扫描电镜中的能谱分析
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分辨能力Resolution Power : = 0.61λ / nSinα
– 肉眼Human Eye - 0.2 mm – 光镜Optical Microscope - 0.2µm – 电子束 Electron beam - nm or Å 量级 λ = h/mv = h(2mE)-0.5
Low Mass 质量小: minimum damage to specimen Focusing Power 可聚焦性
Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis 用于生物学、材料科学和地质学
Joseph Goldstein, Dale Newbury, David C. Joy, Charles E. Lyman, Patrick Echlin, Eric Lifshin, Linda Sawyer, and Joseph Michael, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2003. 689 pages. (ISBN -- 0-306-47292-9) 3rd Edition,
电子散射
弹性散射
E0
非弹性散射
E0
qe E1
qi E1
样品在电子束轰击下产生的信号
Io
eISE
Light
样品 发热
样品
IBSE
X-ray c X-ray b
ISC
样品在电子束轰击下产生的信号
背散射电子 二次电子 俄歇电子 X-射线光量子
光子 发热 (样品电流)
样品中出来的信号电子的能量和强度
样品室真空 < 8x10-5 Torr
光电倍增管
光管
电子收集器
闪烁器电压 +10 到 +12 仟伏
需要高真空
收集器偏压 - 250V 至 + 400V
SEM样品室
信号的方向性
SE 信号 – 非直线传播 通过探头前加有正电压的金属网来吸引
BSE 信号 – 直线发散传播 探头需覆盖面积大
X-射线信号 –直线发散传播
0% 25%
C 0% 85%
N 0% 42%
O
F
0% 5% 60% 70%
检测效率 - 窗口的传输能力
I / Io = e - ( m r t )
此处： I = 最终强度 Io = 初始强度
r = 密度 t = 厚度 m = 质量吸收系数
质量吸收系数
N Ka Energy
炭元素吸收边或 临界激发能量
WINDOW ( & LIGHT TRAP) OVER GRID
X-探头的窗口和晶体部分 (Sapphire)
金属化层，（85 Â）及 Si 死层
X-射线 （光子）
电镜 样品室
探头 真空腔
+, 空位，电子
Si (Li) 探头晶体
探头窗
8u Be 或 0.3u 聚合物 -500 至 1000 伏
Ca Xray = 3690 eV/3.8 eV/e- = 971 eN Xray = 392 / 3.8 = 103 e-
h
COLD FINGER
ACTIVE Si(Li)
COLLIMATOR
DEAD LAYER
WINDOW ( & LIGHT TRAP) OVER GRID
探头参数
采集立体角 Ω 探头
物镜极靴
取出角 ψ
样品
探头
背散射电子
电子束
谱的异常
荧光 X-射线
X-射线的吸收
样品
交互作用区
X-射线信号探测的方向性
15 kV
5 kV
25 kV
不同样品, 同一能量电子束
铁 银
碳
样品面倾斜效应- 边缘效应
0° 无倾斜
70 ° 倾斜
30 ° 倾斜
X-射线的空间分辨率
低原子序 Z 高原子序 Z
电子束斑大 小基本不能 影响分辨率 ，而加速电 压 kV 和平 均原子序 Z 则起决定作 用。
高加速电压 kV
低加速电压 kV
探头方向
ABC
样品
样品台
表面形貌对谱的计数率和成分分析（取出角和吸 收效应）有着重大的影响。
X-射线信号探测的方向性
A= 较低的低能端峰 B= 正常 C= 较高的低能端峰
取出角在 C 点最高 而在 A 点最低。
B
A
C
在成分均匀的同一 颗粒上 3 个位置的 3 个不同的谱。
倾斜的效应 (FeCO3)
基础知识
扫描电镜简介及EDS系统
– 硬件和软件
X-射线信号的产生
– 信号源，空间分辨率，信号的方向，样品表面
EDS 仪器和信号的检测
– 探头和几何效率，信号处理，能量分辨和准直 系统
基础知识
电子束与电子显微镜
为何选用电子束作激发源
能量因素Energy Power :
Electron can be accelerated by electric field
Lβ Mα
Lα
Kα Kβ
原子核
铁的特征X-射线能级
真实的 K, L 和 M 谱峰
按原子序数顺序的K 线峰的位置
0 ~ 10 kV之间可见谱线
K 线系 - Be ( Z = 4 ) 到 Ga ( Z = 31 ) L 线系 - S ( Z = 16 ) 到 Au ( Z = 79 ) M 线系 - Zr ( Z = 40 ) 到最高可能出现的原子
参考书目 (Lehigh Lab Manual)
