扫描电镜图像的分析ppt课件

扫描电镜的图像分析扫描电镜的图像分析 扫描电镜的图像分析 扫描电镜分辨率扫描电镜分辨率定义为能够清楚地分辨试样上最小定义为能够清楚地分辨试样上最小细节的能力，通常以清楚地分辨二次电子图象上两点或细节的能力，通常以清楚地分辨二次电子图象上两点或两个细节之间的最小距离表示，如上图示。两个细节之间的最小距离表示，如上图示。分辨能力是分辨能力是SEM最重要的性能指标，目前，钨灯丝最重要的性能指标，目前，钨灯丝SEM二次电子像的分辨率为二次电子像的分辨率为3nm6nm，但是，这不是，但是，这不是日常工作能实现的，只是验收指标，它与观察条件、图日常工作能实现的，只是验收指标，它与观察条件、图象的亮度、对比度、信噪比有关。象的亮度、对比度、信噪比有关。钨灯丝钨灯丝SEM在日常工作条件下，用普通试样照相，在日常工作条件下，用普通试样照相，能作到能作到6nm分辨率就相当不易了。在此分辨率下，可以分辨率就相当不易了。在此分辨率下，可以在在5万倍以上拍出清晰照片。通常情况下，用万倍以上拍出清晰照片。通常情况下，用3万倍对普万倍对普通样品照相（如陶瓷、矿物），能给出清晰二次电子照通样品照相（如陶瓷、矿物），能给出清晰二次电子照片，就属高水平。片，就属高水平。扫描电镜分辨率定义为能够清楚地分辨试样上最小 扫描电镜图像放大倍数定义为显示器上图像宽度与电子扫描电镜图像放大倍数定义为显示器上图像宽度与电子束在试样上相应方向扫描宽度之比。束在试样上相应方向扫描宽度之比。例如显示器上图像宽度例如显示器上图像宽度为为100mm，入射电子束在试样上扫描宽度为，入射电子束在试样上扫描宽度为10m,则放大倍则放大倍数数M为：为：M=100mm/10m=10000 因显示器上图像宽度一定，只要改变电子束在试样表面因显示器上图像宽度一定，只要改变电子束在试样表面的扫描宽度，就可连续地几倍、十几倍直至几万倍地改变图的扫描宽度，就可连续地几倍、十几倍直至几万倍地改变图像放大倍数。放大倍数调整范围宽是扫描电镜的一个突出优像放大倍数。放大倍数调整范围宽是扫描电镜的一个突出优点，低倍数便于选择视场、观察试样的全貌，高倍数则观察点，低倍数便于选择视场、观察试样的全貌，高倍数则观察部分微区表面的精细形貌结构。部分微区表面的精细形貌结构。扫描电镜图像放大倍数定义为显示器上图像宽度与 另外，还有一种称作另外，还有一种称作“有效放大倍数有效放大倍数M有效有效”的概念，它的概念，它是将试样表面形貌细节放大到人眼刚能分辨时的放大倍数：是将试样表面形貌细节放大到人眼刚能分辨时的放大倍数：M有效有效人眼分辨率人眼分辨率/SEM分辨率分辨率。例如，。例如，SEM分辨率为分辨率为3nm，人眼睛的分辨率约为，人眼睛的分辨率约为0.20.3mm,通常取通常取0.3mm,则则M有效有效=0.3*106nm/3nm=100000倍倍,显然欲观察试样表面显然欲观察试样表面3nm的细节，的细节，SEM放大倍数只要达到放大倍数只要达到10万倍就够用了。万倍就够用了。现在，现在，SEM安装验收时，一般都选安装验收时，一般都选100000倍下做分辨率倍下做分辨率鉴定，估计就是这个原因。图象放大倍数要根据有效放大倍鉴定，估计就是这个原因。图象放大倍数要根据有效放大倍数和试样的表面特征进行选择，根据这个计算公式，可以先数和试样的表面特征进行选择，根据这个计算公式，可以先估算观察某一分辨率所需要的估算观察某一分辨率所需要的M有效。例如，要看有效。例如，要看60nm细节，细节，则有则有M有效有效=0.3*106nm/60nm=5000倍倍，即欲观察试样表面，即欲观察试样表面60nm的细节，理论上的细节，理论上SEM放大倍数只要达到放大倍数只要达到5千倍就够了，千倍就够了，然而实际上要选择比此值大的倍数，例如然而实际上要选择比此值大的倍数，例如2万倍。万倍。另外，还有一种称作“有效放大倍数M有效”的概 很多厂家标称的很多厂家标称的SEM放大倍数为放大倍数为3050万倍，验收分万倍，验收分辨率时只用辨率时只用10万倍。最高放大倍率只是仪器的一种放大能万倍。最高放大倍率只是仪器的一种放大能力，不是验收指标，不可能用最高放大倍率拍摄分辨率照力，不是验收指标，不可能用最高放大倍率拍摄分辨率照片。当研究某个样品，确定它的形貌特征时，要根据工作片。当研究某个样品，确定它的形貌特征时，要根据工作要求、它的表面特征和实际的预观察结果，选择适宜的放要求、它的表面特征和实际的预观察结果，选择适宜的放大倍数照相，不是放大倍数越大越好。在几万倍放大倍数大倍数照相，不是放大倍数越大越好。在几万倍放大倍数下，很多样品表面缺乏细微形貌，难以得到清晰照片。高下，很多样品表面缺乏细微形貌，难以得到清晰照片。高放大倍数时，取样面积很小，仅为试样表面的很小一部分，放大倍数时，取样面积很小，仅为试样表面的很小一部分，缺乏代表性。缺乏代表性。SEM放大倍数误差的鉴定放大倍数误差的鉴定,一般用铜制栅网、标准尺一般用铜制栅网、标准尺和各种粒度的聚苯乙烯微球标准，前者用于低倍，后者用和各种粒度的聚苯乙烯微球标准，前者用于低倍，后者用于高倍检查，允许误差为士于高倍检查，允许误差为士5%。很多厂家标称的SEM放大倍数为30502 典型的形貌像（二次电子像典型的形貌像（二次电子像SEI）图图4.2 喷金碳颗粒喷金碳颗粒5万倍万倍SEM照片照片 图图4.3 喷金碳颗粒喷金碳颗粒20万倍万倍SEM照片照片 图图4.4 高分子微球高分子微球4万倍照片万倍照片 图图4.5 彩色荧光屏涂层彩色荧光屏涂层1万倍照片万倍照片 图图4.6 高分子微球高分子微球5万倍照片万倍照片 图图4.7 喷金碳颗粒分辨率照片喷金碳颗粒分辨率照片 5万倍万倍 2 典型的形貌像（二次电子像SEI）图4.2 喷金碳颗粒5图图4.8 滤纸照片滤纸照片 3000 x 图图4.9 滤纸照片滤纸照片 1000 x 图图4.10 RDX 5000X 图图4.11 高分子微球高分子微球1万倍照片万倍照片 图4.8 滤纸照片 3000 x 图4.9 滤纸照片 图图4.12图图4.18是是35CrMnMo钢管壁断口照片，这反映了它的脆性。