電子探針顯微分析儀.ppt

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1、第11章 電子探針顯微分析儀(X射線顯微分析儀) (EPMA),,X射線顯微分析儀,1. 引言 此章的目的是講述電子探針顯微分析儀器(EPMA, EMA)的工作原理及應(yīng)用。EMA與掃描電鏡(SEM)有很密切的關(guān)系，然而，就當(dāng)初研制的目的來說卻是完全不同的。第一臺(tái)商品EMA出現(xiàn)在50年代后期，比掃描電鏡子5年。Raymond castaing (1951) 論述了電子探針的基本概念。他講述了自己設(shè)計(jì)并制造的儀器的結(jié)構(gòu)，由他發(fā)展并一直沿用至今的定量分析方法的基礎(chǔ)工作，并展示了首批應(yīng)用研究工作。電子探針儀中的探針形成及成像原理是與SEM相似的，其中包括產(chǎn)生一束聚集得很細(xì)的電子束的電子光學(xué)柱體，一個(gè)掃

2、描系統(tǒng)，一個(gè)或幾個(gè)電子探測(cè)器，和包括一個(gè)陰極射線管(CRT)的顯示系統(tǒng)。,X射線顯微分析儀,EMA與SEM不同的是，前者著重微區(qū)成分分析而后者主要用作圖像觀察。EMA和SEM中作微區(qū)化學(xué)成分分析都基于測(cè)量電子束激發(fā)產(chǎn)生的x射線。這些x射線的標(biāo)定和測(cè)量可以用能譜儀(EDS)或晶體分光譜儀(CDS)，后者有時(shí)稱作波譜儀(WDS)。 雖然，近年來SEM配上EDS系統(tǒng)這種配置的儀器使用日益廣泛，但請(qǐng)記住由于EMA本身的一些特點(diǎn)，使它在做微區(qū)成分分析上的優(yōu)越性明顯地勝過SEM。EMA一般配幾道CDS，并有非常穩(wěn)定的樣品臺(tái)和電子光學(xué)系統(tǒng)。這種設(shè)計(jì)，使它進(jìn)行元素定量分析的準(zhǔn)確性較高，有利于輕元素的定性和定量

3、分析，在痕量元素分析上更顯著地優(yōu)于EDS。 因?yàn)镋MA和SEM上配置EDS也有一定的優(yōu)點(diǎn)，所以本章將詳細(xì)介紹這兩種技術(shù)，及它們各自的適用范圍。,X射線顯微分析儀,這種儀器的設(shè)計(jì)和制造是法國(guó)人卡斯坦(RCastaing)在1919年最先提出的，可是，利用電子束照射樣品表面，探測(cè)由此而產(chǎn)生出來的特征X射線，從而對(duì)樣品所含元素進(jìn)行分析的原理，早在1913年莫塞萊就提出來了。之后，隨著電子光學(xué)和x射線測(cè)量技術(shù)等的飛快發(fā)展，在著名X射線衍射專家紀(jì)尼葉(A Guinier)的指導(dǎo)下，卡斯坦采納了莫塞菜的理論并作了進(jìn)一步發(fā)展，作出了能實(shí)際應(yīng)用的x射線顯微分析儀。另外，英國(guó)的考斯萊特和丹康布等人使電于束對(duì)樣品

4、表面掃描，并利用色散后的特征X射線強(qiáng)度來調(diào)制陰極射線管的亮度，這樣構(gòu)成的掃描圖像解決了觀察樣品表面元素分布狀態(tài)的方法，因此，把它稱為“掃描型X射線顯微分析儀”。與卡斯坦的儀器相比，在探測(cè)特征X射線的原理等方面都是一致的。,X射線顯微分析儀,在X射線顯微分析儀發(fā)明初期，所能分析的元素范圍為11Na92U，而且還存在著對(duì)定量分析中的測(cè)量結(jié)果如何進(jìn)行修正等許多問題。由于各方面研究工作的進(jìn)展，使得對(duì)4Be、5B、6C、7N、8O、9F等在元素周期表中第二周期的元素也可以探測(cè)了。同時(shí)伴隨著修正方法的改進(jìn)，這種儀器不僅作為金相學(xué)研究的一種工且具被用于金屬及合金的研究方面，例如在確定析出物及雜質(zhì)成分的工作中

5、，在元素?cái)U(kuò)散區(qū)域與偏析的探測(cè)以及焊接區(qū)域及表面氧化層的檢驗(yàn)等方面部取得很大成果，并且，在巖石與礦物中細(xì)微組織的鑒定工作中，玻璃或陶瓷材料的成分分析以及探測(cè)木材等生物樣品中的金屬元素等方面，應(yīng)用范圍越來越廣泛。,X射線顯微分析儀,近年來除x射線顯微分析儀之外，在其基礎(chǔ)上又出現(xiàn)許多新儀器。例如自動(dòng)雜質(zhì)分選儀和離子顯微分析儀等。前者是當(dāng)電子束對(duì)樣品進(jìn)行掃描時(shí)，利用由于被測(cè)樣品的平均原子序數(shù)不同而造成的背散射電子強(qiáng)度上的差異來區(qū)分雜質(zhì)種類的，并可得出掃描范圍、面積率和雜質(zhì)密度等信息。后面的一種儀器也稱為離子探針質(zhì)量分析儀或二次離子發(fā)射顯微分析僅等，它是以離子束代替X射線顯微分析儀中的電子束、以雙聚焦質(zhì)

6、譜儀代替X射線分光譜儀來對(duì)樣品進(jìn)行分析，它能夠用于區(qū)分同位素的種類。,X射線顯微分析儀,最初，卡斯坦把這種儀器稱為“電子探針x射線顯微分析儀”，但由于名稱過長(zhǎng)，而“電子探針”這個(gè)名稱又不太確切，在日本多稱之為X射線顯微分析儀。盡管前面的敘述中把考斯萊特等人發(fā)明的可以獲得掃描圖像的儀器稱為“掃描型X射線顯微分析儀”，但近年來生產(chǎn)的儀器都具有使電子束掃描的性能，所以有時(shí)采用了“X射線顯微分析儀”這個(gè)名稱。同時(shí)，考慮到不與商品符號(hào)相混等問題，英文縮寫符號(hào)仍然采用EPMA。，井且，使用這種儀器的分析方法“x射線顯微分析” 也常常寫為 “X-ray microanalysis”,X射線顯微分析儀,圖11

