扫描电镜与电子探针分析
扫描电镜知识
电子探针和扫描电镜用WDS 或EDS的定性和定量分析时，就是利 用电子束轰击试样所产生的特征X 射线。每一个元素都有一个特征 X 射线波长与之对应，不同元素分析时用不同线系，轻元素用Ka 线系，中等原子序数元素用Ka 或La 线系，一些重元素常用Ma 线 系。入射到试样表面的电子束能量，必须超过相应元素的相应壳层 电子的临界激发能Ve，电子束加速电压V0＝（2—3）×Ve时，产 生的特征X 射线强度较高，根据所分析的元素不同，V0通常用10 kV－30kV。
EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的试样表面，用 X 射线能谱仪或波谱仪，测量电子与试样相互作用所产生的特征X 射线的 波长与强度， 从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用 二次电子或背散射电子等信息进行形貌观察。
是现代固体材料显微分析(微区成份、 形貌和结构分析)的最有用仪器， 应用十分广泛。电子探针和扫描电镜都是用计算机控制分析过程和进行数 据处理，并可进行彩色图像处理和图像分析工作，所以是一种现代化的大 型综合分析仪。据2003 年不完全统计，国内各种型号的电子探针和扫描电 镜超过2000 台，分布在各个领域。
背散射电子
背散射电子是指入射电子与样品相 互作用(弹性和非弹性散射)之后，再次 逸出样品表面的高能电子，其能量接近 于入射电子能量( E。)。背射电子的产 额随样品的原子序数增大而增加，所以 背散射电子信号的强度与样品的化学组 成有关，即与组成样品的各元素平均原 子序数有关
Z i ci zi
阴极发光
阴极发光是指晶体物质在高能电子的照射 下，发射出可见光、红外或紫外光的现象。例 如半导体和一些氧化物、矿物等，在电子束照 射下均能发出不同颜色的光，用电子探针的同 轴光学显微镜可以直接进行可见光观察，还可 以用分光光度计进行分光和检测其强度来进行 元素分析。
_扫描电镜与电子探针分析
_扫描电镜与电子探针分析扫描电镜（Scanning Electron Microscope，SEM）和电子探针分析（Energy Dispersive X-ray Spectroscopy，EDS）是现代材料科学和纳米技术领域中广泛应用的两种重要分析技术。
本文将分别介绍扫描电镜和电子探针分析的原理、仪器结构和应用。
一、扫描电镜（SEM）扫描电镜是一种基于电子束的显微镜，通过聚焦的电子束对样品表面进行扫描，获得高分辨率的图像。
相比传统光学显微镜，SEM具有更高的分辨率和更大的深度聚焦能力。
SEM的工作原理如下：1.电子源：SEM使用热阴极电子枪产生的高速电子束。
电子束由一根细丝产生，经过加热后电子从细丝上发射出来。
2.透镜系统：电子束经过电子透镜系统进行聚焦和调节。
透镜系统包括几个电磁透镜，用于控制电子束的聚焦和扫描。
3.样品台：样品台用于固定样品并扫描表面。
样品通常需要涂覆导电性材料，以便电子束可以通过样品表面。
4.探测器：SEM使用二次电子和背散射电子探测器来检测从样品表面散射的电子。
这些探测器可以转化为图像。
SEM可以提供高分辨率的表面形貌图像，并通过电子束的反射和散射来分析样品的成分、孔隙结构和晶体结构等。
其应用广泛，包括材料科学、纳米技术、电子器件等领域。
二、电子探针分析（EDS）电子探针分析是一种基于X射线的成分分析技术，常与扫描电镜一同使用。
EDS可以对样品的元素成分进行快速准确的定性和定量分析。
其工作原理如下：1.探测器：EDS使用一个固态半导体探测器来测量从样品发射的X射线。
当样品受到电子束轰击时，样品中的元素原子被激发并发射出特定能量的X射线。
2.能谱仪：EDS使用能谱仪来分析探测到的X射线，该仪器能够将X 射线能量转换成电压信号，并进行信号处理和分析。
3.能量分辨率：EDS的精度取决于能谱仪的能量分辨率，分辨器的能量分辨率越高，分析结果越准确。
4.谱库：EDS使用事先建立的元素谱库进行定性和定量分析。
能谱定量分析通则
