准物相的衍射数据相比较，确定材料中存在的物相；后者则根据衍射花样的强度，确定材料中各相的含量。
在研究性能和各相含量的关系和检查材料的成分配比及随后的处理规程是否合理等方面都得到广泛应用。
通常将粉末法得出的面网间距d和相对强度的数据，与已知的标准物相的数据进行对比，也可直接对比粉末图，从而作出分析、鉴别。
这种方法的特点是：①能够分析、鉴别结晶物质的物相，但一般不能分析、鉴别非晶质；对于个别晶体结构类型相同且晶胞大小又很接近者，则区别较难；②能直接分析鉴定出为何种结晶物质（即物相），并能区别同质多像变体，但不能分析出所含的元素。
X射线能谱
X射线能谱第4章 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1αK 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1αK ，2αK 等记号来表示特征X 射线的种类。
1α和2α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1αK 和2αK 等的能量相差很小而分不开时，可写成2,1αK 或者简单写成αK 。
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)。
04-X射线能谱显微成分分析
04-X射线能谱显微成分分析实验四. X射线能谱显微成分分析学时：2 要求：必做类型：演⽰类别：专业基础⼀、实验⽬的通过演⽰实验，使学⽣了解X射线能谱仪（简称能谱仪，英⽂为：Energy Dispersive Spectrometer，缩写为EDS）的构造、⼯作原理、分析⽅法和应⽤。
⼆、实验原理能谱仪利⽤电⼦束与样品作⽤，在⼀个有限深度和侧向扩展的微区体积内，激发产⽣X 射线讯号，它们的波长（或能量）和强度将是表征该微区内所含元素及浓度的重要信息。
能谱仪所能分析的元素可从4Be到92U，但原⼦序数低于12的轻元素或超轻元素的测定，需要某些特殊的条件和技术。
微区成分的定量分析，即把某元素的特征X射线强度换算成百分浓度。
能谱仪⼯作的基本原理为：由试样出射的具有各种能量的X光⼦，相继经Be窗射⼊Si(Li)内，在1区产⽣电⼦空⽳对.每产⽣⼀对电⼦空⽳对，要消耗掉X光⼦3.8eV能量。
因此每⼀个能量为E的⼊射光⼦产⽣的电⼦-空⽳对数⽬N=E/3.8，⼊射X光⼦的能量越⾼，N就越⼤。
利⽤加在晶体两端的偏压收集电⼦空⽳对，经前置放⼤转换成电流脉冲，电流脉冲的⾼度取决于N的⼤⼩，电流脉冲经主放⼤器转换成电压脉冲进⼊多道脉冲⾼度分析器。
脉冲⾼度分析器按⾼度把脉冲分类并进⾏记数，这样就可以描出⼀张特征X射线按能量⼤⼩分布的图谱。
三、实验仪器设备及流程能谱仪的基本结构: 锂漂移硅Si(Li)探测器, 数字脉冲信号处理器, 模数转换器,多道分析器及计算机。
四、实验操作步骤1、试样准备：与SEM相同，然后放⼊SEM样品室中。
2、分析过程：打开SEM⾼压，调整SEM以观察样品的表⾯形貌，选择待分析的区域，增加SEM的电⼦束束斑到能谱仪具有⾜够的X射线的强度（⼤于500cps），调整SEM的焦距，观察到清晰的图像，然后进⾏选区或点，⽤能谱仪采集图谱，然后进⾏定性和定量分析，还可进⾏元素的线、⾯的成分分布分析。
五、数据处理能谱仪所能分析的元素可从4Be到92U,但原⼦序数低于12的轻元素或超轻元素的测定需要某些特殊的条件和技术,利⽤能谱仪进⾏微区成分的定量分析,即把元素成分经过⼀系列校正定量计算出来。
X射线能谱仪成分分析EDS机理
特点： 电感耦合等离子体发射光谱法适用范围广, 可 分析的元素较多( 70 多种元素) , 精密度好 (015%～2%RSD) , 动态线性范围好( 4～6个数量