7、 示出目前日本制作的X射線顯微分析儀的外觀。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 已經(jīng)描述了X射線顯微分析儀是怎樣的一種儀器，現(xiàn)在我們?cè)賮硌芯恳幌滤幕拘阅堋?X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 首先，由電子槍發(fā)射出來的電子束，通常以10一30kV的加速電壓加速，然后利用電磁透鏡的作用將它聚焦變細(xì)，達(dá)到樣品表面時(shí)，其直徑一殷為50nm。當(dāng)然在擴(kuò)大探測(cè)范圍時(shí)，電子束的直徑也要相應(yīng)擴(kuò)大。把這樣聚然變細(xì)了的電子束稱之為電子微束又稱為“電子探針”，它是x射線顯微

8、分析儀中各種信號(hào)的激發(fā)源。借助于光學(xué)顯微鏡或顯微掃描圖像，把這樣的電子束照射到樣品表面需要探測(cè)的區(qū)域上，這時(shí)便會(huì)從樣品表面附近幾個(gè)(m)3的范圍內(nèi)(這個(gè)范圍的大小，由電子束直徑、加速電壓和樣品本身的性質(zhì)等所決定)產(chǎn)生出x射線，這種X射線是由連續(xù)X射線和特征X射線所組成的。各種元素的特征x射統(tǒng)都具有各自確定的波長(zhǎng)(莫塞萊定律)，因此，可以利用探測(cè)這些不同波長(zhǎng)的x射線來了解樣品中所含有的元素的種類(定性分析)。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 如果把由被測(cè)量的樣品中元素A所產(chǎn)生的特征X射線強(qiáng)度用JA表示，而在相同條件下，由含

9、有元素A的重量濃度為已知的樣品(標(biāo)淮樣品)中測(cè)得的元素A的特征X射線強(qiáng)度用J(A)，來表示，則兩者之比(kA)即表示其相對(duì)強(qiáng)度，即 kAJAJ(A) (2.1),X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 若再將被測(cè)樣品與標(biāo)準(zhǔn)樣品中元素A的濃度分別用cA與c(A)表示時(shí)，并且，不考慮特征X射線在樣品中的吸收及熒光激發(fā)效應(yīng)等，那么，它們之間的關(guān)系可以近似的表示成下式： IA/I(A)cA/c(A)kA (2.2) 上式稱為卡斯坦一級(jí)近似公式。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微

10、分析儀的特點(diǎn) 當(dāng)把用100%的元素A構(gòu)成的純凈樣品作為標(biāo)準(zhǔn)樣品來使用時(shí)，由于這時(shí)的c(A)1，所以 cAkA 這樣便可以根據(jù)特征X射線的相對(duì)強(qiáng)度來求出樣品中所含該元素的重量濃度了(定量分析)。但實(shí)際上，還必須對(duì)由此一級(jí)近似公式所得到的值進(jìn)行各種修正。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 此外，與這種x射線顯微分析儀在原理上大體相似的儀器，還有X射線熒光顯微分析儀。它不是利用電子束而是用x射線照射樣品表面，由于x射線束直徑至少有幾個(gè)毫米而且其穿透能力也遠(yuǎn)比電子束強(qiáng)，所以使熒光X射線顯微分析儀的分析區(qū)域較大，這是它與x射線顯微分

11、析儀的本質(zhì)不同之處。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 其次，再讓我們來看一看X射線顯微分析儀在儀器性能方面的特點(diǎn)。 通常把電子束照射在樣品的某一點(diǎn)上，對(duì)所產(chǎn)生的特征x射線進(jìn)行測(cè)量的分析方法，稱為點(diǎn)分析。在進(jìn)行點(diǎn)分析時(shí)，一面使X射線分光譜儀進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，即連續(xù)地改變旨在色散和探測(cè)各種X射線波長(zhǎng)的譜儀位置，同時(shí)使可知道由被測(cè)點(diǎn)所發(fā)射出的x射線的波長(zhǎng)即其含有哪些元素。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 圖2.1為對(duì)不銹綱樣品進(jìn)行定性分析的一例。根據(jù)探測(cè)到的

12、特征x射線，就可以知道它含有鐵 (Fe)、鉻(Cr)、鎳(Ni)、錳(Mn)。而如果將X射線顯微分拆儀所色散的波長(zhǎng)確定在某一元素的特征X射線波長(zhǎng)上，測(cè)量出這時(shí)的X射線強(qiáng)度，并與標(biāo)準(zhǔn)樣品的這種特征X射線強(qiáng)度相比較，則如前所述，便能知道產(chǎn)生這種特征X射線的元素在樣品中的重量濃度。,,圖2.1 定性分析一例,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 對(duì)比于點(diǎn)分析來講，沿著樣品上的某一直線，一面使電子束連續(xù)地移動(dòng)，一面來進(jìn)行測(cè)量的分析方法，稱為線分析。這時(shí)要將X射線分光譜儀確定在某一元素特定波長(zhǎng)的位置上，通過線分析可以知道在樣品的這條直線

13、上訪元素的分布狀況。在實(shí)際進(jìn)行線分折的時(shí)候，電子束并不移動(dòng)，而是使樣品自動(dòng)地沿著確定的直線移動(dòng)，同時(shí)用記錄儀記錄出特征X射線強(qiáng)度的變化情況，即在樣品的那條直線上該元素的濃度分布情況。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 圖2.2為對(duì)樣品進(jìn)行線分析的一例。圖(b)即為對(duì)照片(a)上帶箭頭的直線部分進(jìn)行線分析的結(jié)果(箭頭表示分析進(jìn)行的方向)，從中可以看出各元素相互之間的分布狀況。,,圖2.2 線分析一例 （Ta-Si-Ni合金）,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的

14、特點(diǎn) 再一種分析方法是使樣品固定不動(dòng)，而令電子束以比上述線分析更快的速度像電視光柵那樣對(duì)樣品表面的一定區(qū)域(面積)進(jìn)行掃描，同時(shí)用探測(cè)到的某一種特征X射線信號(hào)來調(diào)節(jié)與上述掃描同步的陰極射線管的亮度(一個(gè)X射線光量子就表現(xiàn)為陰極射線管上的一個(gè)亮點(diǎn)，亮點(diǎn)密集即亮度高的部位，該元素濃度也就高)，便能得到相應(yīng)于該元素在樣品表面二維濃度分布的一種顯微圖像。雖然類比于線分析而言，也有人將此稱之為面分析，但通常都稱為特征X射線掃描像，簡(jiǎn)稱為X射線像。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 不僅X射線可以形成掃描像，而且用背散射電子及二次電子

