EDS分析的几个关键问题

3、SEM图像分辨率 image resolution；
4、X射线检出角 X-ray take-off angle ；

5、工作距离 working distance。
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1、能量分辨率 energy resolution


能量分辨率：能谱仪测得的谱峰半高宽。
谱峰半高宽（FWHM：Full peak Width at Half Maximum )：谱峰扣除背底后强度最高值之半处 的峰宽度。
分析深度 analysis depth
X射线经试样吸收后，确定百分数 (例如总量的95%)的X射线从相互 作用体积内发射的最大深度
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X射线产生的深度与X射线强度

提高加速电压，IL 可以提高，但IB也随之增 加，IB增加降低了峰背比，使分析结果误差 增大。Vo提高使X射线在试样中的产生深度 增加，从而使分析体积和X射线的吸收也增 加。X射线在试样中的产生深度Zm(μ m)和 入射电子的能量(keV)之间的关系为：
24
电子扩散深度随kV及试样密度变化
（标尺刻度不同）
0.4
•
3.5
Si at 5 kV
Si at 20 kV
1
0.8
Si at 10 kV
Mo at 20kV
25
INCA软件对激发体积的估算
黄色：低密度材料( 2gm per cm3 )
蓝色：高密度材料(10 gm per cm3 ) • 实线= 10 keV x-射线 （元素Z小于32的K系X射 线激发能均低于10 keV ） • 点线= 1 keV x-射线 （轻元素K线系X射线激发 能低于1 keV ） • SEM设定的加速电压不同 时，图中激发体积也自动 变化。 26
Zm=0.033(Ei1.7-Ek1.7)×ma/
ρZ
20
X射线产生深度公式


Zm=0.033(Ei1.7-Ek1.7)×ma/ ρ Z
式中： Zm —X射线产生的深度 (μm) ; Ei －入射电子的能量（keV) ; Ek－ 临界激发能 (keV) ; ma －轰击点的平均原子量 ; ρ －轰击点的质量密度 （g/cm3) ; Z －轰击点的平均原子序数 。
Acc.V=10kV
1000
100
W
LaB6
FE
10
Effective range for analysis by FE
1 1.E-12 1.E-11
Probe current(A)
1.E-10
1.E-09
1.E-08
1.E-07
1.E-0
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SEM图像分辨率 image resolution

图像分辨率：能被清楚地分开、识别的两个图像特 征之间的最小距离。
注：最大峰强度是通过拟合相应的谱峰所有通道来测定， 峰宽是在峰高一半处测量。

FWHM
13
能量分辨率的测量
（国家标准：半导体探测器X射线能谱仪通则）
1、能量分辨率应用Mn-Kα峰的半高宽来表示。要说明测量分辨 率的计数率。此线也可从一铁55同位素放射源获得。 2、对于可以检测低于1KeV能量X射线的能谱仪，应该测定C-K 和F-K线的峰半高宽。能谱仪在低能端的灵敏度相对于高能 量区而言，明显的依赖于探测晶体和X射线入射窗口材料。
4


微束分析-国家标准汇编

中国标准出版社于2009年 底出版了《微束分析国家 标准汇编》， 全书收集了 我国多年来出版的微束分 析有关标准近57项，共572 页，主要适用于扫描电镜、 WDS、EDS的分析方法等。 部分为表面分析技术标准。
5
―能谱定量分析”标准的特点

本标准适用于安装在扫描电镜（SEM）或电子探 针（EPMA）上的能谱仪对试样上特定点或特定 区域进行定量分析。 本标准适用于质量分数高于1％元素的有标样或 “无标样”的定量分析。当没有重叠峰，并且相 应的特征X射线被强烈地激发时，能谱仪也可以 测量质量分数在0.1％水平的元素。
饱和: saturation
景深 :depth of field 球差 : spherical aberration
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术语中缩略语举例

CRM（ certified reference material） 有证参考物质、标准样品
RM（ Reference material)：参考物质；标准物质
Mn
C
FWHM60eV
F
FWHM130eV
FWHM56eV
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高Hale Waihona Puke Baidu辨率谱峰不易重叠，P/B高
高分辨率 高分辨率
FWHM
低分辨 低分辨率 率
FWHM2 = k . E + FWHM 2noise
K为常数 E为谱线能量
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不同分辨率的BN谱图
试样：BN (C、O），加速电压：3kV
125eV 130eV 140eV
率放大到0.3mm、图像清楚，肯定能达到分辨率要求，可 以不实际测量两个图像特征之间的最小距离。
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日常工作能达到的分辨率

日常的工作条件和分析的试样都无法满足拍分辨率的要求， 再加上使用过程中仪器的电子光学系统的污染，分辨率要 大打折扣。 例如分辨率为3nm的W灯丝SEM,在日常的分析工作条件下、 用普通试样能达到6nm已经属于高水平了。
Incident Electrons
分析面积
Secondary Electrons Backscattered Electrons
X-rays
不同信号产生的深度和空间分辨率 Depth of signal generation and spatial resolutions
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影响空间分辨率的因素
放大倍率、 Duane-Hunt 限、探测限 、 计数统计学、 电离能、临界激发能、深度分布函数、分析面积 、 分析深度 、 过压比、有证参考物质（Certified reference material: CRM)；标准样品（简称标样）、

参考物质（ Reference material：RM)；标准物质等， 共有243条。

图像分辨率可以在选定的操作条件下，通过测
量图像中两个被分开的细节之间的最小距离得出。 测量分辨率的最小间距S= 0.3mm S=M（放大倍率） （分辨率） 金颗粒与狭缝之间的灰度至少为 3级。
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正确认识图像分辨率