能谱定量分析通则电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则General Specification of X-ray EDS QuantitativeAnalysis for EPMA and SEM( 中华人民共和国国家标准GB/T 17359 －98)1 适用范围本标准规定了与电子探针和扫描电镜联用的Ｘ射线能谱仪的定量分析方法的技术要求和规范。
本标准适用于电子探针和扫描电镜Ｘ射线能谱仪对块状试样的定量分析。
2 引用标准下列标准包含的条件，通过在标准中引用而构成本标准的条文。
在标准出版时，所示版本均为有效。
所有标准都会被修订，使用本标准的各方应探讨使用本标准最新版本的可能性。
2.1 GB/T4930-1993 《电子探针定量分析标准试样的通用技术条件》2.2 GB/T15074-1994 《电子探针定量分析标准方法通则》3 分析方法原理在电子探针和扫描电镜等分析仪器中，应用一定能量并被聚焦的电子束轰击试样时，被轰击区发射出试样中所含元素的特征Ｘ射线，采用半导体探测器，对接收的信号进行转换、放大。
再经过线性放大器、脉冲处理器、多道分析器的进一步放大、处理和分析,可获得各元素的特征Ｘ射线的能谱及其强度值，再通过与相应元素的标准试样的Ｘ射线能谱的对比测定，以及修正计算处理，最终可以获得被测试样的化学组成的定量分析结果。
4 Ｘ射线能谱仪4.1 Ｘ射线能谱仪的基本组成方框图如下：4.2 Ｘ射线能谱仪的主要组成部分4.2.1 Ｘ射线探测器：通常是Si(Li)半导体探测器，用于探测试样发射的Ｘ射线，使能量不同的Ｘ射线转换为电压不同的电脉冲信号。
4.2.2 前置放大器：将来自探测器的信号作初级放大。
4.2.3 线性放大器和脉冲处理器：将经过前置放大器初级放大的信号作进一步放大、并进行模拟或数字化处理。
4.2.4 多道分析器：将来自脉冲处理器的信号作进一步处理，完成对Ｘ射线谱的能量和强度的初步分析。
4.2.5电子计算机系统：配备有能满足能谱分析所必需的功能完整的硬件和相应的各种分析程序软件，用于对从试样收集到的Ｘ射线能谱进行定性和定量分析，并输出分析结果。
电子探针和扫描电镜常用的标准方法-25电子探针和扫描电
电子探针和扫描电镜常用的标准方法电子探针和扫描电镜涉及的标准方法及技术规范共有25个，有电子探针仪检定规程（JJG901－95）、扫描电子显微镜试行检定规程（JJG 550－88）、不同类型样品的定量分析方法、样品及标样的制备方法、微米长度的扫描电镜测量方法及X射线能谱成分定量分析方法等。
各单位计量认证分析检测的项目，必须有相应的标准检测方法。
要根据标准方法进行成分分析，要采用有效的国家标准。
没有国家标准的检测项目，可以采用行业标准或地方标准。
行业标准在相应的国家标准出台后自动作废，地方标准在相应的国家标准或行业标准出台后也自动作废。
企业标准及检测机构按用户要求制定的检测条件和试验方法，只能作参考数据。
当国家标准方法不能满足某些检测要求时，例如“方法通则”，可根据方法通则制定检测实施细则，经检验机构技术负责人批准后，可以实施。
检测报告中必须有检测依据，即检测的标准方法。
所以标准方法在认证过程中和检测过程中都是必须的。
现在电子探针和扫描电镜的标准方法，还不能满足所有样品测试的要求，特别是能谱分析方法，但基本都有通则，可根据通则制定实施细则，以满足一般检测工作的需要。
（1）GB/T 4930-93 电子探针分析标准样品通用技术条件（代替GB4930-85）（2）GB/T 15074-94 电子探针定量分析方法通则（3）GB/T 15075-94 电子探针分析仪的检测方法（4）GB/T 15244-94 玻璃的电子探针分析方法（5）GB/T 15245-94 稀土氧化物的电子探针定量分析方法（6）GB/T 15246-94 硫化物矿物的电子探针定量分析方法（7）GB/T 15247-94 碳钢和低合金钢中碳的电子探针定量分析方法（8）GB/T 14593-93 山羊绒、绵羊毛及其混合纤维定量分析方法（9）GB/T 15617-95 硅酸盐矿物的电子探针定量分析方法（10）GB/T 15616-95 