机钢管壁断口照片，这反映了它的脆性。机械零件断裂失效分析中，断裂主要由材料缺陷引起：例如金属和非金属械零件断裂失效分析中，断裂主要由材料缺陷引起：例如金属和非金属夹杂物、结晶偏析、气孔等。这借助于夹杂物、结晶偏析、气孔等。这借助于SEM和和EDS很容易观察和分析。很容易观察和分析。图图4.12 500X 解理和沿晶断裂解理和沿晶断裂 图图4.13 钢管的断口钢管的断口 500X 图图4.14 钢材腐蚀表面钢材腐蚀表面 1000X 图4.12图4.18是35CrMnMo钢管壁断图图4.17 1000X 解理解理+准解理准解理 图图4.18 500X 解理解理+沿晶断口（拉长韧窝）沿晶断口（拉长韧窝）图图4.15 750X 沿晶断裂沿晶断裂 图图4.16 550X 解理断裂解理断裂图4.17 1000X 解理+准解理 图图4.19 高岭土高岭土 3000X 图图4.20 高岭土高岭土5000X图4.19 高岭土 3000X （1）2000X （2）2000X（3）2000X （4）2000X图图4.21 钛酸锶陶瓷组织结构钛酸锶陶瓷组织结构（1）2000X (3)2000X(1)500X (2)1000X 黑色为铁素体；白色为珠光体黑色为铁素体；白色为珠光体 图图4.22 油管（钢材）油管（钢材）2006-516金相组织金相组织(3)2000X(1)500X (2)1000XSEM所得金相组织照片与光学显微镜的金相组织照片相反，如下图所得金相组织照片与光学显微镜的金相组织照片相反，如下图4.23 所示。所示。图图4.23 金相组织光镜照片金相组织光镜照片 500检测仪器：检测仪器：MEF4M金相显微镜及图像分析系统（德国金相显微镜及图像分析系统（德国LEICA）检测日期检测日期 2006.4.7 试样名称试样名称:油管（钢材）油管（钢材）2006-516SEM所得金相组织照片与光学显微镜的金相组织照片相反，如下图3 背散射电子像（背散射电子像（BEI）观察）观察 背散射电子含有试样平均元素组成、表面几何形貌信息。使用半导体检测背散射电子含有试样平均元素组成、表面几何形貌信息。使用半导体检测器可以观察样品表面的成分像，以及成分与形貌的混合象。背射电子象缺乏细器可以观察样品表面的成分像，以及成分与形貌的混合象。背射电子象缺乏细节节,远不如二次电子象清晰，但是能从背射电子象的衬度迅速得出一些元素的定远不如二次电子象清晰，但是能从背射电子象的衬度迅速得出一些元素的定性分布概念，对于进一步制定用特征性分布概念，对于进一步制定用特征x射线进行定量分析的方案是很有好处的。射线进行定量分析的方案是很有好处的。很多金相抛光试样，未腐蚀的光滑表面，看不到什么形貌信息，必须借助背散很多金相抛光试样，未腐蚀的光滑表面，看不到什么形貌信息，必须借助背散射电子像才能观察抛光面的元素及相分布射电子像才能观察抛光面的元素及相分布,确定成分分析点，研究材料的内部组确定成分分析点，研究材料的内部组织和夹杂。导电性差的试样织和夹杂。导电性差的试样,形貌观察时，形貌观察时，BEI优于优于SEI。背散射电子像观察对。背散射电子像观察对于合金研究、失效分析、材料中杂质检测非常有用。下图是于合金研究、失效分析、材料中杂质检测非常有用。下图是Al-Co-Ni,Mg-Zn-Y合金的二次电子和背散射电子照片。合金的二次电子和背散射电子照片。图4.22 Mg-Zn-Y合金二次合金二次电子照片子照片 图4.23 合金的背散射合金的背散射电子照片子照片 500X3 背散射电子像（BEI）观察 背散射电子含 图图4.24 Mg-Zn-Y合金的背散射电子照片合金的背散射电子照片 图图4.25 Mg-Zn-Y合金的背散射和二次电子照片合金的背散射和二次电子照片图图4.26 铝钴镍合金二次电子照片铝钴镍合金二次电子照片 图图4.27 铝钴镍合金背散射电子照片铝钴镍合金背散射电子照片 图4.24 Mg-Zn-Y合金的背散射电子照片 4 粒度分布测量粒度分布测量大规模集成电路板上的沟槽深、线宽、圆直径、正方形、长方形边长等的测量；粉体（尤其是纳米）颗粒大规模集成电路板上的沟槽深、线宽、圆直径、正方形、长方形边长等的测量；粉体（尤其是纳米）颗粒粒度测量、标准粒子微球的粒度定值；复合材料（如固体推进剂）中某种颗粒组份粒度分布测量、样品表粒度测量、标准粒子微球的粒度定值；复合材料（如固体推进剂）中某种颗粒组份粒度分布测量、样品表面孔隙率测定等面孔隙率测定等，都可以使用图像处理、分析功能，有自动和手动。现在的，都可以使用图像处理、分析功能，有自动和手动。现在的EDSEDS中都有该软件包供选择，中都有该软件包供选择，用用SEMSEM测量测定粉体颗粒粒度是准确、方便和实用的。测量的粒度范围可以从几十纳米到几个毫米，是任测量测定粉体颗粒粒度是准确、方便和实用的。测量的粒度范围可以从几十纳米到几个毫米，是任何专用粒度仪所无法胜任的。尤其当分析样品的粒度小于何专用粒度仪所无法胜任的。尤其当分析样品的粒度小于3um3um（例如：超细银粉、碳粉、钴蓝、（例如：超细银粉、碳粉、钴蓝、Fe2O3Fe2O3、SiO2SiO2等）时，超细颗粒极易聚集、团聚（如下图）、在水中特别难于分散的特性，传统的湿法粒度分析等）时，超细颗粒极易聚集、团聚（如下图）、在水中特别难于分散的特性，传统的湿法粒度分析（例如：（例如：CoulterCoulter计数法、激光散射法、动态光子相关法）就无法得到真实的粒度结果。而扫描电镜粒度计数法、激光散射法、动态光子相关法）就无法得到真实的粒度结果。而扫描电镜粒度分析法（简称分析法（简称SEMSEM法）却不受这些限制，比较灵活，完全能适应这些特殊样品的粒度分析，同时它属于绝法）却不受这些限制，比较灵活，完全能适应这些特殊样品的粒度分析，同时它属于绝对粒度测量法。