仪器的图像分辨率指标不是日常工作能实现的，只是仪器 验收指标。因为拍摄分辨率照片时必须满足如下几个条件：
微束分析空间特征的一种度量。 注：通常以激发体积表示。
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分析体积 analysis volume
X射线经试样吸收后，确定百分数（例如总量
的95%）的X射线发射的体积。
Method of estimating X-ray analysis volume by applying the Monte Carlo (MC) simulation
EDS分析的几个关键问题
1
EDS分析的几个关键问题
一、EDS定量分析方法及相关术语标准 二、 EDS定量对试样的要求 三、低真空、环境扫描电镜的EDS分析 四、 EDS定量分析方法及校正方法 五、EDS定量计算方法及归一化选择 六、EDS定量误差及探测限
2
七、影响定量误差的几个主要因素
八、EDS分析条件的选择
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影响能谱仪分辨率的因素


1、探测器因素：
Dispersion -121eV for Si, 104eV for Ge 2、电子噪音。 3、不完全电荷搜集（ICC）。 4、X射线能量：
FWHM2 = k . E + FWHM 2noise K为常数，E为谱线能量
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2、空间分辨率 spatial resolution
8
SEM术语举例
像素: picture element
色差:chromatic aberration 冷场发射: cold field emission
像散: astigmatism
像差:aberration 亮度 : brightness 磁衬度: magnetic contrast. 衬度: contrast
VPSEM（variable- pressure scanning electron microscope/ microscopy）：可变气压扫描电镜

CPSEM (controlled pressure scanning electron microscope): 可控气压扫描电镜。

ESEM( environmental scanning electron microscope/microscopy) 环境扫描电镜；环境扫描电子显微术
检测X射线强度与能量关系的一种方法，不作为能谱仪的缩写。

WDX（wavelength dispersive x-ray spectrometry）：波谱法 检测X射线强度与波长关系的一种方法。不作为波谱仪的缩写。
11
常用术语举例

1、能量分辨率 energy resolution ； 2、空间分辨率 spatial resolution ；

EDS分析的空间分辨率(X射线激发体积）和 试样表面分析区域的大小取决于如下因素： 1、加速电压

Zm=0.033(Ei1.7-Ek1.7)×ma/ ρ Z

2、试样密度

3、电子束直径
D2＝C S2α 6+CC2α 2（△V/VACC）2+0.4*I/β α
2
23
电子扩展范围与加速电压及Z的关系
（1）拍摄分辨率照片是用碳镀金的特殊试样
（2）拍照时规定一些特殊条件，如放大倍率、电子束电流、
加速电压、工作距离等。
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（3）一般要晚上没有任何振动和干扰的特殊环境下进行多次
拍照，寻找最好的图像测量分辨率。

日常工作无法满足上述的特殊要求。分辨率还与图像衬度、
亮度、信噪比有关，分辨率测量误差较大，只要能把分辨
10

EDS (energy dispersive X-ray spectrometer）：能谱仪
同时记录所有X射线谱的谱仪。

能谱仪不称能量色散谱仪。 WDS（wavelength dispersive spectrometer）：波谱仪 不采用“波长色散谱仪”、“波长分光谱仪”。 EDX（Energy dispersive x-ray spectrometry)：能谱法


ma = Cima,i Z = CiZi
i i

式中： Ci－元素 i 的质量分数 ; mai－元素i 的原子量 ; Zi －元素i的原子序数。
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分析面积 analysis area

相互作用体积在电子束入射面上的投影面积，95%的X射 线从此面发射并由谱仪接收。
D0 ：电子束直径，Zm ：X射线穿透深度
九、轻元素的定量分析
十、定量优化（Quant Optimization） 及标准化（ Standardize ） 十一、假峰 十二、INCA定量分析结果解读
3
一、EDS分析方法及相关术语标准

标准分析方法： 是技术发展的总结，是保证分析准确度所必须的技术文件， 有国际标准、国家标准、行业标准、地方标准等。 计量认证(CMA)、实验室认可(CNAL)及ISO9000等认证时， 首先检查标准样品及标准方法。所分析、检测的项目，必 须有相应的标准检测方法。 术语标准： 至今，EDS还没有制定单独的术语标准，但已发布的 EPMA（WDS）及SEM的术语标准中已经包含EDS术语。
可控气压SEM: CPSEM
边缘效应:edge effect 场发射 :field emission
热场发射 :Schottky emission
信噪比 :signal-to-noise ratio SE逸出深度 :SE escape depth 图像放大倍率: image magnification 共219条。
分析亚微米-纳米尺度的方法
原则：用小束径、低加速电压、尽量高的计数率。
（1）场发射扫描电镜能在小束径下，获得较大束流； （2) 用扫描透射附件（STEM)提高空间分辨率； （3）用大面积EDS探头能在较低加速电压下、小束径获得高空间 分辨率、高计数率。
10000
Probe diameter (nm)

6
本标准主要指平试样的定量分析，基本方法也
适合于不平试样的分析，但会引入附加的不确 定度分量。
本标准适用于原子序数﹥10的元素分析。 至今没有一个公认的轻元素定量分析方法。 但对原子序数<11的轻元素也提供了分析方法
指导。
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EPMA标准中术语举例

能谱分辨率、空间分辨率、图像分辨率、工作距离、 检出角、逃逸峰、和峰、内荧光峰、荷电、荧光产额、