级) , 可多元素同时分析, 分析速度较快。但电感
耦合等离子体发射光谱仪仪器成本较高, 有些元素 检出限有限, 未知和复杂基体的光谱干扰是该方法 最严重的限制。
二次离子质谱分析(SIMS)
利用质谱法分析初级离子 入射靶面后，溅射产生的 二次离子而获取材料表面 信息的一种方法。
特点： 1. 一种“软电离”技术，适于不挥发的热不稳定的有 机大分子; 2. 得到样品表层真实信息; 3. 分析全部元素（同位素）; 4. 实现微区面成分分析和深度剖析灵敏度很高，动态 范围很宽; 5. 样品成分复杂时识谱困难; 6. 易受基体效应影响; 7. 定量分析困难
a.离子散射谱(ISS):低能离子散射谱； b.Rutherford背散射谱(RBS):高能离子散射谱。
离子散射谱(ISS)分析
机理：用低能(0.2－2 keV) 的 惰性气体离子与固体相 互作用时，可发生弹性散射 和非弹性散射两种情况。选 择入射离子的能量，使之低 于某一数值后可以使其与表 面主要发生弹性散射。 通过对散射离子能量进行分 析就可以得到表面单层元素 组分及表面结构的信息。由 于信息来自最表层，因而ISS 成为研究表面及表面过程的 强有力的分析手段。
薄膜材料成分分析方法
到目前为止，对薄膜结构 和成分分析的研究方法已达一 百多种。但它们具有共同的特 征：利用一种探测束——如电 子束、 离子束、光子束、中性 粒子束等，从样品中发射或散 射粒子波，他们可以是电子、 离子、中性粒子、光子或声波， 检测这些粒子的能量、动量、 荷质比、束流强度等特性，或 波的频率、方向、强度、偏振 等情况，来分析材料化学组成、 原子结构、原子状态、电子状 态等方面的信息。
04-SEM扫描电子显微镜 材料研究方法
由于电子枪的效率不断提高， 使扫描电镜的样品室附近的 空间增大，可以装入更多的 探测器。因此，目前的扫描 电镜不只是分析形貌像，它 可以和其它分析仪器相组合， 使人们能在同一台仪器上进 行形貌、微区成分和晶体结 构等多种微观组织结构信息 的同步分析。
扫描系统
扫描系统是由扫描信号发生器、放大控制器和扫描线圈组 成的。它们提供电子束在试样表面与显像管内的阴极射线同步 描述信号，改变照明电子束的扫描振幅，即可获得不同的放大 倍数扫描像。
SEM装置图
扫描电镜是由 (1) 电子光学系统、 (2) 信号收集处理、 图像显示和记录系统、 (3) 真空系统 (4) 电源系统等几个 基本部分组成。
电子光学系统
电子枪是提供扫描电镜照明的高能电子束，通过聚光镜 可调节电子束的电流，以控制图像的亮度、反差和束斑直 径等；电子束经物镜后，可使电子束的直径处于最佳状态， 并使图像聚焦；物镜光阑的作用是减少物镜的球差，提高 分辨能力和改变景深。
样品的制备
扫描电镜研究的试样有导电体和非导体两类：导电性 良好的试样，只需对试样进行清洗，即可在扫描电镜 下进行观察；若试样是一个非导体，如无机材料制品 及非金属矿物原料等，则需要在试样表面蒸镀上一层 10nm左右厚可导电的金属膜(Au，Pt)，以保持图像有 较好质量。对于某些试样还要考虑在电镜试样室内的 真空条件下是否会产生脱水、变形等变化，以保证有 利于对观察到形貌的正确分析。
电磁透镜的加工精度、安装调整质量以及电子通路的污 染情况等，都会使电子光学系统的轴对称性受到损害产生 像散，严重地影响着仪器的分辨率。加入消像散器的目的 就是为了校正这一现象，使扫描电镜的分辨率得到提高。
试样室是安置试样的地方。通过一定机构，可使试样
