摘 要:選擇不同的襯底對粉末試樣進行能譜分析,研究了襯底對粉末試樣能譜分析結果的影 響。結果表明:當襯底中的元素與試樣中的元素存在特征 X射線譜峰重疊現(xiàn)象時,面掃描譜圖中 元素的亮點分布異常,導致無法獲得理想的能譜分析結果。列舉了幾種常用襯底及與其譜峰重疊 的元素,有利于快速地選擇合適的襯底,以獲得理想的能譜分析結果。 

關鍵詞:粉末試樣;能譜分析;襯底;面掃描譜圖;譜峰重疊 

中圖分類號:TB303;TG115.2                        文獻標志碼:A                          文章編號:1001-4012(2023)07-0005-04

掃描電鏡可以觀察試樣表面的微觀形貌,能譜 儀可對特定區(qū)域進行元素分析[1-2],并實現(xiàn)對試樣的 定性和定量分析[3-4]。能譜儀的分析方法有點掃描 分析、線掃描分析、面掃描分析等[5-6]。面掃描分析 的原理為:電子束在試樣某一區(qū)域進行光柵式掃描, 當被探測的元素含量較高時,該區(qū)域顯示的亮點較 集中;當被探測的元素含量較低時,該區(qū)域顯示的亮 點較分散。理論上沒有該元素的區(qū)域內(nèi)應該沒有亮 點存在,但散射效應會使區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生少量的噪聲點。 對于試樣中原子序數(shù)較大且含量較高的元素,其受 噪聲點的影響較小,對于原子序數(shù)較小且含量較低 的元素,很難獲得一個理想元素分布的面掃描譜圖。 面掃描譜圖采用不同的顏色顯示不同元素在試樣中 的分布情況,可以清晰地觀察到特定元素在試樣中 的分布情況,在礦石巖層分析、電子芯片失效性分析 等方面起著重要的作用[7-8]。

進行能譜面掃描分析時,通常會露出襯底,以形 成比較強的對比,獲得直觀的面掃描譜圖,因此襯底 對能譜分析結果的影響較大。筆者選用導電膠、硅 片作為襯底,對含有Sr、La、P、O、Eu、B等6種元素 的粉末試樣進行面掃描分析,研究了襯底對粉末試 樣能譜分析結果的影響,并得到了試樣清晰的面掃 描譜圖。結果可為快速選擇合適的襯底、獲得理想 的面掃描譜圖提供理論基礎。

1 能譜儀的工作原理及其局限性 

1.1 能譜儀的工作原理 

當能譜儀的入射電子束與試樣相互作用時,會激發(fā)出碰撞原子,原子核外的電子能量較高,為了達 到穩(wěn)定狀態(tài),原子外殼電子會填充到內(nèi)層,產(chǎn)生具有 相應特征能量的 X射線。每種元素的原子序數(shù)不 同,其原子核電荷數(shù)、核外電子束不同,而同一原子、 不同軌道電子的能級也不同,因此每種元素產(chǎn)生的 特征X射線不同[9-11]。

1.2 能譜儀的局限性 

入射電子必須大于每種元素的臨界激發(fā)能才能 激發(fā)該元素,產(chǎn)生特征 X射線,測試時選取的最佳 入射電子能量為臨界激發(fā)能的2~3倍。原子序數(shù) 較小元素的臨界激發(fā)能比較小,如C元素的臨界激 發(fā) 能 為 0.28 keV,Cu 元 素 的 臨 界 激 發(fā) 能 為 8.04keV,選用20kV的加速電壓,可以同時使兩種 元素的特征X射線被激發(fā),但C元素的能譜分析結 果會受到一定的影響[12]。加速電壓可使試樣中重 要元素的特征X射線被激發(fā),對原子序數(shù)較小的元 素,可以進行定性分析,其定量分析結果誤差較大。

在電子束激發(fā)的條件下,兩種或多種元素產(chǎn) 生的特征 X射線譜峰有重疊[13-14]。能譜儀的能量 分辨率在定性、定量分析中很重要,通常情況下能 譜儀的能量分辨率為能量在5.90keV位置的 Mn Kα 峰的半高寬,其值應大于0.127keV。當某元 素的特征 X射線與其他元素出現(xiàn)譜峰重疊,且兩 種元素的特征X射線能量差小于0.127keV時,能譜儀很難將兩種元素區(qū)分開。Mo元素與S元素、 In元素與 K元素、W 元素與Sr元素等會產(chǎn)生譜峰 重疊現(xiàn)象,可以采用高加速電壓激發(fā)元素的高能 段譜峰,進而對元素進行定性分析。該方法定量 分析結果的誤差較大,改變能譜儀的分辨率無法 解決元素譜峰重疊的問題,對試樣的定性、定量分 析結果有一定的影響,對面掃描分析結果也有較 大的影響。 