为克服对粒度测量法。为克服SEMSEM粒度分析法所存在的测定样品量太少、结果缺乏代表性的缺点，在实际操作时，粒度分析法所存在的测定样品量太少、结果缺乏代表性的缺点，在实际操作时，要多制备些观察试样，多采集些照片，多测量些颗粒（要多制备些观察试样，多采集些照片，多测量些颗粒（300300个以上）。超细粉体样品一般制备在铜柱表面个以上）。超细粉体样品一般制备在铜柱表面上，希望颗粒单层均匀分散、彼此不粘连。这样，在不同倍数下得到照片，便于图象处理和分析功能自动上，希望颗粒单层均匀分散、彼此不粘连。这样，在不同倍数下得到照片，便于图象处理和分析功能自动完成；否则，就要手工测量每个颗粒的粒度，然后进行统计处理。完成；否则，就要手工测量每个颗粒的粒度，然后进行统计处理。图图4.28堆积荧光蓝粉颗粒的粒度测量堆积荧光蓝粉颗粒的粒度测量 2000X 图图4.29 聚集的超细银粉聚集的超细银粉4 粒度分布测量大规模集成电路板上的沟槽深、线宽、圆直径表表4.1是荧光蓝粉（形状近似球体）的是荧光蓝粉（形状近似球体）的SEM粒度测量结果与激光衍射法、电导法测粒度测量结果与激光衍射法、电导法测量结果的比较。从表量结果的比较。从表4.1可以看出，它们的测量结果比较一致，证明可以看出，它们的测量结果比较一致，证明SEM法的粒度法的粒度测量结果是可靠的。测量结果是可靠的。表表4.1不同粒度测量方法所得结果比较不同粒度测量方法所得结果比较 （m）SEMSEM粒度粒度测量法量法MSMS激光激光粒度粒度仪（英国（英国MalvernMalvern）CoulterCoulter粒度粒度仪（美国）（美国）1 1千倍，千倍，2 2千倍，千倍，10741074个个颗粒粒1 1千倍，千倍，824824个个2 2千倍千倍 205205个个体均粒度体均粒度v v7.907.907.917.917.857.857.607.607.747.74数均粒度数均粒度n n5.575.575.615.615.435.43中位粒度中位粒度50507.657.657.697.697.767.767.377.377.317.31表4.1是荧光蓝粉（形状近似球体）的SEM粒度测量结果与激光使用使用SEM法时应该注意：法时应该注意：（1）SEM粒度测量法得到的体积平均粒度粒度测量法得到的体积平均粒度Dv,不是直接测得的，而是通不是直接测得的，而是通过数学上的转换得到的。从球体体积计算公式可知，用过数学上的转换得到的。从球体体积计算公式可知，用SEM检测时，忽检测时，忽略、漏检略、漏检1个个10m的颗粒相当于忽略、漏检的颗粒相当于忽略、漏检1000个个1m颗粒的影响。所颗粒的影响。所以，大颗粒对以，大颗粒对Dv的影响是很大的，可用表的影响是很大的，可用表4.2的数据说明。的数据说明。表表4.2 大颗粒对粒度结果的影响大颗粒对粒度结果的影响 (m)粒度范粒度范围检测颗粒数粒数大大颗粒数（粒数（10-13m）数均数均Dn体均体均DvD501.30-1097 无无5.227.207.131.30-13 100 35.418.167.75相相对误差差%3.5128从表从表4.2看出，把看出，把100个检测颗粒中的个大颗粒忽略后，算得的数均粒度个检测颗粒中的个大颗粒忽略后，算得的数均粒度n变化变化不大，而体均粒度不大，而体均粒度v的变化却比较大。所以，在使用的变化却比较大。所以，在使用SEM法时，为保证测量结法时，为保证测量结果的准确性和代表性，要选择适宜的放大倍数，注意不要漏检大颗粒。小放大倍果的准确性和代表性，要选择适宜的放大倍数，注意不要漏检大颗粒。小放大倍数用于测量大颗粒，高放大倍数用于测量小颗粒。数用于测量大颗粒，高放大倍数用于测量小颗粒。使用SEM法时应该注意：（1）SEM粒度测量法得到的体积平均（2）测量颗粒数对粒度结果的影响）测量颗粒数对粒度结果的影响本例选用的荧光蓝粉样品，由于形状接近球体，粒度分布较窄，测量本例选用的荧光蓝粉样品，由于形状接近球体，粒度分布较窄，测量100个颗粒个颗粒就能得到比较满意的粒度结果，如表就能得到比较满意的粒度结果，如表4.3所示。所示。表表4.3测量颗粒数对粒度结果的影响（测量颗粒数对粒度结果的影响（1000倍）倍）颗粒粒个个数数个个1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0数数均均 D nm5.575.305.405.575.505.575.64体体均均 D vm8.338.208.068.168.088.098.14D50 m8.118.107.807.927.917.927.95由表由表4.3看出，随着测量颗粒数的增加，数均粒度看出，随着测量颗粒数的增加，数均粒度n的变化并不明显，的变化并不明显，而体均粒度而体均粒度v的变化就稍大。当测量的颗粒数大于的变化就稍大。当测量的颗粒数大于200时时,v变化趋向平稳。可以认定，变化趋向平稳。可以认定，200颗颗粒就是合适的测量个数。对于形状不规则、粒度分布宽的样品言，测量颗粒数对粒粒就是合适的测量个数。对于形状不规则、粒度分布宽的样品言，测量颗粒数对粒度结果度结果Dv的影响就很明显，一般选择测量颗粒数目为的影响就很明显，一般选择测量颗粒数目为300个以上。个以上。（2）测量颗粒数对粒度结果的影响表4.3测量颗粒数对粒度结（3）测量结果误差：测量结果误差：从从SEM的放大倍数误差鉴定知，不同倍数下的长度测量的放大倍数误差鉴定知，不同倍数下的长度测量误差是不同的。当把数均粒度转化为体均粒度时，长度测量误差就会引入到测量误差是不同的。当把数均粒度转化为体均粒度时，长度测量误差就会引入到测量结果中。因体均粒度为数均粒度的立方函数，则带入体均粒度的误差就为长度测结果中。因体均粒度为数均粒度的立方函数，则带入体均粒度的误差就为长度测量误差值的立方。量误差值的立方。