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电子行业电子探针显微分析方法引言在现代电子行业中，电子制造过程中的材料和器件的质量控制是非常重要的。
为了确保电子产品的性能和可靠性，需要对材料中的缺陷和杂质进行精确的分析和检测。
电子探针显微分析方法是一种常用的技术，为电子行业提供了一种非常有效的分析工具。
本文将介绍电子探针显微分析方法的原理和应用。
电子探针显微分析方法的原理电子探针显微分析方法是利用高能电子束与物质的相互作用来进行材料分析的方法。
它基于电子束和样品之间的相互作用，通过分析电子束与样品相互作用后产生的信号，来获取样品的组成、结构和性质等信息。
电子探针显微分析方法主要包括以下几个方面：1.能谱分析：通过分析在样品与电子束相互作用后产生的X射线，可以得到样品的元素组成和含量等信息。
这对于分析材料中的杂质和控制样品的化学成分非常重要。
2.成分分析：通过对样品进行扫描，检测原子或化学组分的分布和浓度，可以评估材料的均一性和制备工艺的质量。
这对于确定电子器件中的材料特性和缺陷非常重要。
3.形貌分析：通过对样品表面的形貌进行观察和分析，可以评估材料的表面形态和结构特征。
这对于确定材料的纯度和表面处理效果非常重要。
4.结构分析：通过在样品表面刻蚀或切割，然后使用电子探针进行断面观察，可以获得材料内部结构的信息。
这对于评估材料的晶体结构和内部缺陷非常重要。
电子探针显微分析方法的应用电子探针显微分析方法在电子行业中有着广泛的应用，以下是一些常见的应用场景：1. 材料研究电子探针显微分析方法可以用于对新材料的研究。
通过对样品的成分分析和结构观察，可以评估材料的性能和潜在应用。
这对于新材料的开发和应用具有重要意义。
2. 电子器件制造在电子器件制造过程中，电子探针显微分析方法用于评估材料的质量和性能。
通过对电子器件中的材料进行成分分析和缺陷观察，可以提前发现潜在的故障和问题，并采取相应的措施来解决。
3. 故障分析当电子产品出现故障时，电子探针显微分析方法可以用于确定故障的原因和位置。
材料专业实验报告题目：电子探针能谱（EDS）元素分析实验学院：先进材料与纳米科技学院专业：材料物理与化学姓名：学号： 15141229862016年6月30日电子探针能谱（EDS）元素分析实验一、实验目的1.了解能谱仪（EDS）的结构和工作原理。
2.掌握能谱仪（EDS）的分析方法、特点及应用。
二、实验原理在现代的扫描电镜和透射电镜中，能谱仪（EDS）是一个重要的附件，它同主机共用一套光学系统，可对材料中感兴趣部位的化学成分进行点分析、面分析、线分析。
它的主要优点有：（1）分析速度快，效率高，能同时对原子序数在11—92之间的所有元素（甚至C、N、O等超轻元素）进行快速定性、定量分析；（2）稳定性好，重复性好；（3）能用于粗糙表面的成分分析（断口等）；（4）能对材料中的成分偏析进行测量，等等。
（一）EDS的工作原理探头接受特征X射线信号→把特征X射线光信号转变成具有不同高度的电脉冲信号→放大器放大信号→多道脉冲分析器把代表不同能量（波长）X射线的脉冲信号按高度编入不同频道→在荧光屏上显示谱线→利用计算机进行定性和定量计算。
（二）EDS的结构1、探测头：把X射线光子信号转换成电脉冲信号，脉冲高度与X射线光子的能量成正比。
2、放大器：放大电脉冲信号。
3、多道脉冲高度分析器：把脉冲按高度不同编入不同频道，也就是说，把不同的特征X射线按能量不同进行区分。
4、信号处理和显示系统：鉴别谱、定性、定量计算；记录分析结果。
（三）EDS的分析技术1、定性分析：EDS的谱图中谱峰代表样品中存在的元素。
定性分析是分析未知样品的第一步，即鉴别所含的元素。
如果不能正确地鉴别元素的种类，最后定量分析的精度就毫无意义。
通常能够可靠地鉴别出一个样品的主要成分，但对于确定次要或微量元素，只有认真地处理谱线干扰、失真和每个元素的谱线系等问题，才能做到准确无误。
定性分析又分为自动定性分析和手动定性分析，其中自动定性分析是根据能量位置来确定峰位，直接单击“操作/定性分析”按钮，即可在谱的每个峰位置显示出相应的元素符号。