在电子束的垂直平面内作纵横移 动，便于选取适当的 视场；还能使试样倾斜和旋转，便于选取适当的观察 方向。不同仪器的可变动范围有很大差别。还可在试 样室内装配加热装置、拉伸装置等其他附属机构，以 满足作不同特殊观察时的需要。试样室是在高度真空 的情况下进行工作的，因此还配备有抽真空的附加设 备。
X射线能谱仪工作原理及谱图解析1X射线能谱仪分析原理X射线能谱
X射线能谱仪工作原理及谱图解析1、X射线能谱仪分析原理X射线能谱仪作为扫描电镜的一个重要附件，可被看成是扫描电镜X射线信号检测器。
其主要对扫描电镜的微区成分进行定性、定量分析，可以分析元素周期表中从B-U的所有元素信息。
其原理为：扫描电镜电子枪发出的高能电子进入样品后，受到样品原子的非弹性散射，将能量传递给该原子。
该原子内壳层的电子被电离并脱离，内壳层上出现一个空位，原子处于不稳定的高能激发态。
在激发后的10-12s内原子便恢复到最低能量的基态。
在这个过程中，一系列外层电子向内壳层的空位跃迁，同时产生X射线，释放出多余的能量。
对任一原子而言，各个能级之间的能量差都是确定的，因此各种原子受激发而产生的X射线的能量也都是确定的（图1）。
X射线能谱仪收集X射线，并根据其能量对其记数、分类，从而对元素进行定性、定量分析。
图1. 粒子间相互作用产生特征X射线本所能谱仪型号为：BRUKER X-Flash 5010，有四种检测模式：点扫描，区域扫描，线扫描，面扫描。
2、能谱仪检测模式介绍及参数解读2.1 点扫描及区域扫描模式图2 X射线能谱仪点扫描（A）、选区扫描（B）报告点扫描与选区扫描主要用于对元素进行定性和定量分析，确定选定的点或区域范围内存在的所有元素种类，并对各种元素的相对含量进行计算。
能谱检测对倍数要求不高，不同倍数条件下检测结果差异不大，关键在于选取检测的部位。
一般选择较大的块体在5000倍以下检测，因为X射线出射深度较深，除金属或陶瓷等非常致密的材料外，一般的块体在20kV加速电压下，X射线出射深度2μm左右，且点扫描的范围也在直径2μm左右。
因此块体太小或倍数过大，都会造成背景严重，测量准确度下降。
此外，最好选择比较平整的区域检测，因为电子打在坑坑洼洼的样品表面，X射线出射深度差别较大，定量信息不够准确。
特别低洼的区域，几乎检测不到信号，或信号很弱，得到的结果也便不准确。
第三，电子束与轻元素相会作用区域较大，干扰更强，因此轻元素的定量比重元素更加不准确。
x射线能谱原理
X射线能谱是一种通过测量物质对X射线的吸收和散射来分析物质成分和结构的方法。
以下是X射线能谱的原理：
1、X射线产生：X射线通过X射线管产生，其中电子被加速并击中靶材，使靶材中的原子电子跃迁到高能级，然后从高能级返回低能级时会释放出X射线。
2、样品照射：产生的X射线经过滤波和聚焦后照射到待分析的样品上。
3、X射线与样品的相互作用：照射到样品上的X射线会与样品中的原子、分子发生相互作用。
吸收：X射线会被样品中的原子吸收，吸收程度取决于原子的吸收截面和X 射线的能量。
不同原子对不同能量的X射线有不同的吸收特性，因此可以通过测量吸收光谱来确定样品中的元素。
散射：一部分X射线会被样品中的原子散射，并且散射的角度和能量也与样品中的元素相关。
测量散射光谱可以提供关于样品中元素的信息。
4、探测器测量：在X射线与样品相互作用后，将产生的X射线以及散射的X射线通过探测器进行测量。
能量分辨：探测器可以测量X射线的能量，并且具有一定的能量分辨能力，能够区分不同能量的X射线。
记录能谱：探测器将测量到的X射线能谱转化为电信号，并通过信号处理系统将其转化为直方图或能谱图。
5、能谱分析：分析人员通过对测量到的能谱图进行解读和分析，利用特征能谱峰的位置和强度来确定样品中的元素和其相对含量。