（3）测量结果误差：从SEM的放大倍数误差鉴定知，不同倍数5 样品成分的定性、定量分析样品成分的定性、定量分析4.4.1 试样要求试样要求EDS能够分析有机物（如高分子聚合物、生物细胞、植物）、无机物（如金属、氧能够分析有机物（如高分子聚合物、生物细胞、植物）、无机物（如金属、氧化物、矿物盐类）、复合材料（有机物和无机物的复合，如推进剂、计算机外壳），化物、矿物盐类）、复合材料（有机物和无机物的复合，如推进剂、计算机外壳），样品状态可为块状、粉末或水样品状态可为块状、粉末或水/油悬浮液中的颗粒物（当然要进行分离、干燥），油悬浮液中的颗粒物（当然要进行分离、干燥），能定性给出这些样品的元素组成。过去，做能定性给出这些样品的元素组成。过去，做EDS分析要求样品表面光滑，现在没有分析要求样品表面光滑，现在没有这种要求，不过，分析粗糙试样，仍局限于定性或半定量分析。为了得到准确的定这种要求，不过，分析粗糙试样，仍局限于定性或半定量分析。为了得到准确的定量结果，还是使样品表面尽量平滑。另外，对样品的要求还有：（量结果，还是使样品表面尽量平滑。另外，对样品的要求还有：（1）有良好导电）有良好导电性好，导电性不好或不导电的样品，特别是含超轻元素性好，导电性不好或不导电的样品，特别是含超轻元素(如如C、N、O、F)的样品，的样品，最好先在样品表面上喷涂碳膜；（最好先在样品表面上喷涂碳膜；（2）试样尺寸：越小越好，特别是分析不导电的）试样尺寸：越小越好，特别是分析不导电的样品时，小试样可以改善导电性差的影响；大试样，会放出较多气体，影响真空和样品时，小试样可以改善导电性差的影响；大试样，会放出较多气体，影响真空和带来污染；（带来污染；（3）均质、有代表性、无磁性、无污染。）均质、有代表性、无磁性、无污染。(4)粉体样品：细颗粒可依靠粉体样品：细颗粒可依靠自身的表面吸附力，用无水乙醇使其粘附在铜或铝台表面上，要有适当堆积厚度，自身的表面吸附力，用无水乙醇使其粘附在铜或铝台表面上，要有适当堆积厚度，尽量不使电子束激发样品台的成分。必要时可事先检测一下粉体样的成分，若有铜尽量不使电子束激发样品台的成分。必要时可事先检测一下粉体样的成分，若有铜或铝，就相应地使用铝或铜台。粗颗粒要粘在导电胶带上，做或铝，就相应地使用铝或铜台。粗颗粒要粘在导电胶带上，做EDS时尽量选择较大时尽量选择较大的颗粒分析。但是，不论细或粗颗粒，做的颗粒分析。但是，不论细或粗颗粒，做EDS时最好用压片机制成快状。时最好用压片机制成快状。5 样品成分的定性、定量分析4.4.1 试样要求EDS能够4.4.2 能谱仪的分辨率能谱仪的分辨率 能谱仪的分辨率有能量分辨率和空间分辨率之分。能量分辨率是能谱仪最重能谱仪的分辨率有能量分辨率和空间分辨率之分。能量分辨率是能谱仪最重要的性能指标，以全峰半高宽（要的性能指标，以全峰半高宽（FWHM）计量。一般在探头装入电镜样品室之）计量。一般在探头装入电镜样品室之前，生产厂家采用前，生产厂家采用3000cps计数率计数率,选用适宜值的放大器时间常数，用选用适宜值的放大器时间常数，用Fe55放射放射源测定分辨率。实际上，新的能谱仪安装验收时，一般使用源测定分辨率。实际上，新的能谱仪安装验收时，一般使用Mn标样直接测量标样直接测量MnKa线的谱峰半高宽，作为验收分辨率指标。这是鉴定能量分辨率最简单的线的谱峰半高宽，作为验收分辨率指标。这是鉴定能量分辨率最简单的方法，误差较大。能谱仪的能量分辨率主要取决于检测器及放大器的质量；另方法，误差较大。能谱仪的能量分辨率主要取决于检测器及放大器的质量；另外，实际使用中还与计数率、时间常数和环境温度有关。目前，商品能谱仪分外，实际使用中还与计数率、时间常数和环境温度有关。目前，商品能谱仪分辨率一般优于辨率一般优于130ev。空间分辨率指入射电子束与试样相互作用体积的大小，近似等于相互作用体空间分辨率指入射电子束与试样相互作用体积的大小，近似等于相互作用体积的最大直径，它取决于试样的原子序数、电子束的能量（即加速电压、束斑积的最大直径，它取决于试样的原子序数、电子束的能量（即加速电压、束斑电流）。空间分辨率的值电流）。空间分辨率的值(即相互作用体积的直径即相互作用体积的直径)愈大，空间分辨率越差。做愈大，空间分辨率越差。做细颗粒或薄膜样品的成分分析时，要特别注意选择合适的测定条件，以保证最细颗粒或薄膜样品的成分分析时，要特别注意选择合适的测定条件，以保证最佳的空间分辨率。佳的空间分辨率。4.4.2 能谱仪的分辨率 能谱仪的分辨率有能量分辨4.4.3 定性分析与定量分析定性分析与定量分析现以现以NORAN公司公司NSS-300型型EDS分析实例，说明结果表示。样品：钢管表面。分析实例，说明结果表示。样品：钢管表面。能谱图的横坐标为元素的特征能谱图的横坐标为元素的特征x射线峰的特征能量，单位射线峰的特征能量，单位kev，也为脉冲高度，也为脉冲高度，与元素种类有关与元素种类有关;纵坐标为脉冲数，单位为纵坐标为脉冲数，单位为CP，即收集的，即收集的X-射线光子数，谱峰的高射线光子数，谱峰的高度与分析的元素含量有关，但是，非正比关系。上能谱图中显示出的谱峰是铁的度与分析的元素含量有关，但是，非正比关系。上能谱图中显示出的谱峰是铁的K、K、L线，线，C、O、Si、S、Ca、Cr、Mn的的K线。这样，定性分析就得到线。这样，定性分析就得到样品中所含元素的种类和与含量有关的数据。样品中所含元素的种类和与含量有关的数据。