电子探针分析技术在地学中的应用进展摘要电子探针分析技术（EPMA）是一种应用较早、且至今仍具有独特魅力的多元素分析技术。
二战以后，世界经济和社会的迅猛发展极大地促进了科学技术的进步，电子探针分析技术（EPMA）也进入了一个快速发展时期。
在地学领域的应用中,取得了令人瞩目的成就。
文章就该技术的发展历史、发展趋势及在地学中的应用进展等方面做出了具体阐述。
关键词：电子探针；地学；应用进展1引言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 Micro-Analyser)，它用一束聚焦得很细（50nm～１μｍ）的加速到5kV-30kV的电子束，轰击用光学显微镜选定的待分析试样上某个“点”（一般直径为1-50um），利用试样受到轰击时发射的X射线的波长及强度，来确定分析区域中的化学组成。
随着电子光学技术和计算机技术的发展，现在的EPMA同时具有扫描电镜SEM的形貌观察、结构分析等功能。
不但像仪器发明之初那样，以金属和矿物样品中不同相或不同组成的成分分析为主要目的，而且也应用在冶金、电子电器件、陶瓷、塑料、纤维、木材、牙齿、骨骼、叶、根等等方面。
其应用领域之广泛，可说目前已经涉及到所有固体物质的研究工作中，尤其在材料研究工作方面。
这种仪器不仅是研究工作中的重要工具，而且也是质量检查的手段之一。
本文仅对EPMA在地学领域中的应用进展加以阐述。
2电子探针的发展历史简介电子探针分析的基本原理早在1913 年就被Moseley发现，但直到1949 年，法国的Castaing在guinier教授的指导下，才用透射电镜（TEM）改装成一台电子探针样机。
1951年6月，Castaing在他的博士论文中，不仅介绍了他所设计的电子探针细节，而且还提出了定量分析的基本原理。
现在电子探针的定量修正方法尽管作了许多修正，但是，他的一些基本原理仍然适用。
1955年Castaing在法国物理学会的一次会议上，展出了电子探针的原形机, 1956 年由法国CAMECA公司制成商品，1958年才把第一台电子探针装进了国际镍公司的研究室中，当时的电子探针是静止型的,电子束没有扫描功能。
电子探针（EPMA）分析技术在地质学领域中的应用进展1 长安大学地球科学与资源学院陕西西安 710054；长安大学西部矿产资源与地质工程教育部重点实验室陕西西安 710054电子探针分析技术（EPMA）是一种应用较早、并且至今都有其独特分析优势的一种综合型多元素分析技术。
从其问世至今，已经被广泛的应用于材料学、地学等学科的研究中，用其研究并产生的新发现、新成果更是不计其数。
本文主要介绍了近年来电子探针在地学中的应用与进展，包括在矿物鉴定、地质体测年、矿物结构构造分析等方面的应用，并由此而产生的新理论与新方法。
1 电子探针X射线显微分析简介电子探针X射线显微分析（Electron Probe X-ray Microanalysis）简称电子探针，缩写EPMA。
它是一种微区成分分析仪器，利用聚焦成小于1um的高速电子束轰击样品表面，由X射线波谱仪或能谱仪检测从样品表面微区体积内产生的特征X射线的波长和强度，从而得到该体积约为1um3微区的定性或定量的化学成分。
2 在测定地质体年龄中的应用天然形成的锆石、独居石、晶质铀矿等矿物中一般都含有一定量的天然放射性元素232Th、235U、238U，它们经过一系列的α，β衰变后最终形成Pb的稳定同位素。
电子探针Th-U-Pb微区测年以放射性核素的衰变理论为基础，在一定条件下通过电子探针测量矿物中的Th-U-Pb含量，并经过数据处理，最终计算出矿物和相关地质体的年龄。
电子探针测年的独到优势就是它是一种真正的无损微区原位测年，由于其较高的空间分辨率，再加上良好的图像功能，可以在测年时避开裂隙和有包体的部位，找出无Pb丢失的均质区，从而提高测年精度。
3 在矿物鉴定中的应用许多矿物的物理性质和光学性质非常相似，仅仅依靠肉眼观察和偏反光显微镜难以区分，然而电子探针可以在观察的同时准确地测定出微米级颗粒的化学成分以及对颗粒晶体结构进行判别，并计算出矿物的化学式。
所以电子探针分析大量地应用于常见矿物的鉴定，也用来区分许多难以分辨的矿物。
