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應用分享 | 低電壓下納米顆粒的能譜EDS元素分析方案

牛津儀器

2024.1.23

簡介

傳統的能譜EDS分析通常要求較大的工作距離和較高的電壓，而利用掃描電鏡對樣品進行圖像觀察時，可能會根據觀察目的來選擇更短的工作距離及更小的加速電壓。

日本鋼鐵工程控股公司佐藤博士對鋼中細小夾雜物的分析工作很好地展示了不同掃描電鏡SEM成像條件對電子圖像的影響。圖1所示為2.25Cr-1 Mo鋼在不同加速電壓及工作距離下所觀測到的不同碳化物的襯度。圖1中的i，ii，iii箭頭所指（i代表M23C6，ii代表M6C，iii代表AlN）及圓圈內的位置（M2C）是不同種類的碳化物，總體而言，隨著電壓的降低和工作距離的縮短表面的碳化物逐漸顯現其清晰的形貌及分布位置。

那么，EDS是否也可以去表征這些表面的結構呢？

傳統能譜EDS分析需要在高電壓、長工作距離下進行，為了獲得好的電子圖像而選擇的工作條件（低電壓、短工作距離）對于EDS采集來說就不甚友好，通常接收到的信號過低，傳統能譜幾乎采集不到過多有效的信息。牛津儀器Ultim Extreme采用了不同于傳統EDS的設計，將接收特征X-Ray光子信號的晶體大幅前移使之更加靠近樣品，因而大大提高了信號量；Ultim Extreme的幾何設計也有利于在短工作距離下的EDS分析。圖2所示為傳統EDS及Ultim Extreme與電子束和樣品的相對幾何關系的示意圖，Ultim Extreme的WD和DD（探測器至樣品的距離）都更短。此外，Ultim Extreme采用了無窗設計，大幅提升了低能特征X-Ray的檢測率。綜合以上特性，牛津儀器Ultim Extreme對低電壓、短工作距離下的EDS采集效率及效果有了顯著的提升。

圖3所示為一離子拋光后的樣品的電子圖像（左）及元素分布圖（右），工作電壓為3kV，工作距離為4mm，元素分布圖使用牛津儀器Ultim Extreme采集。從右側的元素分布圖可以輕易區分出紅色的基底（不銹鋼）和至少3種第二相，它們分別為粉紅色的富Ni相，綠色的富Cr相及藍色的富Mo相。在左側的電子圖像中，由于拋光的緣故，富Cr相并不清晰，EDS可以幫助快速定位、區分不同的第二相，提供形貌之外的元素信息。

在實際樣品分析中，除了參數設置及電鏡和EDS探頭的性能之外，樣品的表面狀態和樣品漂移也會影響低電壓下能譜元素分析的結果。

1. 表面的碳（C）沉積

樣品的積碳效應在低電壓下尤為明顯，表面沉積的無定型碳或碳氫化合物會對樣品的特征X光子有強烈的吸收效應，進而影響EDS效果。通過等離子清洗可減弱樣品表面的C沉積現象，進而改善EDS分析的效果。

圖4所示為對樣品進行等離子清洗前后經過相同電壓相同劑量電子輻照后的表面狀態。經過等離子清洗后的樣品（右圖）經過電子輻照C沉積明顯減少，此時進行低電壓EDS分析將更有利于Ultim Extreme能譜儀接收低能端光子信號，改善結果。

2. 樣品漂移

樣品漂移會造成細微結構展寬甚至畸變，對于含量很少或者尺寸很小的結構也可能因為樣品的漂移而不能檢出或檢出結果與真實結構偏差較大。通常引起樣品漂移的原因及解決方案如下：

碳導電膠坍塌所引起的物理漂移

常用的導電膠帶內有大量氣孔，在真空中這些氣孔坍塌膠帶發生變化，粘在其上的樣品也會跟著移動。使用液體碳漿可解決此類問題。圖5所示為10kV下含Bi粉末撒在碳膠帶上和用液體碳漿進行固定的EDS分析結果，結果表明，即使是導電的大尺寸樣品，使用C膠帶進行固定（圖5ab）也會發生顆粒的形狀變化或者展寬等，而固化后的C漿（圖5cd）則具有很高的穩定性，EDS元素面分布結果與電子圖像完全匹配（碳漿選購網站www.51haocai.cn）。