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实验四. X射线能谱显微成分分析
学时：2 要求：必做类型：演示类别：专业基础
一、实验目的
通过演示实验，使学生了解X射线能谱仪（简称能谱仪，英文为：Energy Dispersive Spectrometer，缩写为EDS）的构造、工作原理、分析方法和应用。
二、实验原理
能谱仪利用电子束与样品作用，在一个有限深度和侧向扩展的微区体积内，激发产生X 射线讯号，它们的波长（或能量）和强度将是表征该微区内所含元素及浓度的重要信息。
能谱仪所能分析的元素可从4Be到92U，但原子序数低于12的轻元素或超轻元素的测定，需要某些特殊的条件和技术。
微区成分的定量分析，即把某元素的特征X射线强度换算成百分浓度。
能谱仪工作的基本原理为：
由试样出射的具有各种能量的X光子，相继经Be窗射入Si(Li)内，在1区产生电子空穴对.每产生一对电子空穴对，要消耗掉X光子3.8eV能量。
因此每一个能量为E的入射光子产生的电子-空穴对数目N=E/3.8，入射X光子的能量越高，N就越大。
利用加在晶体两端的偏压收集电子空穴对，经前置放大转换成电流脉冲，电流脉冲的高度取决于N的大小，电流脉冲经主放大器转换成电压脉冲进入多道脉冲高度分析器。
脉冲高度分析器按高度把脉冲分类并进行记数，这样就可以描出一张特征X射线按能量大小分布的图谱。
三、实验仪器设备及流程
能谱仪的基本结构: 锂漂移硅Si(Li)探测器, 数字脉冲信号处理器, 模数转换器,多道分析器及计算机。
四、实验操作步骤
1、试样准备：与SEM相同，然后放入SEM样品室中。
2、分析过程：打开SEM高压，调整SEM以观察样品的表面形貌，选择待分析的区域，
增加SEM的电子束束斑到能谱仪具有足够的X射线的强度（大于500cps），调整SEM的焦距，观察到清晰的图像，然后进行选区或点，用能谱仪采集图谱，然后进行定性和定量分析，还可进行元素的线、面的成分分布分析。
五、数据处理
能谱仪所能分析的元素可从4Be到92U,但原子序数低于12的轻元素或超轻元素的测定需要某些特殊的条件和技术,利用能谱仪进行微区成分的定量分析,即把元素成分经过一系列校正定量计算出来。
（1）化学成分分析
扫描电镜的能谱分析可以把样品的成分和形貌、乃至结构结合在一起进行分析。
既可对在较大范围区域内进行组分分析，也可对微小区域进行成分分析，最小分析区取决于X射线的空间分辨率（X射线在样品中的出射区域的大小）。
（2）元素的X射线面分布
对于不同元素在试样中的分布以及它们含量的百分浓度，可以通过采集X射线得到面分布图（X-Ray Mapping）。
（3）元素的X射线线分布
在面分布图上沿着指定的直线段提取出的X射线信号的强度分布曲线，称为X射线线扫描（X-Ray Linescan），可以获得感兴趣元素的X射线强度沿这条线的分布图。
Accelerating V oltage: 20 KeV Take Off Angle: 37.4694 Live Time: 55.42 seconds Dead Time: 2.813
图1. 能谱仪的定性及定量分析结果
(a) 渗浸Si 3N 4陶瓷层活塞环横断面扫描电镜二次电子像
(SEI)
(b) 图(a)中横线位置的镀Cr 层和金属基体中元素的线分布图
（c ） 镀Cr 层-金属基体中元素的面分布图（EDS ） 图2. 能谱仪与SEM 结合进行元素的线扫描、面扫描分布分析
镀Cr 层 金属基体
六、分析讨论题
1.能谱仪的构造有哪些部分？其基本工作原理是什么？
2.能谱仪具有哪些分析功能？
3.能谱仪进行定性分析的基本原理是什么？
（执笔人：施书哲）。