15、等信號(hào)都能構(gòu)成良好的顯微掃描圖像，用以了解樣品的表面狀態(tài)。掃描顯微鏡就是運(yùn)用這些掃描像給出關(guān)于樣品的各種信息，而現(xiàn)代的X射線顯微分析儀也可以看成是在掃描電子顯微鏡的機(jī)能之上又加上了X射線分光譜儀的儀器。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 2.1.2 X射線顯微分折儀的基本結(jié)構(gòu) 關(guān)于組成X射線顯微分析儀的各個(gè)系統(tǒng)，這里只簡(jiǎn)單地講一下它的基本結(jié)構(gòu)。圖2.5是為了便于理解而整理成的X射線顯微分析儀結(jié)構(gòu)示意圖。,,圖2.5 X射線顯微分析儀結(jié)構(gòu)示意圖,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1

16、 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 2.1.2 X射線顯微分折儀的基本結(jié)構(gòu) 圖的左邊稱為鏡筒部分，也有人稱為鏡體或電子光學(xué)系統(tǒng)。為了獲取所需要的電子束，鏡筒內(nèi)必須保持10-5Torr左右的真空度。鏡筒的上部是由陰極(燈絲)、柵極(常稱為威耐耳特圓帽)和陽極等組成的電子槍。電子束由電子槍產(chǎn)生并被加速而獲得能量，再由聚光鏡和物鏡將其聚焦變細(xì)，最后照射到樣品室內(nèi)的樣員上。為使電子束能夠照射到樣品的任意位置上，鏡筒部分還裝有光學(xué)顯微鏡、電子束掃描裝置和樣品驅(qū)動(dòng)裝置。,,圖2.5 X射線顯微分析儀結(jié)構(gòu)示意圖,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn)

17、2.1.2 X射線顯微分折儀的基本結(jié)構(gòu) 在電子束的照射下，由樣品產(chǎn)生的X射線利用X射線分光譜儀中的分光晶體，只把滿足布喇格定律條件 n2dsin (23) 那種波長(zhǎng)的X別線從中分出來。公式中，d為分光晶體的面間距；為X射線的入射角；n為反射線級(jí)數(shù)； 為x射線的波長(zhǎng)。因?yàn)閄射線顯微分析儀所使用的波長(zhǎng)為0.0415nm這樣一個(gè)比較寬的范圍，所以，為了獲取此間所有波長(zhǎng)的X射線。將要把幾塊分光晶體交換使用，或者要有幾道分光譜儀。對(duì)分光晶體分離出來的具有確定波長(zhǎng)的X射線用X射線探測(cè)器進(jìn)行探測(cè)便會(huì)產(chǎn)生電脈沖信號(hào)，這時(shí)的一個(gè)脈沖信號(hào)對(duì)應(yīng)于個(gè)被探測(cè)化來的X射線光量子。,,圖2.5 X射線顯微分析儀結(jié)構(gòu)示意圖

18、,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1 x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 2.1.2 X射線顯微分折儀的基本結(jié)構(gòu) 探測(cè)到的x射線所形成的電信號(hào)，由X射線測(cè)量回路中經(jīng)過放大及其它處理，使能夠作為X射線的光量子數(shù)(即X射線強(qiáng)度)表示出來。也可以用記錄儀把X射線的計(jì)數(shù)率記錄出來，或者顯示在陰極射線管上，作為二維的元素濃度分布以供觀察和照像。同時(shí)，為了控制儀器動(dòng)作和對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理(修正計(jì)算)，也可以把X射線顯微分析儀與電子計(jì)算機(jī)連接起來。,,圖2.5 X射線顯微分析儀結(jié)構(gòu)示意圖,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.1.1

19、x射線顯微分析儀的特點(diǎn) 2.1.2 X射線顯微分折儀的基本結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 當(dāng)電了束照射到樣品上的時(shí)候，電子在樣品中的行徑如何、又怎樣產(chǎn)生比X射線以及由此能帶來一些什么信息，這些都關(guān)系到X射線顯微分析儀的原理，同時(shí)，也關(guān)系列出它得出的測(cè)量結(jié)果和如何利這些結(jié)果進(jìn)行修正等問題。,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 將被加速而獲得了能量的電子束照射到樣品上，便會(huì)引起電子與物質(zhì)之間的相互作用，從而產(chǎn)生出各種信號(hào)，利用這些信號(hào)，可以得到關(guān)于樣品的各種信息。這些信號(hào)包括有X射線、各種電子及可

20、見光等?，F(xiàn)將其匯總起來表示在圖2.6，也就是X射線顯微分析儀所采用的各種信號(hào)。,,,圖2.6 X射線顯微分析儀所采用的各種信號(hào),X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 首先讓我們沿著入射到樣品上的電子的行蹤來看，當(dāng)入射電子與樣品接觸的時(shí)候，其中的一部分，幾乎不損失其能量地在樣品表面被散射掉了，這部分電子稱為背散射電子，如果樣品非常薄，入射電子的一部分又將會(huì)穿過樣品而成為透射電子，其余電子的全部能量都將在樣品內(nèi)消耗掉而為樣品所吸收，即為吸收電子。此外，入射電子將樣品中的電子打出樣品表面，產(chǎn)生出能量極小的所

21、謂二次電子，其中也包括由于俄歇效應(yīng)而產(chǎn)生的具有特征能量的一種二次電子俄歇電子。這種俄歇電子對(duì)于分析樣品最表面的元素是非常有用的。,,,圖2.6 X射線顯微分析儀所采用的各種信號(hào),X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 如果把上述各種電子的強(qiáng)度，用電子數(shù)即電流來表示時(shí)，則入射電子的電流強(qiáng)度iI可以用下式來表示： iIiBiAiTiS (24) 其中iB、iT、iS即分別代表背散射電子、透射電子與二次電子的電流強(qiáng)度，而iA為吸收電子電流強(qiáng)度。流過圖26中電流計(jì)上的電流可以看成是iA與iS之差。,,,圖2.