Scanning Electron Microscopy, X-Ray Microanalysis, and Analytical Electron Microscopy 一本实验手册
Charles E.Lyman, Dale E. Newbury, Joeseph I. Goldstein, David B. Williams, Alton D. Romig, Jr., John T. Armstrong, Patrick Echlin, Charles E. Fiori, David C. Joy, Eric Lifshin, & Klaus-Ruediger Peters, Plenum Press, New York, 1990. (ISBN --0-306-43591-8)
Leabharlann Baidu
样品面倾斜效应- 边缘效应
一次电子束
R0 q
倾斜样品表面 R
一次电子束
R’0
R 水平样品表面
SE 与 BSE 成像
SE – 主要反映边界效应，对充电敏 感，非常小的原子序 Z 衬度。
BSE – 主要反映原子序 Z 衬度，无 边界效应，不显示充电现象。
背散射系数
B相
平均原子序数 晶体学取向(通道) 表面倾斜 内部磁场
SE
BSE
频数
Auger
0 50 eV
2 kV
EPE
电子能量
真空环境下二次电子成像与探头
Everhart- Thornley 二次电子探头
真空度要求高
由于探头本身的暴露式的高压元件
ETD 对光敏感,进而对加热也敏感 对样品的要求高
耐真空，保真空,无污染和导电
真空环境下二次电子成像与探头
Energy Dispersive X-ray Spectrometric Microanalysis (EDX) with SEM 扫描电镜中的能谱分析
谭立和博士
Ph.D. Cambridge EDAX Inc.
内容梗概
扫描电子显微分析基本概念 能谱分析技术理论基础 分析软件结构与操作
至前置放大器 (FET)
Detector Window
SUTW, 4-层膜poly/Al/poly/Al. 总厚度为0.34 um. 硅支撑光栅具有垂 直取向 “venetian blind” 排列 ，80% 穿透率.
E D S 仪器和信号检测
X- 射线探头 X- 射线探头的检测效率 几何效应 信号处理及信号处理器 能量分辨率 准直器
deflected by magnetic field，Probe size down to 2~3 Å
基础知识
电子束与电子显微镜 演示
电子束-样品交互作用区
一次电子束 ~ 10 nm: 二次电子 ~ 1~2 µm: 背散射电子
交互作用区
~ 2~5µm: X-射线/阴极荧光
同一样品, 不同能量电子束
序号。
每一个元素（Z > 3）在0.1 到 10 keV 都具有至少 一个可见谱线。对一些重叠状态，可能需要在10 到 20 keV 的范围进行测定。
电子束-样品交互作用区
一次电子束 ~ 10 nm: 二次电子 ~ 1~2 µm: 背散射电子
交互作用区
~ 2~5 µm: X-射线/阴极荧光
能谱仪硬件几何参数
涂层特性
良好的导电性 化学的不活泼性 良好的二次电子发射率 小晶粒尺寸 易于制备的薄膜
衬底介质
铝 碳 铜 粘接剂 双面胶带 金属胶带 蜡或油基的衬底介质
X-射线信号的产生
X-射线信号的产生
信号源 空间分辨率 信号的方向性 粗糙表面或颗粒的分析
E D S 仪器和信号检测
X- 射线探头 X- 射线探头的检测效率 几何效应 信号处理及信号处理器 能量分辨率 准直器
POLE
To PREAMP FET
E-TRAP
e-
h
SA
COLD FINGER ACTIVE Si(Li)
SAMPLE TOA
COLLIMATOR
DEAD LAYER
硬件示意图
显示器 (MCA Display)
杜瓦瓶
SEM 镜筒
FET 前置放大器
计算机 EDAM PCI
探头
窗口 准直器
样品室 终透镜
样品台
信号处理示意图
谱解释
信号处理
信号检测 X-射线 信号
电子束
电子束和 样品相互 作用
POLE
FET
To PREAMP
E-TRAP
e-
SA
SAMPLE TOA
交互作用区
一次电子束
~ 10 nm: 二次电子 ~ 1~2 µm: 背散射电子
交互作用区
~ 2~5 µm: X-射线/阴极荧光
电子进入样品后的情形
一穿而过， 不出信号
电子进入样品后的情形
二次电子
一穿而过， 不出信号
电子进入样品后的情形
背散射电子 二次电子
一穿而过， 不出信号
电子进入样品后的情形
A相
样品电流平衡
IPC ISE
IBSE
ISC
样品
ISE + IBSE + ISC = IPC
荷电效应
η+δ
+
1_
_
E1 <1kV
电子束能量 E2 >1.5kV
ISE + IBSE + ISC = IPC
ISE / IPC = η
IBSE / IPC = δ
消除荷电效应
镀层 快速扫描 较低的加速电压 较小的束斑 低真空环境
– 定性定量分析 – 面分布和线扫描 – 高级应用软件
上机操作 仪器维护与常见问题处理
在本课程中将包含哪些软件?