4.4.3 定性分析与定量分析现以NORAN公司NSS-3定量分析结果如下定量分析结果如下:其中其中Element/Line为元素为元素/线系线系;Wt%为质量为质量(重量百分数重量百分数);At%为原子百分数为原子百分数.Fri Dec 02 08:20:27 2005 分析日期分析日期Filter Fit Chi-squared value:7.595 拟合误差拟合误差Correction Method:Proza(Phi-Rho-Z)定量修正方法定量修正方法Acc.Voltage:20.0 kV Take Off Angle:34.2 deg 加速电压和信号取出角加速电压和信号取出角Element/LineWt%At%C K8.2227.11O K3.889.62Si K0.801.13Ca K1.041.02Cr K1.010.77Mn K1.100.79Fe K83.9559.56Total100.00100.00EDS分析中分析中,样品成分含量常用的名词样品成分含量常用的名词:“主要主要”成分，指元素含量成分，指元素含量 10%wt;“次要次要”或或“少量少量”成分，指含量为成分，指含量为0.510%wt;“微量微量”成分指少成分指少于于o.5%wt。这里，。这里，“主要主要”、“少量少量”、“微量微量”的说法并不严格，的说法并不严格，多少有些主观。多少有些主观。定量分析结果如下:其中Element/Line为元素/线系分析未知物中含有的元素，即定性分析。如果，样品的组成元素一旦辨认错误，分析未知物中含有的元素，即定性分析。如果，样品的组成元素一旦辨认错误，那么定量分析也就没有意义。因此，定性分析是能谱分析中最关键、最难的一那么定量分析也就没有意义。因此，定性分析是能谱分析中最关键、最难的一步。现代的步。现代的X-射线能谱仪都配备有自动化定性分析软件，但是，它对复杂样品射线能谱仪都配备有自动化定性分析软件，但是，它对复杂样品中中“少量少量”和和“微量微量”级元素的识别往往出错，这一定要注意。在定性分析时，级元素的识别往往出错，这一定要注意。在定性分析时，操作者不能完全相信定性分析软件，必须靠自己的分析和判断能力，必须掌握操作者不能完全相信定性分析软件，必须靠自己的分析和判断能力，必须掌握能谱的正确识别方法，对得到的谱图重新进行审查。辨认样品中的能谱的正确识别方法，对得到的谱图重新进行审查。辨认样品中的“主要主要”成成分元素，比较容易，然而正确辨认样品中分元素，比较容易，然而正确辨认样品中“少量少量”和和“微量微量”级元素就比较困级元素就比较困难，需要一定的分析经验。从谱峰的峰位正确鉴别元素，必须非常熟悉元素周难，需要一定的分析经验。从谱峰的峰位正确鉴别元素，必须非常熟悉元素周期表中各个元素线系的能量位置，仔细注意谱线干扰、畸变、伪峰，以及对每期表中各个元素线系的能量位置，仔细注意谱线干扰、畸变、伪峰，以及对每一个元素的多条谱线（一个元素的多条谱线（KLM线）进行观测判断，否则就可能出现错误。为保证线）进行观测判断，否则就可能出现错误。为保证定性分析的正确，必须拟定适宜测量条件，并且要用标样经常校准定性分析的正确，必须拟定适宜测量条件，并且要用标样经常校准EDS的峰位。的峰位。现代的现代的X-射线能谱仪都配备有自动化定量分析软件，有各种定量修正计算程序，射线能谱仪都配备有自动化定量分析软件，有各种定量修正计算程序，如如ZAF、XPP、PRZ等，可选择性地用于金属、轻元素、粗糙表面、粉末等样等，可选择性地用于金属、轻元素、粗糙表面、粉末等样品的分析。目前，品的分析。目前，X-射线能谱仪提供无标样定量法和有标样定量法。但是，实射线能谱仪提供无标样定量法和有标样定量法。但是，实际应用中主要是采用无标样定量法。际应用中主要是采用无标样定量法。定量分析的灵敏度（即仪器最小检测限：特定条件下，能够检测到元素的最低定量分析的灵敏度（即仪器最小检测限：特定条件下，能够检测到元素的最低含量值），因元素和测量条件不同差别较大，一般在含量值），因元素和测量条件不同差别较大，一般在0.1wt%0.5 wt%（重元（重元素）。素）。分析未知物中含有的元素，即定性分析。如果，样品的组成元素一旦定量分析的准确度：定量分析的准确度：SEMEDS对各种样品的成分分析是在表面指定部位的微区，对各种样品的成分分析是在表面指定部位的微区，与化学分析方法不同，所得结果不能代表样品的体相，若样品材质均匀，象金属与化学分析方法不同，所得结果不能代表样品的体相，若样品材质均匀，象金属材料，则可认为是体相结果。目前材料，则可认为是体相结果。目前EDS定量分析的准确度有很大提高，对无重叠定量分析的准确度有很大提高，对无重叠峰的中等原子序数的试样，分析的准确度与峰的中等原子序数的试样，分析的准确度与EPMA(WDS)相近，有时也能和常规相近，有时也能和常规化学分析方法媲美；对轻元素样品的定量还存在许多问题，分析结果的误差较大。化学分析方法媲美；对轻元素样品的定量还存在许多问题，分析结果的误差较大。定量分析结果的误差，与分析仪器性能、测定条件、元素种类和含量有关，现在定量分析结果的误差，与分析仪器性能、测定条件、元素种类和含量有关，现在国家标准规定了国家标准规定了EDS分析的允许误差：分析的允许误差：主要成分（元素含量主要成分（元素含量20%wt），允许误差），允许误差5%3%wt元素含量元素含量20%wt，允许误差，允许误差10%1%wt元素含量元素含量3%wt ，允许误差，允许误差30%0.5%wt元素含量元素含量1%wt，允许误差，允许误差50%目前，目前，EDS对很多金属样品分析误差，完全可以达到实用要求；对非金属材料对很多金属样品分析误差，完全可以达到实用要求；对非金属材料（氧化物、无机盐、有机物等）定性的灵敏度和分辨率均优于传统的能谱分析。（氧化物、无机盐、有机物等）定性的灵敏度和分辨率均优于传统的能谱分析。尤其它对尤其它对C、N、O、F轻元素检测，拓宽了能谱分析的应用范围。尽管，目前它轻元素检测，拓宽了能谱分析的应用范围。尽管，目前它对轻元素定量分析的准确度还不够理想，但是，把这种定量分析结果作为相对比对轻元素定量分析的准确度还不够理想，但是，把这种定量分析结果作为相对比较的数据，还是很有实际意义的。因为这能够解决新材料研制中的许多问题。例较的数据，还是很有实际意义的。因为这能够解决新材料研制中的许多问题。