22、6 X射線顯微分析儀所采用的各種信號(hào),X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 其次，我們?cè)賮砜疾煲幌氯肷潆娮拥哪芰吭跇悠分袑⑥D(zhuǎn)化為怎樣的形式。雖然每單位時(shí)間加在樣品上的能量總和，可以用入射電子的加速電壓與入射電子電流強(qiáng)度之積來表示，但是，當(dāng)入射電子轉(zhuǎn)化為肯散射電子或者在樣品非常薄的情況下轉(zhuǎn)化為透射電子而飛出樣品之外時(shí)，將會(huì)帶走其百分之幾的能量；而且，其余的能量盡管是在樣品內(nèi)消耗了，然而，其大部分百分之九十九以上都轉(zhuǎn)化成熱了。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.

23、2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 因此，真正轉(zhuǎn)化為X射線顯微分析儀最主要的信號(hào)的能量只是入射電子能量的很少點(diǎn)。在這很少的能量當(dāng)中，一部分被用于產(chǎn)生x射線，另一部分消耗在產(chǎn)生二次電子和被稱為陰極熒光的可見光及紅外線等方面。圖2.7便是利用二次電子和陰極熒光而得到的樣品圖像。,,,圖2.7 利用二次電子(a)和陰極熒光(b)而得到的樣品圖像。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 再有，當(dāng)樣品為半導(dǎo)體的接合部位時(shí)，由于電子的照射會(huì)使其產(chǎn)生電子、空穴對(duì)而形成電動(dòng)勢(shì)，因此，如果在樣品上

24、裝一個(gè)適當(dāng)?shù)慕宇^，將其輸出信號(hào)引到儀器外面(圖2.8)，便可以對(duì)這種樣品所形成的內(nèi)部電功勢(shì)進(jìn)行測(cè)量和觀察。,,,圖2.8 當(dāng)樣品為半導(dǎo)體的接合部位時(shí)，由于電子的照射會(huì)使其產(chǎn)生電子、空穴對(duì)而形成電動(dòng)勢(shì) 。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 圖2.9為內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)像(EMF像)的一例。,,,圖2.9 當(dāng)樣品為半導(dǎo)體的接合部位時(shí)內(nèi)部電動(dòng)勢(shì)像(EMF像) 。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 這里，再簡(jiǎn)單地說明

25、一下樣品中電子與物質(zhì)相互作用范圍的大小。入射電子在樣品中一方面失去了原來的能量，同時(shí)也進(jìn)行著穿透和擴(kuò)散。在這個(gè)過程中，一部分入射電子披散射到樣品之外成了背散射電子，其余的均為樣品所吸收而成為吸收電子。把這樣的電子與物質(zhì)相互作用的區(qū)域稱為電子束的擴(kuò)散區(qū)域或穿透區(qū)域。這個(gè)區(qū)域的大小主要取決于入射電子的能量(以能量而論即指單個(gè)電子或X射線光量子的能量)若以電壓而論，則為電子束的加速電壓)和擴(kuò)散區(qū)域內(nèi)的樣品密度。圖2.10為這種擴(kuò)散區(qū)域的定性說明。,,,圖2.10 擴(kuò)散區(qū)域的定性說明。 (a)小Z，低電壓 (b)小Z，高電壓 (c)大Z，低電壓 (b)大Z，高電壓,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1

26、X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 圖2.11是根據(jù)定量分析的理論而計(jì)算出來的x射線產(chǎn)生區(qū)域的模型。如此看來，擴(kuò)散區(qū)域的大小及電子在該區(qū)域內(nèi)的運(yùn)動(dòng)方式(散射形式)，都會(huì)隨著加速電壓及物質(zhì)原子序數(shù)等的不同而有所差異，其大體情況如圖2.11等所示。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (i)X射線的產(chǎn)生 當(dāng)被加速了的電子與物質(zhì)(雖然一般都稱做對(duì)陰極或靶但是，由于在X射線顯微分析儀中，它恰相當(dāng)了樣品，因

27、此這里就簡(jiǎn)單地稱之為物質(zhì)或者樣品)撞擊時(shí)，會(huì)產(chǎn)生連續(xù)X射線和特征X射線，這些問題前面已經(jīng)講過，這里再簡(jiǎn)要地闡述一下X射線的產(chǎn)生機(jī)理及其特點(diǎn)。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (i)X射線的產(chǎn)生 根據(jù)電磁學(xué)原理，帶電粒子在作加速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生電磁波而現(xiàn)在高速運(yùn)動(dòng)的電子與物質(zhì)相接擊，被物質(zhì)所阻止，即給電子一個(gè)與其運(yùn)動(dòng)方向相反的加速度，這樣產(chǎn)生出來的電磁波便是連續(xù)X射線。或者也可以看成是電子與物質(zhì)中的原子相互碰撞，其失去的能量以X射線的形式放射出來。沒這時(shí)放射

28、出的能量為E，則X射線的頻率由下式表示： Eh (2.5) 其中h為普朗克常數(shù)6.6310-34Js)。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (i)X射線的產(chǎn)生 但是，電子與原子的碰撞形式有多種，因此，電子所失掉的能量大小也會(huì)各有不同，結(jié)果便產(chǎn)生出各種頻率的x射線，因?yàn)閄射線的頻率()與其波長(zhǎng)()之間存在如下關(guān)系； c/ (2.6) 式中， c為光速。因此，也就發(fā)射出各種波長(zhǎng)的X射線。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)

29、構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (i)X射線的產(chǎn)生 圖2.12表示當(dāng)電子束照射到純鉬樣品上的時(shí)候所產(chǎn)生的x射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的關(guān)系。 (同時(shí)也表示出由X射線激發(fā)產(chǎn)生的X射線),,,圖2.12 由35keV電子束和由其激發(fā)產(chǎn)生的X射線各自激發(fā)產(chǎn)生的X射線波長(zhǎng)與強(qiáng)度的關(guān)系（Mo）,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (i)X射線的產(chǎn)生 此外，前面已經(jīng)講過，電子撞擊到物質(zhì)上所失掉的能量大小是各不