能谱的定性定量分析 Imaging，Mapping & Line_Scan
成像，面分布图 和 线扫描 快速和定量成分图 Live & Quant Map 图像谱线全息数据恢复 Spectral Mapping 粒度/相分析 Particle-Phase 相群分析PCA ，和元素侦测软件Max_Chanel Spectra 谱峰匹配和处理 Spectra Match & Utility 其它
吸收
C Ka Energy
(Kab) C
0.284
X-射线能量 (keV)
谱的吸收现象
由于样品的吸收，背底在高能端较低。
信号探测立体角
Ω = A/d 2
此处： Ω=立体角 以弧度表示 A= 检测器面积，mm 2 d = 样品到检测器的距离
软件操作演示影片
– 影片演示了 GENESIS 软件主要功能的使用方法
– 影片采用 Camtasia 软件录制（见下方提示） – 影片播放为 .exe 自释放执行文件（在1024 ×768 显 示像素下） – 如受计算机操作系统限制，影片不能正常播放， 可先解压缩，以 .avi 文件播放。
参考书目（特别推荐）
检测效率 - 窗口的传输能力 Transmissivity
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Be
B
C
N
O
F
Na
ECON Light Shield SUTW UTW Be
不同窗口对 K 系X-射线的穿透率
Window
B
Type
8 micron Be
SUTW 0.3 micron
3. BSE 4. X ray 2. SE
1. Nothing
入射电子束
连续X-射线
击出电子
白光 (连续X-射线)
特征 X-射线
连续X-射线
实际产生
Intensity (I)
实际可测
Energy (E)
Eo
原子的波尔模型（简单） — X-射线的产生
实际的谱是更
为复杂的，因
为原子有多层 轨道, 例如 L, M和N层。在 EDS 中 L-线 系 谱可能高达 6 或 7 条谱。
– 肉眼Human Eye - 0.2 mm – 光镜Optical Microscope - 0.2µm – 电子束 Electron beam - nm or Å 量级 λ = h/mv = h(2mE)-0.5
Low Mass 质量小: minimum damage to specimen Focusing Power 可聚焦性
Scanning Electron Microscopy and X-Ray Microanalysis 用于生物学、材料科学和地质学
Joseph Goldstein, Dale Newbury, David C. Joy, Charles E. Lyman, Patrick Echlin, Eric Lifshin, Linda Sawyer, and Joseph Michael, Kluwer Academic/Plenum Publishers, New York, 2003. 689 pages. (ISBN -- 0-306-47292-9) 3rd Edition,
电子散射
弹性散射
E0
非弹性散射
E0
qe E1
qi E1
样品在电子束轰击下产生的信号
Io
eISE
Light
样品 发热
样品
IBSE
X-ray c X-ray b
ISC
样品在电子束轰击下产生的信号
背散射电子 二次电子 俄歇电子 X-射线光量子
光子 发热 (样品电流)
样品中出来的信号电子的能量和强度
样品室真空 < 8x10-5 Torr
光电倍增管
光管
电子收集器
闪烁器电压 +10 到 +12 仟伏
需要高真空
收集器偏压 - 250V 至 + 400V
SEM样品室
信号的方向性
SE 信号 – 非直线传播 通过探头前加有正电压的金属网来吸引
BSE 信号 – 直线发散传播 探头需覆盖面积大
X-射线信号 –直线发散传播
0% 25%
C 0% 85%
N 0% 42%
O
F
0% 5% 60% 70%
检测效率 - 窗口的传输能力
I / Io = e - ( m r t )
此处： I = 最终强度 Io = 初始强度
r = 密度 t = 厚度 m = 质量吸收系数
质量吸收系数
N Ka Energy
炭元素吸收边或 临界激发能量
WINDOW ( & LIGHT TRAP) OVER GRID
X-探头的窗口和晶体部分 (Sapphire)
金属化层，（85 Â）及 Si 死层
X-射线 （光子）
电镜 样品室
探头 真空腔
+, 空位，电子
