掃描電鏡能譜儀的使用原理說明

能譜儀（Energy Dispersive Spectroscopy）簡稱能譜，用于樣品微區元素的成分和含量分析，常與掃描電鏡（SEM）或者透射電鏡（TEM）搭配使用。經常使用掃描電鏡可以知道，我們只要在樣品表面選擇感興趣的區域，點擊開始便可以獲得樣品表面元素成分及含量信息，非常的簡單快捷。
 

那么能譜分析的基本原理是什么呢？接下來小編帶著大家深入探索。

原理

從電子槍中發射出高能電子束撞擊樣品表面，與原子的內層電子發生非彈性散射作用時，使原子發生電離，從而使原子失去一個內層電子而變成離子，并在該電子層對應位置產生一個空穴，原子為了恢復到穩定態，較外層的電子就會填補到這個空穴，在填補過程中同時會產生具有特征能量的 X 射線（圖1），探測器接收到這些特征 X 射線后，經過分析處理轉換最終得到譜圖和分析數據輸出。

圖1
 

當高能入射電子將原子的 K 層電子撞擊出來時同時會形成一個空穴，原子為了恢復到穩定態，較外層的電子便會填充到 K 層的空穴中。如果是 L 層的電子填充 K 層的空穴，在此過程中會發射出 Kα 的 X 射線；如果是 M 層的電子填充 K 層的空穴，在此過程中會發射出 Kβ 的 X 射線（圖2）；當入射電子將原子的 L 層電子撞擊出來后，原子為了恢復到穩態，這時位于 L 層以外的電子就會填補到 L 層上的空穴，若 M 層電子填補到 L 層，則會發射出 Lα  的 X 射線。
 

圖2
 

案例分析
 

在這里我們以 Al 原子為例，我們知道 Al 的各層電子電離能為 EK = 1.56 KeV，EL = 0.073 KeV，EM = 0.003 KeV。當 L 層電子填補到 K 層空穴，所釋放出的特征 X 射線 Kα 的能量為  EK – EL = 1.487 KeV；同理當 M 層電子填補到 K 層空穴，所釋放出的特征 X 射線 Kβ 的能量為 EK – EM = 1.557 KeV。采用飛納電鏡能譜對鋁樣品進行實際測試結果如下圖 3，從能譜結果中我們發現理論計算得到的峰位置與實測值幾乎沒有差別。
 

圖3

加速電壓的選擇
 

對于同一個原子，特征 X 射線 Kα 的能量最高，所以只要入射電子束的能量能夠激發出該元素的特征 X 射線 Kα，那么就一定能夠激發出 L 層或者 M 層射線，激發出原子某個 X 特征射線所需要的最低能量稱為臨界電離能，通常我們選擇入射電子束的加速電壓 ≥1.5 倍臨界電離能。
 

以 Fe 原子為例，我們知道 Fe 的特征 X 射線 Kα 的能量為 6.405 KeV，特征 X 射線 Kβ 的能量為 7.059 KeV，所以其 K 層臨界電離能為 7.059 KeV。所以其最低加速電壓為 1.5×7.059 = 10.589 kV。理想加速電壓一般 2 倍于該原子的臨界電離能。
 

圖4 特征 X 射線 —— 元素周期表
 

為什么能譜無法檢測 H、He、Li、Be
 

· 對于 H、He 這兩種元素，只有 K 層電子，當 K 層電子被激發，沒有外層電子回填，所以也不會產生特征 X 射線；
 

· Li 的特征 X 射線 Kα 的能量為 0.054 KeV，Be 的特征 X 射線 Kβ 的能量為 0.108 KeV，由于它們能量極低且信號弱，遠遠低于能譜分辨率，所以檢測比較困難。
 

參考資料：
 

1. 掃描電鏡和能譜儀的原理與實用分析技術.施明哲

2.能譜儀工具之元素周期表--特征X射線能量表https://wenku.baidu.com/view/9e0afc623169a4517723a39a.html