金属及合金电子探针定量分析方法1（11）GB/T 16594-94 微米级长度的扫描电镜测量方法（12）GB/T 17359-98 电子探针和扫描电镜X射线能谱定量分析通则 （13）GB/T 17360-98 钢中低含量Si、Mn的电子探针定量分析方法（14）GB/T 17361-98 沉积岩中自生粘土矿物扫描电子显微镜及X射线能谱鉴定方法（15）GB/T17632-98 黄金饰品的扫描电镜X射线能谱分析方法（16）GB/T17363-98 黄金制品的电子探针定量测定方法（17）GB/T17364-98 黄金制品中金含量的无损定量分析方法（18）GB/T17365-98 金属与合金电子探针定量分析样品的制备方法（19）GB/T17366-98 矿物岩石的电子探针分析试样的制备方法（20）GB/T17506-98 船舶黑色金属腐蚀层的电子探针分析方法（21）GB/T17507-98 电子显微镜-X射线能谱分析生物薄标样通用技术条件 （22）GB/T17722-99 金覆盖层厚度的扫描电镜测量方法（23）GB/T17723-99 黄金制品镀层成分的X射线能谱测量方法 此外，还有以下一些其他标准可作参考，如：（24） 分析型扫描电子显微镜检定规程（JJG 011－1996）（25） 纳米级长度的扫描电镜测量方法(国家标准讨论稿)（26） 微束分析－扫描电镜－图像放大倍率校准导则（陈振宇编译）2。
第十章扫描电子显微分析与电子探针
第一节 扫描电子显微镜工作原理及构造
• 一、工作原理
电子枪发射的电子束
经过2-3个电磁透镜聚焦
在样品表面按顺序逐行 扫描，激发样品产生各种物理 信号:二次电子、背散射电子、 吸收电子等。 信号强度随样品表面特征而变。它 们分别被相应的收集器接受，经放 大器按顺序、成比例地放大后，送
到显像管。
图10-1 扫描电子显微镜原理示意图 Material modern analysis method
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1．电子光学系统
• 由电子枪、电磁聚光镜、光栏、样品室等部件组成。 • 作用：获得扫描电子束，作为使样品产生各种物理信号 的激发源。
电子枪
电磁聚光镜
光栏 样品室 Material modern analysis method
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两个透镜是强透镜，用来缩 小电子束光斑尺寸。
具有不同孔径的光栏可以提 高束流或增大景深，从而改 善图像质量。 最末级聚光镜因为紧靠样品上 方，且在结构设计等方面有一 定的特殊性，故也称物镜。是 弱透镜，具有较长的焦距，在 该透镜下方放置样品可避免磁 场对电子轨迹的干扰。 样品台有三轴x,y,z移动装置， 其中x,y方向的移动用于把样品 及标样移至电子束下方，而z方 向的移动是为了保证显微镜的 聚焦。 Material modern analysis method
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第二篇11电子探针显微分析知识讲解
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电子探针显微分析
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
第二篇11电子探针显微分析
材料现代测试方法
❖ 电子探针的基本原理
电子探针显微分析
用聚焦电子束轰击试样表面的待测微区，使该区 原子的内层电子跃迁，释放出特征X射线。
用波谱仪或能谱仪对这些特征X射线进行展谱分析， 得到反映特征X射线波长（或能量）与强度关系的X 射线谱。根据特征X射线的波长（或能量）进行元 素的定性分析。根据特征X射线的强度进行元素的 定量分析。
sinq L (1)
2R
将（1）式代入布拉格方程
l2dsiqn (2)
可得： l Ld
R
(3)
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电子探针显微分析