Si (Li) 探头晶体
探头窗
8u Be 或 0.3u 聚合物 -500 至 1000 伏
Ca Xray = 3690 eV/3.8 eV/e- = 971 eN Xray = 392 / 3.8 = 103 e-
h
COLD FINGER
ACTIVE Si(Li)
COLLIMATOR
DEAD LAYER
WINDOW ( & LIGHT TRAP) OVER GRID
探头参数
采集立体角 Ω 探头
物镜极靴
取出角 ψ
样品
探头
背散射电子
电子束
谱的异常
荧光 X-射线
X-射线的吸收
样品
交互作用区
X-射线信号探测的方向性
15 kV
5 kV
25 kV
不同样品, 同一能量电子束
铁 银
碳
样品面倾斜效应- 边缘效应
0° 无倾斜
70 ° 倾斜
30 ° 倾斜
X-射线的空间分辨率
低原子序 Z 高原子序 Z
电子束斑大 小基本不能 影响分辨率 ，而加速电 压 kV 和平 均原子序 Z 则起决定作 用。
高加速电压 kV
低加速电压 kV
探头方向
ABC
样品
样品台
表面形貌对谱的计数率和成分分析（取出角和吸 收效应）有着重大的影响。
X-射线信号探测的方向性
A= 较低的低能端峰 B= 正常 C= 较高的低能端峰
取出角在 C 点最高 而在 A 点最低。
B
A
C
在成分均匀的同一 颗粒上 3 个位置的 3 个不同的谱。
倾斜的效应 (FeCO3)
基础知识
扫描电镜简介及EDS系统
– 硬件和软件
X-射线信号的产生
– 信号源，空间分辨率，信号的方向，样品表面
EDS 仪器和信号的检测
– 探头和几何效率，信号处理，能量分辨和准直 系统
基础知识
电子束与电子显微镜
为何选用电子束作激发源
能量因素Energy Power :
Electron can be accelerated by electric field
Lβ Mα
Lα
Kα Kβ
原子核
铁的特征X-射线能级
真实的 K, L 和 M 谱峰
按原子序数顺序的K 线峰的位置
0 ~ 10 kV之间可见谱线
K 线系 - Be ( Z = 4 ) 到 Ga ( Z = 31 ) L 线系 - S ( Z = 16 ) 到 Au ( Z = 79 ) M 线系 - Zr ( Z = 40 ) 到最高可能出现的原子
参考书目 (Lehigh Lab Manual)
Scanning Electron Microscopy, X-Ray Microanalysis, and Analytical Electron Microscopy 一本实验手册
Charles E.Lyman, Dale E. Newbury, Joeseph I. Goldstein, David B. Williams, Alton D. Romig, Jr., John T. Armstrong, Patrick Echlin, Charles E. Fiori, David C. Joy, Eric Lifshin, & Klaus-Ruediger Peters, Plenum Press, New York, 1990. (ISBN --0-306-43591-8)
Leabharlann Baidu
样品面倾斜效应- 边缘效应
一次电子束
R0 q
倾斜样品表面 R
一次电子束
R’0
R 水平样品表面
SE 与 BSE 成像
SE – 主要反映边界效应，对充电敏 感，非常小的原子序 Z 衬度。
BSE – 主要反映原子序 Z 衬度，无 边界效应，不显示充电现象。
背散射系数
B相
平均原子序数 晶体学取向(通道) 表面倾斜 内部磁场
SE
BSE
频数
Auger
0 50 eV
2 kV
EPE
电子能量
真空环境下二次电子成像与探头
Everhart- Thornley 二次电子探头
真空度要求高
由于探头本身的暴露式的高压元件
ETD 对光敏感,进而对加热也敏感 对样品的要求高
耐真空，保真空,无污染和导电
真空环境下二次电子成像与探头
Energy Dispersive X-ray Spectrometric Microanalysis (EDX) with SEM 扫描电镜中的能谱分析
谭立和博士
Ph.D. Cambridge EDAX Inc.
内容梗概
扫描电子显微分析基本概念 能谱分析技术理论基础 分析软件结构与操作
至前置放大器 (FET)
Detector Window
SUTW, 4-层膜poly/Al/poly/Al. 总厚度为0.34 um. 硅支撑光栅具有垂 直取向 “venetian blind” 排列 ，80% 穿透率.