30、相同的。其中，當(dāng)一次碰撞就失去全部能量的時(shí)候，所發(fā)射出的X射線波長(zhǎng)最短，設(shè)這樣的連續(xù)x射線當(dāng)中，最短的波長(zhǎng)為0，則0只隨電子的加速電壓V/(kV)而變化根據(jù)式(2.5)與(2.6)以及E=eV，則： 0c/0=hc/eV1.24/V (2.7) 式中，0的單位為nm；0是波長(zhǎng)為0的X射線的頻率(s-1)。將式 (2.7)所表示的這個(gè)關(guān)系稱為道諾漢特關(guān)系。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (i)X射線的產(chǎn)生 圖2.13表示出在各種加速電壓下連續(xù)X射線的波

31、長(zhǎng)和強(qiáng)度的關(guān)系。,,,圖2.13表示出在各種加速電壓下連續(xù)X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度的關(guān)系。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (i)X射線的產(chǎn)生 另外，對(duì)于某一波長(zhǎng)，在d范圍內(nèi)的連續(xù)x射線光量子數(shù)dI可由下式表示： dIZ(1/0-1/)(1/)d (2.8) 式中Z為原子序數(shù)。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (ii)特

32、征X射線 在通常情況下，原子處于基態(tài)，即在原子核周圍，K殼層上配置有2個(gè)電子，L殼層有8個(gè)電子，M殼層有18個(gè)電子。如果有被加速了的電子束或者X射線對(duì)這種處在基態(tài)的原子進(jìn)行轟擊時(shí)，則該原子便會(huì)發(fā)生電離，換句話講，就是原子核周圍的電子當(dāng)中有的被打出原子之外了。把這樣能量高的狀態(tài)稱為激發(fā)態(tài)。當(dāng)有級(jí)較高的外殼層電子落入如此產(chǎn)生的空位位置上時(shí)，便會(huì)放出波長(zhǎng)相應(yīng)于其能量差的x射線。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (ii)特征X射線 因?yàn)镵殼層及L殼層等能級(jí)的能

33、量大小是依照各種元素而具有確定值的，所以這時(shí)所放出的X射線的能量(也就是X射線的波長(zhǎng)) 是由元素來決定的，這便是該元素的特征X射線。再有，K線及K線等的命名法，是根據(jù)電子躍遷前后的能級(jí)不同來確定的。例如由L殼層電子填補(bǔ)K殼層空位時(shí)所產(chǎn)生的X射線稱為K線，而由M殼層電子填補(bǔ)K殼層空位時(shí)所產(chǎn)生的x射線則稱為K線?？墒?，因?yàn)橛蒐殼層電子填補(bǔ)硬殼層空位的幾率大大高于由M殼層電子填補(bǔ)的幾率，所以，K的強(qiáng)度比K線的強(qiáng)度要高。一般K線的強(qiáng)度約為K線強(qiáng)度的l/51/7，不同元素其強(qiáng)度比例會(huì)有所不同。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2

34、.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (ii)特征X射線 根據(jù)上面所講的道理可以知道，當(dāng)處于基態(tài)的原子被電離后，即能放射出特征X射線，但實(shí)際上并不限于此，外殼層電子落入K殼層時(shí)所放出的能量，不僅能以特征X射線的形式放出，而且也可能在同一原子內(nèi)被吸收，致使L殼層或M殼層的電子被打出原子之外，這種情況稱之為俄歇(Auger)效應(yīng)。這樣，便存在一個(gè)能夠放射出特征X射線的幾率問題，我們將這個(gè)幾率稱熒光率或熒光產(chǎn)額。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生

35、與X射線的特性 (ii)特征X射線 再有，如前所述，特征X射線的波長(zhǎng)(或頻率)，并不隨入射電子的能量(加速電壓)不同而有所不同。而是由構(gòu)成物質(zhì)的元素種類(原子序數(shù))所決定的?，F(xiàn)在，設(shè)其頻率為，則隨原子序數(shù)的變化情況可由莫塞萊定律所決定： 1/2C (Z-) (2.9) 式中C與為常數(shù)，1。若將它用圖表示，即為圖2.16，并且，波長(zhǎng)可以用下式做出最好的近似： 1.21103/(Z-1)2 (2.10),,,,圖2.16 莫塞萊定律圖示,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X

36、射線的特性 (ii)特征X射線 在上面講到的各種特征X射線當(dāng)中，K系列是最主要的，雖然K系列的X射線有好多條，但其強(qiáng)度最高的只有三條，即K1， K2、和K。例如鉬(Mo)的上述三條特征X射線的波長(zhǎng)分別為： K10.070926nm； K2=0.071354nm；K0.063225nm。 從中可見K1和K2兩條線的波長(zhǎng)非常相近，實(shí)際上，一般不定作為兩條線而分開，當(dāng)分開來的時(shí)候，稱為K二重線，不分開，就簡(jiǎn)單的稱做K線。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (i

37、i)特征X射線 在K二重線中，K1線的強(qiáng)度約為K2線強(qiáng)度的2倍，而K1線的波長(zhǎng)卻較K2線的波長(zhǎng)短，所以，當(dāng)兩線分不開的時(shí)底K線的波長(zhǎng)便以兩種波長(zhǎng)累加平均值的形式給出，即如前述，因?yàn)镵1線的強(qiáng)度為K2線強(qiáng)度的2倍，所以它將以2倍于K2的資格用下式進(jìn)行計(jì)算： (K)=2(K1)+(K2)/3 (2.11) 以鉬為例，即可得出下面的結(jié)果： (MoK)= (20.070926+0.071354)=0.071069(nm) 同樣，K1線也常常作為K線來看待。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2

38、.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (ii)特征X射線 關(guān)于X射線的強(qiáng)度問題，通常這個(gè)強(qiáng)度 (I)用下式來表示：ICIiI(V0-VK)n (2.12) 式中，CI對(duì)于確定的加速電壓(V0)來講，近似于一個(gè)常數(shù)；iI為入射電流強(qiáng)度；VK為使特征X射線得以產(chǎn)生的最低電壓臨界激發(fā)電壓； n為一個(gè)常數(shù)，當(dāng)V03VK時(shí)，則n2，V03VK時(shí)，則n2。圖2.17表示x射線強(qiáng)度隨加速電壓的變化情況的一例。這種特征X射線強(qiáng)度，是與物質(zhì)中所含該元素的濃度成正比的。,,,,圖2.17 CrK線的強(qiáng)度與加速電壓的關(guān)系,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用