例如，当剖析一个完全未知样品成分时，开始需要很快知道其中的元素组成、初步如，当剖析一个完全未知样品成分时，开始需要很快知道其中的元素组成、初步的定量分析结果，然后再选用其他准确的分析方法（如红外、的定量分析结果，然后再选用其他准确的分析方法（如红外、X光衍射、光衍射、X荧光、荧光、等离子发射光谱等离子发射光谱ICP等）进一步地分析，得到最终的结果。等）进一步地分析，得到最终的结果。定量分析的准确度：SEMEDS对各种样品的成分分析是在表面6 定性、定量分析示例定性、定量分析示例作者使用作者使用OXFORD公司公司ISIS-200型、型、NORAN公司公司Quest-2和和NSS-300型、型、EDAX公司公司DX-4型和型和GENESIS型型EDS，对许多材料进行过检测，现在列出部，对许多材料进行过检测，现在列出部分结果：分结果：（1）不）不锈钢和合金的和合金的测量：量：不锈钢的测量结果 样品不锈钢（204所）样品35CrMo钢元素ISIS测 wt%化学法 wt%元素ISIS测 wt%标称值 wt%C0.240.490.54Mo0.230.150.25Si0.490.170.37Si0.400.200.40Mn0.550.500.80Mn0.680.400.70Cr0.950.801.10Cr0.980.801.10V0.260.100.20-Fe97.51 -Fe97.71-此不此不锈钢的分析的分析结果中，果中，C、Si的分析的分析误差比差比较大，其它元素的分析大，其它元素的分析误差比差比较小。小。6 定性、定量分析示例作者使用OXFORD公司ISIS-2超导材料(西北有色金属研究院)样品品211晶体晶体123晶体晶体ISIS测 At%标称比称比值AtISIS测At%标称比称比值AtO54.8852.68Cu11.05123.003Y22.7028.241Ba11.37116.092该超超导材料分析材料分析结果中，果中，Cu、Y、Ba的分析比例与的分析比例与标称比称比值完全一完全一样。镍镍-钛合金钛合金元元素素GENESIS测量量 wt%标定定值 wt%相相对误差差%Ni56.2755.950.57Ti43.7344.050.73 此合金分析结果表明，能谱仪对合金分析的准确度很高。此合金分析结果表明，能谱仪对合金分析的准确度很高。超导材料(西北有色金属研究院)211晶体123晶体ISIS测铁钴合金成分分析结果铁钴合金成分分析结果公司或公司或仪器名称器名称测定定单位及日期位及日期SiSiFeFeCoCoCaCaNbNbNdNdDyDy北京科技大学材料北京科技大学材料LeagueLeague学院学院 1.381.3874.5574.559.259.251.671.670.60.610.4110.412.132.1320032003年年1010月月西安文保中心西安文保中心1.541.5470.5370.539.299.29/1.871.8714.9614.961.891.89EDAXEDAX20022002年年8 8月月北京中科院物理所北京中科院物理所/72.2872.288.328.32/1.391.3912.0412.045.975.9720032003年年1010月月OXFORDOXFORD213213所所/73.7273.729.079.07/2.492.4914.7214.72/（20022002年年8 8月）月）名名义值（化学法）（化学法）西北有色金属研究院西北有色金属研究院/70.2570.257.57.5/1.251.2511.511.52 2此分析此分析结果表明，各厂家能果表明，各厂家能谱仪分析分析结果的差异果的差异较大。大。铁钴合金成分分析结果测定单位及日期SiFeCoCaNbNdD（2）粉体：氮化硼、荧光粉钴蓝、氧化物、盐类的）粉体：氮化硼、荧光粉钴蓝、氧化物、盐类的EDS测定结果：测定结果：曾使用曾使用OXFORD公司公司ISIS-200型型EDS分析一个未知物白色粉末，得到如下分析一个未知物白色粉末，得到如下结果：果：粉末未知物粉末未知物谱标记xx-sp1(90X)xx-sp1(90X)xx-sp2(90 x)xx-sp2(90 x)元素元素重量重量 原子原子重量重量 原子原子O O47.60 60.5047.60 60.5047.04 59.9647.04 59.96AlAl52.40 39.5052.40 39.5052.96 40.0452.96 40.04TotalTotal100.00 100.00100.00 100.00100.00 100.00100.00 100.00 从上表看出，从上表看出，Al与与O的原子数比的原子数比为2 3，与，与Al2O3分子中分子中Al与与O的原子比完全一的原子比完全一样。根据形貌照片。根据形貌照片的分析，照片上的的分析，照片上的颗粒形貌与粒形貌与Al2O3的也非常相似。从而，断定的也非常相似。从而，断定该未知物就是未知物就是Al2O3。（2）粉体：氮化硼、荧光粉钴蓝、氧化物、盐类的EDS测定结果氮化硼（氮化硼（BN）粉末样品成分分析结果）粉末样品成分分析结果 原子原子公司名公司名称称测定定单位及日期位及日期硼（硼（B B）氮（氮（N)%N)%备 注注20022002年年8 8月月51.1351.1348.8748.87理理论值（N:B=50:50N:B=50:50）NORANNORAN中科院物理所国家中科院物理所国家纳米中心米中心50.6650.6649.3449.3420032003年年1010月月西安航空西安航空618618所所43.7543.7556.2556.2520022002年年8 8月月OXFORDOXFORD西北有色金属研究院西北有色金属研究院47.8447.8452.252.2分分别使用使用20KV20KV、10KV10KV20032003年年1010月月48.6548.6551.3551.35加速加速电压测定，硼定，硼B B峰低峰低EDAXEDAX西安文保中心西安文保中心54.7554.7545.2545.2520022002年年8 