E D S 仪器和信号检测
X- 射线探头 X- 射线探头的检测效率 几何效应 信号处理及信号处理器 能量分辨率 准直器
deflected by magnetic field，Probe size down to 2~3 Å
基础知识
电子束与电子显微镜 演示
电子束-样品交互作用区
一次电子束 ~ 10 nm: 二次电子 ~ 1~2 µm: 背散射电子
交互作用区
~ 2~5µm: X-射线/阴极荧光
同一样品, 不同能量电子束
序号。
每一个元素（Z > 3）在0.1 到 10 keV 都具有至少 一个可见谱线。对一些重叠状态，可能需要在10 到 20 keV 的范围进行测定。
电子束-样品交互作用区
一次电子束 ~ 10 nm: 二次电子 ~ 1~2 µm: 背散射电子
交互作用区
~ 2~5 µm: X-射线/阴极荧光
能谱仪硬件几何参数
涂层特性
良好的导电性 化学的不活泼性 良好的二次电子发射率 小晶粒尺寸 易于制备的薄膜
衬底介质
铝 碳 铜 粘接剂 双面胶带 金属胶带 蜡或油基的衬底介质
X-射线信号的产生
X-射线信号的产生
信号源 空间分辨率 信号的方向性 粗糙表面或颗粒的分析
E D S 仪器和信号检测
X- 射线探头 X- 射线探头的检测效率 几何效应 信号处理及信号处理器 能量分辨率 准直器
POLE
To PREAMP FET
E-TRAP
e-
h
SA
COLD FINGER ACTIVE Si(Li)
SAMPLE TOA
COLLIMATOR
DEAD LAYER
硬件示意图
显示器 (MCA Display)
杜瓦瓶
SEM 镜筒
FET 前置放大器
计算机 EDAM PCI
探头
窗口 准直器
样品室 终透镜
样品台
信号处理示意图
谱解释
信号处理
信号检测 X-射线 信号
电子束
电子束和 样品相互 作用
POLE
FET
To PREAMP
E-TRAP
e-
SA
SAMPLE TOA
交互作用区
一次电子束
~ 10 nm: 二次电子 ~ 1~2 µm: 背散射电子
交互作用区
~ 2~5 µm: X-射线/阴极荧光
电子进入样品后的情形
一穿而过， 不出信号
电子进入样品后的情形
二次电子
一穿而过， 不出信号
电子进入样品后的情形
背散射电子 二次电子
一穿而过， 不出信号
电子进入样品后的情形
A相
样品电流平衡
IPC ISE
IBSE
ISC
样品
ISE + IBSE + ISC = IPC
荷电效应
η+δ
+
1_
_
E1 <1kV
电子束能量 E2 >1.5kV
ISE + IBSE + ISC = IPC
ISE / IPC = η
IBSE / IPC = δ
消除荷电效应
镀层 快速扫描 较低的加速电压 较小的束斑 低真空环境
– 定性定量分析 – 面分布和线扫描 – 高级应用软件
上机操作 仪器维护与常见问题处理
在本课程中将包含哪些软件?
能谱的定性定量分析 Imaging，Mapping & Line_Scan
成像，面分布图 和 线扫描 快速和定量成分图 Live & Quant Map 图像谱线全息数据恢复 Spectral Mapping 粒度/相分析 Particle-Phase 相群分析PCA ，和元素侦测软件Max_Chanel Spectra 谱峰匹配和处理 Spectra Match & Utility 其它
吸收
C Ka Energy
(Kab) C
0.284
X-射线能量 (keV)
谱的吸收现象
由于样品的吸收，背底在高能端较低。
信号探测立体角
Ω = A/d 2
此处： Ω=立体角 以弧度表示 A= 检测器面积，mm 2 d = 样品到检测器的距离
软件操作演示影片
– 影片演示了 GENESIS 软件主要功能的使用方法
– 影片采用 Camtasia 软件录制（见下方提示） – 影片播放为 .exe 自释放执行文件（在1024 ×768 显 示像素下） – 如受计算机操作系统限制，影片不能正常播放， 可先解压缩，以 .avi 文件播放。
参考书目（特别推荐）
检测效率 - 窗口的传输能力 Transmissivity
100%
90%
80%
70%
60%
50%
40%
30%
20%
10%
0%
Be
B
C
N
O
F
Na
ECON Light Shield SUTW UTW Be
不同窗口对 K 系X-射线的穿透率
Window
B
Type
8 micron Be
SUTW 0.3 micron
3. BSE 4. X ray 2. SE
1. Nothing
入射电子束
连续X-射线
击出电子
白光 (连续X-射线)
特征 X-射线
连续X-射线
实际产生
Intensity (I)
实际可测
Energy (E)
Eo
原子的波尔模型（简单） — X-射线的产生
实际的谱是更
为复杂的，因
为原子有多层 轨道, 例如 L, M和N层。在 EDS 中 L-线 系 谱可能高达 6 或 7 条谱。