电子探针的发展及应用1 电子探针的发展1949年法国Castaing与Guinier将一架静电型电子显微镜改造成为电子探针仪。
1951年Castaing的博士论文奠定了电子探针分析技术的仪器、原理、实验和定量计算的基础，其中较完整地介绍了原子序数、吸收、荧光修正测量结果的方法，被人们誉为EPMA显微分析这一学科的经典著作。
1956年，在英国剑桥大学卡文迪许实验室设计和制造了第一台扫描电子探针。
1958年法国CAMECA 公司提供第一台电子探针商品仪器，取名为MS-85。
现在世界上生产电子探针的厂家主要有三家，即日本岛津公司SHIMADZU、日本电子公司JEOL和法国的CAMECA公司。
随着科学技术的发展，电子探针显微分析技术进入了一个新的阶段，电子探针向高自动化、高灵敏度、高精确度、高稳定性发展。
现在的电子探针为波谱WDS和能谱EDS组合仪，用一台计算机同时控制WDS和EDS，结构简单、操作方便。
2 电子探针的原理电子探针的全称为电子探针X射线显微分析（Electron Probe Microanalysis，简称EPMA），是电子光学和X射线光谱的结合产物。
它用一束聚焦得很细（50nm～１μｍ）的加速到5kV-30kV的电子束，轰击用光学显微镜选定的待分析试样上某个“点”（一般直径为1-50um），利用试样受到轰击时发射的X射线的波长及强度，来确定分析区域中的化学组成。
EPMA是一种显微分析和成分分析相结合的微区分析，它特别适用于分析试样中微小区域的化学成分，因而是研究材料组织结构和元素分布状态的极为有用的分析方法[1]。
2. 1 主要结构电子探针主要结构有：电子束照射系统( 电子光学系统)，样品台，X射线分光(色散)器，真空系统，计算机系统(仪器控制与数据处理)，如图1所示。
2. 2 电子光学系统与观察产生电子束照射样品的部分称为照射系统或电子光学系统(EOS)，保持在约10- 3~ 10- 4Pa的真空系统中。
2010年12月December 2010岩 矿 测 试ROCK AND M I N ERA L ANALY SIS V o.l 29,N o .6742~750收稿日期:2010-06-08;修订日期:2010-09-02基金项目:国家海洋局青年海洋科学基金项目资助(1085-10);国家海洋局第二海洋研究所基本科研业务费专项项目资助(J G 0902)作者简介:朱继浩(1980-),男,山东菏泽人,助理研究员,主要从事电子探针分析技术及其应用方面的研究工作。
E -ma i:l z huj h @i hep .ac .cn 。
文章编号:02545357(2010)06074209单颗粒电子探针能谱定量分析方法研究进展朱继浩,初凤友(国家海洋局海底科学重点实验室,国家海洋局第二海洋研究所,浙江杭州 310012)摘要:对单颗粒电子探针能谱定量分析涉及的样品制备方法、定量分析校正方法、测试条件以及数据处理方法等进行了简要介绍,并对该技术的最新研究成果、发展趋势及其应用前景进行了评述,最后指出了国内在该研究领域存在的问题并提出了相应的解决方案。
关键词:单颗粒;电子探针;定量分析校正方法;蒙特卡罗模拟中图分类号:P575.1;O242.2 文献标识码:AProgress on Si ngle Particle EP MA /EDS Quantitative AnalyticalM et hodsZH U J i -hao,C H U F eng-you(Key Labor atory of Submari n e Geosc i e nces of S t a te Oceani c Ad m i n istrati o n ,Second Institute ofOceanography ,S t a te Oceani c Adm i n i s trati o n ,Hangzhou 310012,Chi n a)Abst ract :In th is paper ,quantitative electron probe m icro ana l y sis/energy d ispersive X -ray