8月月北京中科院物理所北京中科院物理所20032003年年1010月月50.0450.0449.9649.96该数数值为修正后修正后结果，果，没有意没有意义氮化硼（BN）粉末样品成分分析结果 原子测荧光粉钴蓝成分分析结果*元素元素原子原子%重量重量%备注注CoCo14.2614.2633.233.26 6钴蓝分子式分子式 CoAl2O4 CoAl2O4，原子，原子比比Co:Al:O4=1:2:4Co:Al:O4=1:2:4实测原子比：原子比：Co:Al:O4=14.26:28.59:57.15Co:Al:O4=14.26:28.59:57.15=1:2:4 =1:2:4 分析分析结果非常理想果非常理想AlAl28.5928.5930.530.54 4O O57.1557.1536.236.20 0*NORANNORAN公司公司Qunst-2Qunst-2型型EDSEDS检测荧光粉钴蓝成分分析结果*原子%重量%备注Co14.263石膏粉石膏粉*元素元素原子原子%重量重量%备注注O65.3945.53石膏的化学式石膏的化学式CaSO4CaSO4，理，理论原子比：原子比：CaCa：S S：O=1O=1：1 1：4 4实测原子比：原子比：CaCa：S S：O=17.76O=17.76：16.4216.42：63.39=1.08:1:3.963.39=1.08:1:3.9分析分析结果非常好果非常好Al0.090.10Si0.170.21S16.4222.91K0.130.22Ca17.7630.98归一一100100石膏粉*原子%重量%备注O65.3945.53石膏的化黄金铸粉黄金铸粉*元元素素原子原子%重量重量%备 注注O67.1552.48黄金黄金铸粉由粉由CaSO4CaSO4和和SiO2SiO2混合而成，混合而成，经X X光衍射分析，光衍射分析，这2 2种种组分的比例分的比例为20%20%：80%80%。由此元素分析算出的。由此元素分析算出的比例比例:21.1%:21.1%：78.9%78.9%，与，与X X光衍射分析光衍射分析结果接近。果接近。计算方法：算方法：CaSO4CaSO4的的质量：量：3.12*136.14=424.83.12*136.14=424.8；SiO2SiO2的的质量量 26.51*60.09=159326.51*60.09=1593总量量424.48+1593=2017.8 424.48+1593=2017.8；424.8*100/2017.8=21.1%;1593*100/2017.8=78.9%424.8*100/2017.8=21.1%;1593*100/2017.8=78.9%Si26.5136.38S3.215.03Ca3.126.11 *用用OXFORD公司公司ISIS-200型型EDS分析分析黄金铸粉*原子%重量%备 注O67.1552.484.4.5 EDS定点分析定点分析现在的现在的EDS都有单点和多点分析程序，只要将电子束定位在试样感兴趣的点都有单点和多点分析程序，只要将电子束定位在试样感兴趣的点上，选择适宜的分析条件，程序便自动按顺序进行定性、定量分析。该方法上，选择适宜的分析条件，程序便自动按顺序进行定性、定量分析。该方法灵敏度高，适于低含量元素定量、显微结构成分分析，例如，晶界、晶粒、灵敏度高，适于低含量元素定量、显微结构成分分析，例如，晶界、晶粒、夹杂、析出相、沉淀物、奇异相等的组成分析。夹杂、析出相、沉淀物、奇异相等的组成分析。(1)EDS定点分析示例定点分析示例1 铝钴镍合金相的组成分析，利用背散射电子像的灰度铝钴镍合金相的组成分析，利用背散射电子像的灰度差异，选择差异，选择5个特征点分析（如右图），很方便地得到各相的组成比例。个特征点分析（如右图），很方便地得到各相的组成比例。样品和来源：铝钴镍合金，西北工业大学样品和来源：铝钴镍合金，西北工业大学 测定日期：测定日期：2005/12/16 09:15:52 测定仪器：测定仪器：NSS-300型型 X-射线能谱仪，射线能谱仪，S-360扫描电子显微镜扫描电子显微镜钴镍合金背散射电子照片钴镍合金背散射电子照片 500X4.4.5 EDS定点分析现在的EDS都有单点和多点分析程点点1的的X-射线能谱图射线能谱图 点点2的的X-射线能谱图射线能谱图 点点3的的X-射线能谱图射线能谱图 点点4的的X-射线能谱图射线能谱图 点点5的的X-射线能谱图射线能谱图 点1的X-射线能谱图 点2的X-射线能谱图 点3的X-射定量分析结果定量分析结果Quant Fit.:Gaussian Fit without StandardsCorrection Method:Proza(Phi-Rho-Z)五个点的五个点的定量分析定量分析结果果测定点位定点位点点1 1点点2 2点点3 3点点4 4点点5 5元素、含元素、含量量Wt%Wt%At%At%Wt%Wt%At%At%Wt%Wt%At%At%Wt%Wt%At%At%Wt%Wt%At%At%Al KAl K91.0691.0695.6895.6864.9064.9080.1480.1455.4055.4073.0673.0655.6655.6673.2073.2064.8964.8980.1480.14Co KCo K 0.600.60 0.290.2930.1530.1517.0517.0538.3638.3623.1623.16 2.182.18 1.311.3130.1730.1717.0617.06Ni KNi K 8.338.33 4.024.02 4.954.95 2.812.81 6.246.24 3.783.7842.1642.1625.4825.48 4.944.94 2.812.81灰度灰度最暗最暗暗暗较亮亮最亮最亮暗暗定量分析结果五个点的定量分析结果点1点2点3点4点5元素、含(2)EDS定点分析示例定点分析示例2：钢中夹杂物的分析，将试样表面抛光，用被散射电子像观察，找到夹杂物，然后用EDS的定点分析法检测它的元素组分。