2 能譜分析結果 

2.1 襯底對面掃描分析結果的影響 

2.1.1 導電膠襯底 

將試樣放置在導電膠(主要含有C元素)上,對 試樣進行面掃描分析,結果如圖1所示。由圖1可 知:La、Eu、O、Sr、P等元素的面掃描譜圖較清晰,沒 有試樣的位置有一定的噪聲影響,有試樣位置的元 素亮點分布較集中,對比度明顯;有試樣位置的 B 元素的亮點分散,沒有試樣的位置B元素亮點分布 集中,C元素和B元素的面掃描譜圖亮點分布幾乎 一致;B元素的Kα 峰和C元素的Kα 峰重疊,且兩 種元素的原子序數(shù)較小,只有一處特征 X射線峰, 難以分辨兩種元素,說明獲得的面掃描分析結果不 理想。當主要分析試樣中的B元素時,不應選擇導 電膠作為襯底。

2.1.2 硅片襯底 

選擇表面平整且導電性良好的硅片作為襯底, 將試樣在乙醇溶液中超聲分散,然后滴在硅片上,并 進行面掃描分析,結果如圖2所示。由圖2可知:試 樣中La、Eu、O、B、P等元素的亮點在有試樣的位置 較集中,并形成了一定的對比度;Sr元素和Si元素 的亮點分布情況基本一致,均出現(xiàn)有試樣位置元素 的亮點分散,沒有試樣位置元素亮點分布集中的異?，F(xiàn)象;Si元素的Kα 峰和Sr元素的Lα 峰出現(xiàn)重 疊現(xiàn)象,很難分辨出Sr元素和Si元素。當試樣中 含有特征X射線能量與Si元素相近的元素時,如 Ta、W、Sr等元素,應該避免使用硅片作為襯底。

2.1.3 Al襯底 

選用Al襯底對試樣進行面掃描分析,結果如圖3 所示。由圖3可知:試樣中La、Eu、O、B、P等元素的亮 點均在有試樣的位置集中分布,各元素的含量不同,Eu 元素和B元素的含量較少,有一定的噪聲影響,但仍可 見元素亮點集中分布的現(xiàn)象;Al元素的Kα 峰與試樣 中6種元素均未發(fā)生譜峰重疊現(xiàn)象,每種元素在單一 顆粒中均勻分布,獲得了理想的面掃描譜圖。 

2.2 襯底對點掃描分析和線掃描分析結果的影響 

采用線掃描分析方法對金屬鍍層材料的切面、 巖石材料的斷層、多層器件的截面等試樣進行能譜 分析,該類材料的尺寸較大,襯底對能譜分析結果的 影響較小。采用點掃描分析方法對試樣進行能譜分 析,當試樣尺寸較小時,線狀圖中會出現(xiàn)襯底的特征 峰位,襯底對能譜分析結果的影響較大;當試樣尺寸 較大時,線狀圖中未見襯底峰位,襯底對能譜分析結 果的影響較小。與常見襯底元素譜峰重疊的元素如 表1所示。

3 綜合分析 

綜上所述,襯底對能譜分析結果有一定的影響, 尤其是面掃描分析結果,主要原因為:不同元素的特 征X射線譜峰相近且有重疊,當能譜的能量分辨率 較低時,譜峰重疊的元素難以進行區(qū)分,如選擇的襯 底與試樣中的元素譜峰重疊,很難獲得理想的面掃 描譜圖。常用襯底為導電膠和硅片,還可以選擇鋁 片、雙面銅膠、鈦片等金屬片襯底。選擇襯底時,應 避開與試樣中元素譜峰相近的襯底。選擇合適的襯 底可以減少測試過程中的試錯時間,避免襯底元素 對試樣能譜分析結果產(chǎn)生影響。 

4 結論與建議 

當選擇導電膠和硅片作為襯底時,若試樣中的 元素與襯底元素存在譜峰重疊現(xiàn)象,會使面掃描譜 圖中元素亮點分布異常,進而無法對試樣進行面掃 描分析。 

建議根據(jù)試樣中的元素選擇合適的襯底,以獲 得理想的能譜分析結果。 

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<文章來源 > 材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 7期 (pp:5-8)>