spectroscopy (EP MA /EDS )related aspects such as sa m ple preparati o n m ethods ,quantitative correcti o n m ethods ,m easure m ent cond itions and data processi n g m et h ods etc .w ere i n troduced briefly .The ne w research progress and ac h ieve m ents ,deve l o pm ent trend and applicati o n prospectsw ere a lso rev ie w ed .And the proble m s ex isted in t h is research fie l d i n do m estic w ere po i n ted out and so m e correspond i n g proble m-solv i n g proposa ls w ere also proposed .K ey w ords :si n gle parti c le ;EP MA;quan tita ti v e correction m ethod ;M onte Carlo si m u lati o n 单颗粒分析能够提供全颗粒分析方法所无法提供的大量信息,如颗粒物的形貌、粒度、晶体结构、化学成分以及分子组成等。
电子探针是进行单颗粒表征最常用的手段之一,目前该技术已在大气、环境、材料、刑侦等研究领域得到了广泛的应用,例如大气颗粒物的来源、形成、传输及其转化机理研究[1-2],海洋、湖泊、河口等水系悬浮颗粒物或沉积物的来源、气候、环境、污染效应研究[3-7],金属材料中固溶体包裹体与材料性能关系的研究[8-9],以及刑侦学中枪击残留物作为枪击案件证据的研究[10-11]等等。
受形状、粒径以及基体效应的影响,使用电子探针微束分析技术准确测定微米甚至亚微米级单颗粒的组成要比平面抛光厚样品困难和复杂得多,使得单颗粒电子探针定量分析方法研究长期以来一直是微束分析领域关心的热点问题[12-16]。
根据探测原理的不同,单颗粒电子探针分析主要分为能量色散X 射线谱仪(EDS)和波长色散X 射线谱仪(W DS)两种数据采集方式。
使用WDS 电子束扫描元素面分布图进行单颗粒分析,即使在较高的放大倍数下也需要对散焦效应进742行校正,而且一般只能得到半定量的分析结果[17-18]。
相对而言,EDS 由于具有信号采集立体角大、准确度高、分析速度快、多元素同时分析、分析元素范围广等优势而得到了广泛的应用[19]。
然而,单颗粒电子探针能谱定量分析结果的准确性和可靠性容易受样品制备方法、定量分析校正方法以及测试条件等多种因素的影响,大量测试数据的处理也需要研究人员具备丰富的经验。
本文分别对上述几个方面进行了简要介绍,并对该方法的最新研究成果、发展趋势及其应用前景进行评述,同时指出国内在该研究领域存在的问题并提出了相应的解决方案,以期提高我国单颗粒电子探针能谱定量分析方法研究和应用的水平。
1 单颗粒样品制备方法单颗粒样品的制备主要有两条基本要求:¹颗粒之间要充分分散,不能产生凝聚现象(agg l o m eration);º颗粒分散密度要适中,要保证视野内有足够数目的颗粒,且相互之间不会产生X 射线信号的干扰。
进行EP MA /EDS 分析一般使用多级冲击式分级采样器(如图1)来采集大气颗粒样品,通过控制采样时间和气流速率避免颗粒发生凝聚现象[20-21]。
图1 大气颗粒样品采集示意图F ig .1 Schem ati c o f aero sol sa m ple co ll ec tion而对于粉末样品,则需要使用特殊的制样装置(如图2),文献[22]对其工作原理进行了详细介绍。
也有研究将粉末样品制备成悬浮液(浓度0.01~0.1m ol/L ,溶剂一般为水、酒精、甲醇、丙酮、n -正己烷等),然后使用微量移液器将其滴至采集基质上或使用图1所示装置来采集微细单颗粒样品,结果表明后者分散的效果明显优于前者,颗粒的分散密度也容易得到控制[12,16,23-26]。