39、 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (iii)X射線被物質(zhì)的吸收 強(qiáng)度為I0的X射線，垂直入射到厚度為z的物質(zhì)上的時(shí)候，它的一部分在物質(zhì)中被吸收，而使得其強(qiáng)度下降。如果設(shè)透過物質(zhì)的X射線強(qiáng)度為I，則I可用下式表示： II0exp(-z) (2.13) 這里的稱為線吸收系數(shù)，它取決于物質(zhì)的種類、密度和x射線的波長(zhǎng)。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (iii)X射線被物質(zhì)的吸收 在式(2.13)中，我們?nèi)绻?來代替，

40、這個(gè)/是物質(zhì)的固有值，它與物質(zhì)狀態(tài)(固體、氣體、液體等)無關(guān)，則式(2.13)將變?yōu)橄旅娴男问剑?II0exp(-/) z 2.14) 式中，為物質(zhì)的密度；z為質(zhì)量厚度；/為質(zhì)量吸收系數(shù)，其值自然要隨入射X射線的波長(zhǎng)及物質(zhì)種類的不同而有所不同。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (iii)X射線被物質(zhì)的吸收 為了明確表示質(zhì)量吸收系數(shù)與X射線及物質(zhì)種類的關(guān)系，可以寫成(/)FeCo的形式，其中Cr表示物質(zhì)(吸收體)為Cr；Fe表明x射線為FeK線。 (在有

41、些文獻(xiàn)中，也有的將吸收體與X射線位置顛倒來寫的)。此外，上面表達(dá)式中的Fe，雖然一般是指FeK線，但也可以是FeK線或FeL線等其它特征X射線，然而這時(shí)因?yàn)楦髯缘牟ㄩL(zhǎng)不同，所以各自的質(zhì)量吸收系數(shù)當(dāng)然也就不一樣，因此，為了明確地表示出其羌別，避免引起誤會(huì)，常常為(/)FeKCo的形式,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (iii)X射線被物質(zhì)的吸收 另外，當(dāng)X射線穿過由兩種以上元素構(gòu)成的物質(zhì)時(shí)，質(zhì)量吸收系數(shù)具有疊加性質(zhì)，通常用下式?jīng)Q示： (/) ci(/)i

42、 式中的ci是構(gòu)成物質(zhì)的第i號(hào)元素在物質(zhì)中的重量濃度，它滿足ci1。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (iv)吸收邊與熒光激發(fā) 對(duì)于只由某一種幾素所組成的物質(zhì)，當(dāng)使X射線的強(qiáng)度保持不變的條件下，改變其波長(zhǎng)，雖然它一直照射在物質(zhì)上，但所測(cè)得的穿過該物質(zhì)的X射線強(qiáng)度卻發(fā)生了變化如前所述，這是由于質(zhì)量吸收系數(shù)隨波長(zhǎng)而變化的緣故。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相

43、互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (iv)吸收邊與熒光激發(fā) 圖2.19表示出這種情況的一例。開始，質(zhì)量吸收系數(shù)隨著X射線的波長(zhǎng)變短而連續(xù)地減少，而在某一波長(zhǎng)上卻發(fā)生了不連續(xù)的增加，我們把這個(gè)不連續(xù)的位置稱為吸收邊，它與下述的熒光激發(fā)問題有重要關(guān)系。在不連續(xù)似置上的兩個(gè)質(zhì)量吸收系數(shù)值的比，稱為吸收邊躍遷率。,,,,圖2.19 鉛的質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (iv)吸收邊與熒光激發(fā) 此外在X射線顯微分析儀所使用的波

44、長(zhǎng)范團(tuán)內(nèi)，x射線被物質(zhì)吸收的機(jī)理，主要是X射線光量子把全部能量都給了物質(zhì)中原子核周圍的電子，使這樣的電子飛出原子的束縛圈，并且與前述特征X射線的產(chǎn)生機(jī)理一樣，伴隨著X射線的被吸收，也會(huì)放射出特征X射線來，這樣的X射線激發(fā)稱為熒光激發(fā)，而由此而放射出來的X射線稱為熒光X射線(也稱為二次X射線)。,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 (iv)吸收邊與熒光激發(fā) 如由圖2.19所見，對(duì)應(yīng)著這樣的熒光激發(fā)狀態(tài)，K殼層有一個(gè)吸收邊、L殼層有三個(gè)吸收邊，它表明當(dāng)X射線的

45、波長(zhǎng)比吸收邊波長(zhǎng)短時(shí)，該殼層便可以被熒光激發(fā)。這時(shí)，如果將上述的躍遷率用rK表示，則熒光激發(fā)產(chǎn)生的x射線強(qiáng)度與(rK-1)/ rK比成正比。,,,,圖2.19 鉛的質(zhì)量吸收系數(shù)與波長(zhǎng)的關(guān)系,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (i)背散射電子及其信息的分離觀察 背散射電子是由樣品反射出來的電子中能量較高的電子，也可以看成是入射電子在樣品表面受到散射向著反方向運(yùn)動(dòng)的一些電子。當(dāng)入射電子垂直入射到樣品表面時(shí)，如果將背散射電子與入射電子

46、強(qiáng)度(即電子數(shù)目)之比稱為背散射系數(shù)(r)，則r與樣品的原子序數(shù)Z存在圖2.20所表示的關(guān)系。將這種依據(jù)背散射系數(shù)r所得到的關(guān)于樣品的信息稱之為原子序數(shù)信息或者成分信息。,,,,圖2.20 背散射系數(shù)與原子序數(shù)的關(guān)系,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (i)背散射電子及其信息的分離觀察 另一方面，當(dāng)背散射電子探測(cè)器相對(duì)于入射電子束而傾斜設(shè)置時(shí)，如果樣品的某一部分向著探測(cè)器，則其強(qiáng)度便會(huì)增大，反之就會(huì)減小(參閱圖2.21)。利用這

47、一點(diǎn)，便可以知道樣品表面的凹凸?fàn)顩r，特此稱之為樣品的凹凸信息。,,,,,圖2.21 樣品的傾斜與背散射電子按角度的分布（Au）,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (i)背散射電子及其信息的分離觀察 如此看來，背散射電子可以同時(shí)帶來關(guān)于樣品的原子序數(shù)信息和凹凸形貌信息這樣兩種信息，而如果將這兩種信息分開，則對(duì)于了解樣品表面狀況是非常有利的。,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子