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
分光晶体直线运动时，假如检测器在某一位置接 收到衍射束，即表明试样被激发的体积内存在相应 的元素。衍射束的强度和元素含量成正比。
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
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材料现代测试方法
电子探针显微分析
11.2 X射线波长分散谱仪
❖ 波谱仪的基本概念
X射线波长色散谱仪实际上是X射线分光光度计。 其作用是把试样在电子束的轰击下产生的特征X射 线按波长不同分开，并测定和记录各种特征X射线 的波长和强度。根据特征X射线的波长和强度即可 对试样的元素组成进行分析。
电子探针、扫描电镜应用领域
电子探针、扫描电镜的应用领域（周剑雄供稿zjx@）电子探针和扫描电镜已经广泛应用于各工业和科研领域，如进行各种材料的成分和结构解析，包括金属材料、金属失效分析、硅酸盐玻璃、电子材料、表面材料加工、超硬材料、硅酸盐材料、化工材料、光学材料、生物材料等的分析研究。
特别在催化剂、焊料、红外窗口、金刚石膜、电子开关材料、光导纤维等的解析，特种金属及其制品的分析鉴定与纯度分析，如锇粉、铑粉、金属钪、镱、以及各种超纯金属（>99.9999%）的分析与研究；超细材料、纳米材料SiO、MnO、2NiO、磁粉的粒度测定；镀层材料的成分与厚度的测定，以及材料的糙面测定，包括>10μm镀层的直接测定和<10μm镀层的 间接测定等；在地质、生物、医学、农业考古、公安中也可用于无机材料和有机材料中的无机盐的分析研究。
简言之，电子探针实验室似乎是一个包罗万象的综合分析的大型实验室。
以下将列举某些领域的可能应用：＜一＞金属学中的应用1.断口观察。
2.定向含金偏析研究：微量元素在合金不同位置的分布明显影响合金性能，定向混固技术，代替变形部件；晶界上偏析。
(任见蓉，第二届电子显微学会议文集。
P32,1982)3.热处理工艺对钢性质研究4.相平衡图和制定5.彩金研究，6. K金配方工艺⑴偏析原因，白色长于18K ，Os96,Ru2.5Os熔点3045℃Au熔点1063℃。
原料重熔时Os偏析。
⑵K金变脆原因(龟裂)Bi3.02－5.76％,Fe2.25－3.77 ％.＜二＞材料学中的应用1.材料分析2.材料深蚀刻表面现象3.Dia粘结材料的粘结性能4.陶瓷及高温耐火材料研究5.钻头材料，镶嵌＜三＞机械学中的应用1.摩擦磨损产生的细粒及表面剥蚀研究2.蒸汽锅炉管道中腐蚀机理分析3.大型球罐焊缝缺陷分析＜四＞微电子学中的应用＜五＞法学鉴别中的应用1.头发等中的微量元素分析2.枪弹残余物颗粒成份分析3.死因不明尸骨中铅的亮粒（枪击）4.被盗珍贵文物，金属接触过的物体上残留成分分析5.文件真伪鉴别：纸，纸上颜料，油墨，墨水的成分分析，元素分布图可划出其中不同的区域，与伪造文件对照。
电子探针扫描电镜显微分析
第八章 电子探针、扫描电镜显微分析中国科学院上海硅酸盐所李香庭1 概论1.1 概述电子探针是电子探针X射线显微分析仪的简称，英文缩写为EPMA(Electron probe X-ray microanalyser)，扫描电子显微境英文缩写为SEM（Scanning Electron Microscope）。
这两种仪器是分别发展起来的，但现在的EPMA都具有SEM的图像观察、分析功能，SEM也具有EPMA的成分分析功能，这两种仪器的基本构造、分析原理及功能日趋相同。
特别是现代能谱仪，英文缩写为EDS（Energy Dispersive Spectrometer）与SEM组合，不但可以进行较准确的成分分析，而且一般都具有很强的图像分析和图像处理功能。
由于EDS分析速度快等特点，现在EPMA通常也与EDS组合。
虽然EDS的定量分析准确度和检测极限都不如EPMA的波谱仪（Wavelength Dispersive Spectrometer ，缩写为WDS）高，但完全可以满足一般样品的成分分析要求。