图2 粉末样品制备装置[22]F i g .2 P o w de r sa m ple prepa ration equ i p m ent [22]2 单颗粒电子探针定量分析校正方法传统的电子探针定量分析方法,如ZAF (Z )原子序数校正系数,A )吸收校正系数,F )荧光校正系数)、W (Q z )[X 射线深度分布函数]和Bence-A l b ee 等,都是假定待测和标准样品相对于电子束作用深度而言为无限厚,且要求样品表面光滑、平整、成分分布均匀,这样对于电子束与样品的相互作用以及X 射线出射时的吸收和荧光校正都可通过简单的几何关系进行计算。
而对于颗粒样品,上述假设都不再成立。
2.1 校正的起因由图3可以看出,在20kV 加速电压条件下,电子束与K-411玻璃微球发生相互作用时,会有很大一部分电子从颗粒边界散射出来(侧散射、背散射和透射),同时沿颗粒边界产生大量的X 射线信号[27]。
因此,进行单颗粒定量分析时,必须对传统的校正方法加以修正[12,27]:¹颗粒尺寸小于电子束作用范围时,将有一部分电子在完全损失其能量之前从颗粒边界散射出来,导致激发产生的总特征X 射线信号强度减小,这称为质量效应,主要与电子的弹性散射有关,受颗粒平均原子序数的强烈影响;º另外一个需要修正的为吸收效应,主要与X 射线信号从产生位置沿探测器方向出射时所经历的路径长度有关(图4),对于能量低于2ke V 的软X 射线(如SiK A 和A lK A 等),吸收效应的影响显著;»荧光效应是颗粒几何的复杂函数,其影响一般较小,常忽略不计。
2.2 校正方法2.1节所述的3种效应与颗粒的尺寸和形状有关,统称为颗粒物的几何效应。
文献报道了多种不同的校正方法,主要有简单归一化法、颗粒标样法、颗粒几何模型法、峰背比法、蒙特卡罗模拟法等。
743第6期朱继浩等:单颗粒电子探针能谱定量分析方法研究进展第29卷图3 20kV 电子束与2L m 直径的K -411玻璃微球相互作用的蒙特卡罗模拟图[27]F i g .3 M onte Car l o sm i ulati on pl o ts for t he i nteracti on of a 20k Velectron bea m w it h a 2L m K-411glass particle [27]a )电子轨迹;b )产生的M g K A 的X射线。
图4 X 射线在样品中的路径长度示意图[12]F ig .4 Schem ati c o f X-ray path l eng th in spec i m ens [12]2.2.1 归一化法对测试数据进行简单归一化基本可以消除仪器因素(如探测器探测效率、X 射线采集立体角、束流等)和侧向散射效应的影响[12]。
由于单颗粒与厚样品在电子束轰击下的行为存在较大差异,并且颗粒尺寸和形状对软X 射线的吸收校正影响较大,当同时测定同一颗粒样品中的高能和低能特征X 射线时,归一化法将会产生较大的误差。
对于粒径较小的颗粒,由于质量效应占主导,在处理特征X 射线能量接近的元素时,该方法十分有效[28]。
2.2.2 颗粒标样法若使用成分、形状和粒径与待测样品接近的微粒标准样品,就可忽略几何效应的影响[29]。
然而,目前国际上可用的微粒标准样品极其稀少[30],限制了该方法的应用范围。
2.2.3 颗粒几何模型法迄今为止,CI TZAF 校正程序仍是世界上最具权威的单颗粒定量分析软件,它使用了一系列理想颗粒几何模型(如球形、半球形、长方体、立方体、圆柱体、三棱柱、四方柱、四方椎等)来近似校正颗粒形状和尺寸的影响,结合使用背散射函数倾斜平面近似、X 射线横向分布函数、电子束散焦、归一化等方法,以平面抛光厚样品作为校正标样,可获得比较准确的定量分析结果(相对偏差为?5%~8%)[12]。
使用C I T Z AF 校正程序要求提供颗粒直径、厚度、密度和三维几何形状的详细信息,导致手动分析的工作量巨大,而自动电子探针分析获得的颗粒几何信息往往不够可靠,因此在通常情况下必须将其简化为球形颗粒模型进行自动颗粒分析[14]。