48、與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (i)背散射電子及其信息的分離觀察 作為分離這兩種信息成分的觀察方法，是在對(duì)稱于入射電子束的方位上裝上一對(duì)背散時(shí)電子探測(cè)器，將左右兩個(gè)探測(cè)器各自得到的電信號(hào)，進(jìn)行電路上的加、減處理便能得到單一信息。對(duì)于原子序數(shù)信息來說進(jìn)入左右兩個(gè)探測(cè)器的信號(hào)，其大小和極性都相同。而對(duì)凹凸信息，雖然兩個(gè)探測(cè)器得到的信號(hào)絕對(duì)值相同，但極性卻恰好相反根據(jù)這種道理。如果將兩個(gè)探測(cè)器得到的信號(hào)相加，則主要反映出樣品的原子序數(shù)信息。如果相減，則主要反映樣品的凹凸信息。,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理

49、 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (i)背散射電子及其信息的分離觀察 圖2.23將成分像和凹凸像分別表示出來。,,,,,,圖2.23 背散射電子的成分信息與凹凸信息分離觀察,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (ii)吸收電子 入射電子電流iI與各種電子電流之間的關(guān)系，已經(jīng)在2.2.1用式(

50、2.4)表示出來了，但是，對(duì)于樣品厚度相當(dāng)大時(shí)，入射電子不能穿透樣品，可以看成穿透電流iT=0，這時(shí)的入射電子電流可表示為：iI=iA+iB+iS (2.17) 為簡(jiǎn)便起見，現(xiàn)在設(shè)二次電子電流iS=C為一常數(shù)，則吸收電流iA即為：iA=(iI-C) (2.18) 即吸收電流與背散射電子電流存在互補(bǔ)關(guān)系，從而可以理解吸收電子與背散射電子是反映著關(guān)于樣品的同一信息。,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (ii)吸收電子 然而必

51、須明確，我們所測(cè)得的吸收電流，是由樣品經(jīng)過電流計(jì)而沉向地的電流 (實(shí)際電流方向是相反的)，因此它不是樣品真正的吸收電子電流，而是還附帶著原子序數(shù)之外的其它信息(圖2.24)。,,,,,,圖2.24 吸收電流附帶的原子序數(shù)之外的其它信息,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (ii)吸收電子 也就是說，對(duì)于實(shí)際樣品，在入射電子作用下，由于放出了二次電子，所以使得用電流計(jì)測(cè)出的吸收電流比真正的吸收電流減小了。再有，如果樣品表面有導(dǎo)電不良

52、的區(qū)域，則在該區(qū)域會(huì)有電荷積聚，結(jié)果也使得測(cè)得的吸收電流減小，如果設(shè)這部分電流為in，則對(duì)應(yīng)于入射電流iI的吸收電流iA最終可以表示為如下形式： iAiI(iBiSin) (2.19) 它表明實(shí)際測(cè)量出來的吸收電流iA有時(shí)也會(huì)出現(xiàn)負(fù)值。,,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (iii)二次電子 二次電子是被入射電子打出來的固體樣品本身的電子，它與入射電子或背散射電子相比，其能量是很低的，因此，只要在樣品表面施以幾伏的偏壓，

53、便可控制二次電子的發(fā)射，圖2.25是這種情況的示意圖。當(dāng)在樣品的A、B部分分別加上正、負(fù)電壓時(shí)，則在A表面上產(chǎn)生的二次電子不能脫離樣品表面，只有從B表面能夠放出二次電子。,,,,,,圖2.25 由二次電子所反映出的樣品電位分布說明圖,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (iii)二次電子 利用這種特點(diǎn)，便可以觀察樣品表面在電子束照射下的電位分布情況。圖2.26是晶體管表面的電位分布圖像，當(dāng)如圖2.26(b)右圖所示，使發(fā)射極接地、

54、集電極開路，而由基極輸出時(shí)，便能得到圖2.26(a)所示的圖像，圖226(b)的左圖為其說明圖。,,,,,,圖2.26 N-P-N硅平面型晶體管的表面電位分布像,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (iii)二次電子 依賴于入射電子束所產(chǎn)生的二次電子，與入射電子的加速電壓(能量)、電子束對(duì)樣品的入射角度、樣品表面的凹凸?fàn)顩r以及樣品成分等許多因素有關(guān)，并非由一種因素完全決定的。,,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯

55、微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (iii)二次電子 這里讓我們采研究一下二次電子的最重要信息樣品表面的微現(xiàn)形貌與二次電子發(fā)射量之間的關(guān)系。 二次電子與x射線的情況不同，它只要考察一下入射電子在其入射點(diǎn)附近的行徑基本上就可以了。因此設(shè)入射電子在樣品中的軌跡是在圖2.27的x軸上，并且入射電子的能量損失可以忽略不計(jì)，則這時(shí)由與電子束入射點(diǎn)的距離x的dx處所產(chǎn)生的二次電子量，在x軸的各點(diǎn)上都是相同的。,,,,,,,圖2.27 關(guān)于二次電子產(chǎn)生的說明圖,X射線顯微分析儀,2 原

56、理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (iii)二次電子 又若設(shè)樣品表面的法線方向與x軸之間夾角為則dx處所產(chǎn)生的二次電子到達(dá)樣品表面所通過的最短距離便為xcos，而達(dá)到樣品表面的二次電子量dI即可表示為： dIK1exp(-xcos )dx (220) 式中，K1為比例常數(shù)；為樣品物質(zhì)對(duì)電子的吸收系數(shù)。 。,,,,,,,圖2.27 關(guān)于二次電子產(chǎn)生的說明圖,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作

57、用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (iii)二次電子 對(duì)于能量很低的二次電子來說，值是非常大的。如果x cos 的值不是非常小，那么，dx處所產(chǎn)生的二次電子就幾乎不能達(dá)到樣品表面而被物質(zhì)所吸收。把式(2.20)進(jìn)行積分，則得到：IK2/cos (2.21) 式中，K2為比例常數(shù)。,,,,,,,圖2.27 關(guān)于二次電子產(chǎn)生的說明圖,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其