由于EPMA与SEM设计的初衷不同，所以二者还有一定差别，例如SEM以观察样品形貌特征为主，电子光学系统的设计注重图像质量，图像的分辨率高、景深大。
现在钨灯丝SEM的二次电子像分辨率可达3nm，场发射SEM二次电子像分辨率可达1nm。
由于SEM一般不安装WDS，所以真空腔体小，腔体可以保持较高真空度；另外，图像观察所使用的电子束电流小，电子光路及光阑等不易污染，使图像质量较长时间保持良好的状态。
EPMA一般以成分分析为主，必须有WDS进行元素成分分析，真空腔体大，成分分析时电子束电流大，所以电子光路、光阑等易污染，图像质量下降速度快，需经常清洗光路和光阑，通常EPMA二次电子像分辨率为6nm。
EPMA附有光学显微镜，用于直接观察和寻找样品分析点，使样品分析点处于聚焦园（罗兰园）上，以保证成分定量分析的准确度。
EPMA和SEM都是用聚焦得很细的电子束照射被检测的样品表面，用X射线能谱仪或波谱仪，测量电子与样品相互作用所产生的特征X射线的波长与强度，从而对微小区域所含元素进行定性或定量分析，并可以用二次电子或背散射电子等进行形貌观察。
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C
D
二次电子 产额
图像衬度
应用
2、表面形貌观察 1、断口分析
3、材料变形与断裂动态过程的原位观察
原子序数衬度原理及其应用
背散射电子特点
背散射电子来自样品 表层几百个纳米的深度 范围。产额随样品原子 序数增大而增多，可以 用来显示原子序数衬度， 定性地用作成分分析。
电子探针分析方法
P
Ti Ca
(3) 面扫描分析
在一幅X射线扫描像中，亮区代表元素含量高， 灰区代表元素含量较低，黑色区域代表元素含量 很低或不存在。
a),形貌像
ZnO Bi 2O3
b),Bi元素面分布相
扫描电子显微镜
原理&应用
入射电子
背散射电子
二次电子
特征X射线
俄歇电子
吸收电子
透射电子
电子束与固体样品作用时产生的信号
电子枪
聚 光 镜
信号收集 和 记录系统
电子 光学 系统
聚 光
显像管
镜
扫描线圈 物 镜
放大变换 扫描 发生器
样品
信号探测器
信号放大 和处理
真空系统
扫描电子显微镜结构图
SEM的主要性能
结构与工作原理
• 电子探针仪的结构示 意图见图. • 电子探针仪除X射线谱 仪外，其余部分与扫 描电子显微镜相似。
一、波长分散谱仪（WDS）
分光晶体工作原理图
(a)
约翰(Johann)型聚焦法
(b) 约翰逊(Johansson)型聚焦法
直进式波谱仪
• 直进式谱仪的特点:分 光晶体从点光源S向外 沿着一直线运动，X射 线出射角不变，晶体通 过自转改变角。聚焦 圆的中心O在以S为中心， R为半径的圆周上运动。 • 结构复杂，但X射线照 射晶体的方向固定，使 X射线穿出样品表面过 程中所走的路线相同， 也就是吸收条件相同。
回转式波谱仪
• 聚焦圆的中心O固定，分光晶 体和检测器在圆周上以1：2的 角速度运动来满足布拉格衍射 条件。 • 这种谱仪结构简单，但由于分 光晶体转动而使X射线出射方 向变化很大，在样品表面不平 度较大的情况下，由于X射线 在样品内行进的路线不同，往 往会造成分析上的误差。
定点分析谱线图
二、能量分散谱仪（EDS）
点分析
将电子束固定在需要分 析的微区上，则可得到该 微区内全部元素的谱线。Fra bibliotek线分析
将谱仪固定在所要测量的 某一元素特征X射线信号 （波长或能量）的位置上， 使电子束沿着指定的路径 扫描，便可得到这一元素 沿该路径的浓度分布曲线。
面分析
电子束在样品表面作光栅 扫描时，把X射线谱仪固 定在接收某一元素特征X 射线信号位置上此时在荧 光屏上便可得到该元素的 面分布图像。
性能
分辨率
能分辨图像 中两个颗粒间 的最小距离
放大倍数
信号 分辨率
二次电子 5~10
背散射电子 50~200
吸收电子 100~1000
特征X射线 100~1000
俄歇电子 5~10
入射电子束
俄歇电子
二次电子
背散射电子 特征X射线
连续X射线
滴状作用体积
表面形貌衬度原理及其应用
A
样品
B
二次电子的特点