EDS元素分析

一、實驗目的 

1.了解能譜儀（EDS）的結構和工作原理。 

2.掌握能譜儀（EDS）的分析方法、特點及應用。 

二、實驗原理 

在現代的掃描電鏡和透射電鏡中，能譜儀（EDS）是一個重要的附件，它同主機共用一套光學系統，可對材料中感興趣部位的化學成分進行點分析、面分析、線分析。它的主要優點有：（1）分析速度快，效率高，能同時對原子序數在11—92之間的所有元素（甚至C、N、O等超輕元素）進行快速定性、定量分析；（2）穩定性好，重復性好；（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→利用計算機進行定性和定量計算。 

（二）EDS的結構 

1、探測頭：把X射線光子信號轉換成電脈沖信號，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射線按能量不同進行區分。 

4、信號處理和顯示系統：鑒別譜、定性、定量計算；記錄分析結果。

（三）EDS的分析技術 

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重，會產生一定的誤差。 

2、定量分析：定量分析是通過X射線強度來獲取組成樣品材料的各種元素的濃度。根據實際情況，人們尋求并提出了測量未知樣品和標樣的強度比方法，再把強度比經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是ZAF修正。 

3、元素的面分布分析：在多數情況下是將電子束只打到試樣的某一點上，得到這一點的X射線譜和成分含量，稱為點分析方法。在近代的新型SEM中，大多可以獲得樣品某一區域的不同成分分布狀態，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射線的強度，使與這個強度對應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、實驗設備和材料 

1、實驗設備：NORAN System SIX 2、實驗材料：ZnO壓敏斷面 

四、實驗內容與步驟 

（一）點分析 

該模式允許在電鏡圖像上采集多個自定義區域的能譜 。

1 、采集參數設置  

由該模式的目的可知，其采集參數設置包括電鏡圖像采集參數設置和能譜采集參數設置。  對其進行合理設置。   

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。可以立即采集獨立區的能譜，也可以批量采集多區域的能譜。   

立即采集獨立區域的能譜  

(1)單擊點掃工具欄中的立即采集按鈕，使其處于被按下的狀態。   

(2)選擇一種區域形狀。  

(3)在電鏡圖像上指定區域位置。   

(4)等待采集完成。  

(5)如想增加一個新區域，單擊指定一個新的區域位置。   

批量采集多區域的能譜  

(1)單擊點掃工具欄中的立即采集按鈕，使其處于抬起的狀態。  

(2)單擊點掃工具欄中的批量采集按鈕  ，使其處于被按下的狀態。  

(3)選擇一種區域形狀。  

(4)在電鏡圖像上指定區域位置。

(5)重復第（3）、（4 ）步，指定多個區域。  

(6)單擊采集工具欄中的按鈕  ，系統將采集每一個區域的譜圖。  

3 、查看信息  

(1)單擊點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域。 

        全譜分析模式分析 

該模式可以對所采電鏡圖像的每一個像素點采集一組經過死時間修正的能譜數據。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、 采集參數設置  

該模式下的采集參數設置分為以下兩部分：  

（1）電鏡圖像采集參數設置  

該部分參考Averaged Acquisition 平均采集參數設置。  

（2）面分布圖像采集參數設置 

單擊采集工具欄中的采集參數設置按鈕 ，打開采集參數設置對話框，進行設置。

2 、采集過程  

 單擊采集工具欄中的采集按鈕，進行電鏡圖像的采集和面分布采集。   

3 、提取所需信息 

(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，可以進行參數設置。方法是：在電鏡圖像上右擊鼠標，在彈出的對話框中選中Image Extract 圖像提取選項卡。在這里可以設置圓圈半徑、線寬度及線上的取樣點數。   

（二）線掃描 

（1）在線掃描圖像上右擊鼠標，在彈出的對話框中，可以改變標題名稱、改變背景色、選擇線掃描線的顯示方式、是否顯示光標、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度光標。當移動某一個光標時，另一個光標也隨之移動。電鏡圖像上的光標指示出當前光標所在位置的橫、縱坐標及灰度值；線掃描圖像上的光標指示出當前光標所在位置的某一元素的計數值。  

（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 選項卡，如下圖所示。

（三）面分布 

 (1)在面分布圖像上右擊鼠標，在彈出的對話框中，可以改變光標顏色、是否顯示光標、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度光標。當移動某一個光標時，另一個光標也隨之移動。電鏡圖像上的光標指示出當前光標所在位置的橫、縱坐標及灰度值；面分布圖像上的光標指示出當前光標所在位置的某一元素的計數值。

(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簽，即可疊加/不疊加顯示該面分布圖像。

 實驗完成后，將所需的掃描圖像保存。  

五、實驗結果及討論 

分別對ZnO壓敏斷面進行點分析，線分析，面分析。 首先截取所選的分析圖樣，如下圖所示 

（1）點分析 

首先對樣品進行全譜分析：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。對應誤差從表格中讀取

實驗中我們選取了如圖3個點進行點分析，如下圖所示 

（其中，圖像名稱為ZnO（1），加速電壓為20kV，放大倍數為2000）  

以下具體列出了3個點分析：

 從此圖可以看出選取的點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，而其它摻雜含量很少。

從此圖可以看出選取的點2附近富含Sb元素，同時含有少量C、O、Zn、Bi、Mn、Co、Ni等元素。說明在晶界區域摻雜的雜質占主要成分，即雜質富集區，而主項含量很少。

從此圖可以看出選取的點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已經摻雜進入主晶相，同時一些其他雜質也已經摻入其中。 下面給出了點1、2、3處各元素含量比和誤差：

（2）對樣品進行線分析

Accelerating Voltage: 20.0 kV  

Magnification: 5000 

注：加速電壓20kV，放大倍數為5000。

       如圖所示，我們選取經過大晶粒、晶界、和小晶粒的一條線段進行線分析。通過結合上下兩個圖分析，可以得到如下結論：

（1）該ZnO陶瓷主要的元素為Zn，并且其富集區在大晶粒中，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。這也驗證了前面點分析的正確性。 

（3）對樣品進行面分析 

選取如下圖所示的樣品區域及其灰度圖，工作時加速電壓為15kV，放大倍數為2000 

以下為所研究的元素在樣品中的分布（用不同標志和顏色區分）

Data Type: Counts    Mag: 5000    Acc. Voltage: 20 kV

結合面分析中各元素的含量分布，并與所選圖各區域對比，可得出如下結論：（1）Zn元素含量最多，其次是氧，這也驗證了其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。這與前面點分析和線分析相吻合。 

    根據晶體生長理論及固體物理知識，以上的現象可以解釋為：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，因此一些元素如Bi常常在晶界處富集。