下面是一个钢件的夹杂物照片。在照片上选做了2个点，得到的X-射线能谱图如下，由能谱图可以知道，夹杂物为O、Mg、Al、Ca元素，化合物应该为Mg、Al、Ca的氧化物。点点1谱图谱图 点点2谱图谱图 背散射电子像背散射电子像 250X(2)EDS定点分析示例2：钢中夹杂物的分析，将试样表面抛(3)EDS定点分析示例定点分析示例3：石油输送钢管壁的石油输送钢管壁的C浓度分布（使用浓度分布（使用OXFORD公司公司ISIS-200型分析）。样件如下图所示。将径向断面抛光，从电镜照片测量出管型分析）。样件如下图所示。将径向断面抛光，从电镜照片测量出管壁厚，从管外壁到内壁等间隔的选取壁厚，从管外壁到内壁等间隔的选取10个点进行个点进行X射线定点分析，得到结果如射线定点分析，得到结果如表，用此结果手工绘制表，用此结果手工绘制C浓度分布曲线，如图浓度分布曲线，如图 所示。从所示。从C浓度分布曲线，明显浓度分布曲线，明显看出看出C元素的分布规律：元素的分布规律：C从钢管外壁到内壁的含量逐渐减小，到第从钢管外壁到内壁的含量逐渐减小，到第6个点位时个点位时发生转折，发生转折，C含量又缓慢增加。含量又缓慢增加。图图 管壁断面图管壁断面图 图图 C浓度分布曲线浓度分布曲线表表 C C浓度分布度分布 点序号点序号1 12 23 34 45 56 67 78 89 91010C C原子原子24.8024.801818232311.8711.8710.2310.234 482821 191913 359593 363637 743437 71818(3)EDS定点分析示例3：石油输送钢管壁的C浓度分布（使4.4.6 EDS线分析（线扫描）线分析（线扫描）使电子束沿样品上指定的一条线扫描，就能得到这条线上感兴趣元素含量的变化曲线。线使电子束沿样品上指定的一条线扫描，就能得到这条线上感兴趣元素含量的变化曲线。线分析是一种定性分析，有二次电子或背散射电子像对照分析，能直观地获得元素在不同相分析是一种定性分析，有二次电子或背散射电子像对照分析，能直观地获得元素在不同相或区域内的分布状态。它常用于材料表面改性（涂层、包覆层、渗或区域内的分布状态。它常用于材料表面改性（涂层、包覆层、渗C、渗、渗N）、催化剂研）、催化剂研究等。做线分析的试样表面，要求抛光，如果试样不平、缺陷、坑洞太多，就会对究等。做线分析的试样表面，要求抛光，如果试样不平、缺陷、坑洞太多，就会对X-射线射线造成吸收，使线分布曲线产生大的变化造成吸收，使线分布曲线产生大的变化,造成线分布假象，难于分清是元素含量变化或是造成线分布假象，难于分清是元素含量变化或是几何因素引起。定义感兴趣元素的含量要求是几何因素引起。定义感兴趣元素的含量要求是“主要主要”或是或是“次要次要”的，如果是的，如果是“微量微量”的，所得的线分布曲线变化就不明显，线扫描的可靠性差，这时就要采用点分析（如前面的，所得的线分布曲线变化就不明显，线扫描的可靠性差，这时就要采用点分析（如前面的定点分析示例的定点分析示例3）。另外还要注意：分布曲线高度代表元素含量，同种元素在相同条件）。另外还要注意：分布曲线高度代表元素含量，同种元素在相同条件下可以定性比较含量变化。因为不同元素产生的下可以定性比较含量变化。因为不同元素产生的X射线产额不同，所以不同元素的峰高不射线产额不同，所以不同元素的峰高不能进行元素含量的比较。即使元素含量没有变化，沿扫描线的元素分布通常也不是一条直能进行元素含量的比较。即使元素含量没有变化，沿扫描线的元素分布通常也不是一条直线，这是由于线，这是由于X射线计数统计涨落和几何因素引起。下面是射线计数统计涨落和几何因素引起。下面是Mg-Zn-Y合金、钴标样和焊缝合金、钴标样和焊缝的线分析示例：的线分析示例：4.4.6 EDS线分析（线扫描）使电子束沿样品上指定的一例例1 Mg-Zn-Y合金的线分析合金的线分析 例例2 钴标样线分析钴标样线分析例1 Mg-Zn-Y合金的线分析 例例3 电焊接钢和钛螺栓焊缝。在图像中画一条横跨焊缝、穿过感兴电焊接钢和钛螺栓焊缝。在图像中画一条横跨焊缝、穿过感兴趣区的线，做线扫描，得到显示趣区的线，做线扫描，得到显示Ti、V 和和 Fe 的变化曲线。（的变化曲线。（EDAX公司）公司）例3 电焊接钢和钛螺栓焊缝。在图像中画一条横跨焊缝、穿过感4.4.7 EDS面分析（面扫描）面分析（面扫描）面扫描是使电子束在试样表面观察区扫描，面扫描是使电子束在试样表面观察区扫描，所定义的感兴趣元素在显示器上以不同颜所定义的感兴趣元素在显示器上以不同颜色的点分别显示出分布图像，并且与采集色的点分别显示出分布图像，并且与采集的二次电子图象相对应，直观明了，点越的二次电子图象相对应，直观明了，点越多、亮度越亮，说明元素含量越高。面分多、亮度越亮，说明元素含量越高。面分析的灵敏度比点、线分析都低，面扫描需析的灵敏度比点、线分析都低，面扫描需要较长时间收集信号要较长时间收集信号,才能得到比较好的才能得到比较好的效果，它也是一种定性分析。观察试样表效果，它也是一种定性分析。观察试样表面元素分布时，元素含量高的区域，显示面元素分布时，元素含量高的区域，显示的亮点多、亮度高，但背底噪音也会产生的亮点多、亮度高，但背底噪音也会产生少量亮点，无法和低含量元素区分。因为少量亮点，无法和低含量元素区分。因为面扫描灵敏度低，分析时往往采用大的探面扫描灵敏度低，分析时往往采用大的探针电流，特别对轻元素，如果探针电流小，针电流，特别对轻元素，如果探针电流小，特征特征X射线信号很弱，无法显示元素分布。射线信号很弱，无法显示元素分布。做面扫描的试样要求表面光滑。它常用于做面扫描的试样要求表面光滑。它常用于材料中异物杂质、相分布和元素偏析快速材料中异物杂质、相分布和元素偏析快速检验。下面是检验。下面是Mg-Zn-Y合金、碳复合材料合金、碳复合材料的面分析结果。的面分析结果。Mg-Zn-Y合金元素的面分