58、信息 (iii)二次電子 雖然上面考慮的是二次電子通過最短距離達(dá)到樣品表面的情況，但在一般情況下，式(2.20)也成立，而且，對(duì)于x射線顯微分析儀中所采用的二次電子探測(cè)方法來說，對(duì)由樣品表面所放出的二次電子的探測(cè)，幾乎與二次電子起始的出射方向無關(guān)。,,,,,,,圖2.27 關(guān)于二次電子產(chǎn)生的說明圖,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 (iii)二次電子 以上我們只考慮了直接由于入射電子所產(chǎn)生的二次電子及其出射問題，當(dāng)然，由背散射電

59、子也能夠產(chǎn)生二次電子，其一是當(dāng)背散射電子由樣品散射出去時(shí)，會(huì)在樣品表面產(chǎn)生并放出二次電子；其二是由樣品背散射出去的電子打到樣品室的內(nèi)壁上所產(chǎn)生和發(fā)出的二次電子。因?yàn)檫@樣產(chǎn)生的二次電子所具有的信息都與背放射電子的信息有關(guān)，所以稱之為“背散射電子對(duì)二次電子的影響”。,,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 將聚焦得充分細(xì)的電子束照射到樣品表面，我們可以探測(cè)到二次電子、背散射電子及特征X射線等有用的信號(hào)，

60、利用這些信號(hào)可以獲得關(guān)于樣品的某些信息，那么，這時(shí)它所代表的是樣品上多大區(qū)域的信息呢？我們以用特征X射線進(jìn)行元素分析為例來加以說明。,,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 首先將充分細(xì)的電子束照射在樣品表面的小區(qū)域上，這個(gè)小區(qū)域內(nèi)的物質(zhì)成分與基體完全不同(例如鋼中的夾雜物等)，達(dá)時(shí)來探測(cè)其某一特征x射線，以分析相應(yīng)元素在小區(qū)域內(nèi)的濃度；然后，將電子束照射到與該小區(qū)域成分完全相同的一個(gè)較大的區(qū)域上，

61、再來對(duì)該元素進(jìn)行分析，其結(jié)果與前者相比可能存在某些差別，這可以認(rèn)為主要是由于分析區(qū)域比上述區(qū)域大而存在著基體影響的緣故。為了使分析結(jié)果的差別達(dá)到可以忽略的程度，必須佼小區(qū)域至少有某一確定的大小，我們將這樣最小的區(qū)域稱為特征X射線信息源的大小或者稱為分析區(qū)域的大小。,,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 通常，信息源的大小可以根據(jù)圖2.28所示電子作用的有效范圍來推斷。,,,,,,,圖2.28 電子

62、作用的有效范圍與其能量的關(guān)系,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 卡斯坦還設(shè)想一個(gè)如圖2.29所示的圓柱形，將其看成是特征X射線的分析區(qū)域。當(dāng)圓柱的高度為zm(m)、直徑為zmd(m)、入射電子束直徑為d((m)時(shí)，則： zm0.033(V01.7-VK1.7)A/Z (222) 式中，V0為電子束的加速電壓(kV)，VK為所分析元素K殼層的臨界激發(fā)電壓(kV)；A、Z和分別為分析區(qū)域主要元素的原子量、

63、原子序數(shù)、密度(g/cm3)。,,,,,,,圖2.29 特征X射線產(chǎn)生區(qū)域的模型,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 圖2.30為當(dāng)元素為鐵或鋁時(shí)，而所分析的元素為鎂或銅時(shí)，根據(jù)式(2.22)計(jì)算得出的分析區(qū)域深度zm與加速電壓之間的關(guān)系曲線。,,,,,,,,圖2.30 分析區(qū)域的深度與加速電壓的關(guān)系,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.

64、2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 由此看來，對(duì)直接由入射電了激發(fā)產(chǎn)生的特征x射線，其分析區(qū)域的大小約為幾個(gè)微米，但是，在同時(shí)考慮到因熒光激發(fā)所產(chǎn)生的特征X射線時(shí)，其分析區(qū)域?qū)?huì)變很大些。例如在鐵鉻合金中，F(xiàn)eK線一方面進(jìn)行著擴(kuò)散而被吸收，同時(shí)又將激發(fā)產(chǎn)生CrK線，因此。這種情況下X射線的擴(kuò)散區(qū)域要比電子束本身形成的擴(kuò)散區(qū)域要大，在與電子束入射點(diǎn)較遠(yuǎn)的地方，也會(huì)產(chǎn)生熒光X射線。,,,,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子

65、與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 圖2.31表示在含鉻百分之十、含鐵百分之九十的合金中，在多大的區(qū)域內(nèi)有著多少由于熒光激發(fā)而產(chǎn)生的CrK線。,,,,,,,,,圖2.31 在Fe(90%)、Cr(10%)合金中，由熒光激發(fā)而產(chǎn)生的CrK線分布比例。,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 圖2.32是研究鐵、鎳密接樣品中熒光激發(fā)效應(yīng)的

66、曲線。在鎳的區(qū)域上可以看到出于NiK對(duì)鐵的熒光激發(fā)而產(chǎn)生的FeK線。,,,,,,,,,,圖2.32 在Fe、Ni密接樣品中的熒光激發(fā)效應(yīng),X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 再有，由于熒光激發(fā)而產(chǎn)生某些元素的特征x射線，不僅可由初始特征X射線所激發(fā)，而且也可以由連續(xù)X射線激發(fā)產(chǎn)生。 例如在對(duì)不銹鋼中夾雜物的分析過程中，當(dāng)討論鐵、鉻等在基體材料中含量較高的元素是否在夾雜物中存在的時(shí)候，就要考慮到夾雜物中產(chǎn)生的連續(xù)x射線也可以激發(fā)產(chǎn)生鐵、鉻等的特征X射線并被探測(cè)到。,,,,,,,,X射線顯微分析儀,2 原理 2.1 X射線顯微分析儀的基本特點(diǎn)與結(jié)構(gòu) 2.2 電子與物質(zhì)的相互作用 2.2.1 電子與物質(zhì)相互作用 2.2.2 x射線的產(chǎn)生與X射線的特性 2.2.3 各種電子及其信息 2.2.4 信息源的大小 而且，這種夾雜物越小、其固有元素的濃度與基材相比就越低，由于其特征X射線更易于為周圍基材所吸收，因