1) 結(jié)合電子探針儀實(shí)物，介紹其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工作原理，加深對(duì)電子探針的了解。

2)選用合適的樣品，通過(guò)實(shí)際操作演示，以了解電子探針?lè)治龇椒捌鋺?yīng)用。

二、電子探針的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及原理

電子探針X射線顯微分析儀(簡(jiǎn)稱電子探針)利用約1Pm的細(xì)焦電子束，在樣品表層微區(qū)內(nèi)激發(fā)元素的特征X射線，根據(jù)特征X射線的波長(zhǎng)和強(qiáng)度，進(jìn)行微區(qū)化學(xué)成分定性或定量分析。電子探針的光學(xué)系統(tǒng)、真空系統(tǒng)等部分與掃描電鏡基本相同，通常也配有二次電子和背散射電子信號(hào)檢測(cè)器，同時(shí)兼有組織形貌和微區(qū)成分分析兩方面的功能。電子探針的構(gòu)成除了與掃描電鏡結(jié)構(gòu)相似的主機(jī)系統(tǒng)以外，還主要包括分光系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)等部分。本實(shí)驗(yàn)這部分內(nèi)容將參照第十四章，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)有的電子探針，簡(jiǎn)要介紹與X射線信號(hào)檢測(cè)有關(guān)部分的結(jié)構(gòu)和原理。

三、實(shí)驗(yàn)方法及操作步驟

電子探針有三種基本工作方式：點(diǎn)分析用于選定點(diǎn)的全譜定性分析或定量分析，以及對(duì)其中所含元素進(jìn)行定量分析；線分析用于顯示元素沿選定直線方向上的濃度變化；面分析用于觀察元素在選定微區(qū)內(nèi)濃度分布。

1．實(shí)驗(yàn)條件

(1) 樣品  樣品表面要求平整，必須進(jìn)行拋光；樣品應(yīng)具有良好的導(dǎo)電性，對(duì)于不導(dǎo)電的樣品，表面需噴鍍一層不含分析元素的薄膜。實(shí)驗(yàn)時(shí)要準(zhǔn)確調(diào)整樣品的高度，使樣品分析表面位于分光譜儀聚焦圓的圓周上。

(2) 加速電壓  電子探針電子槍的加速電壓一般為3～50kV，分析過(guò)程中加速電壓的選擇應(yīng)考慮待分析元素及其譜線的類別。原則上，加速電壓一定要大于被分析元素的臨界激發(fā)電壓，一般選擇加速電壓為分析元素臨界激發(fā)電壓的2～3倍。若加速電壓選擇過(guò)高，導(dǎo)致電子束在樣品深度方向和側(cè)向的擴(kuò)展增加，使X射線激發(fā)體積增大，空間分辨率下降。同時(shí)過(guò)高的加速電壓將使背底強(qiáng)度增大，影響微量元素的分析精度。

(3) 電子束流  特征X射線的強(qiáng)度與入射電子束流成線性關(guān)系。為提高X射線信號(hào)強(qiáng)度，電子探針必須使用較大的入射電子束流，特別是在分析微量元素或輕元素時(shí)，更需選擇大的束流，以提高分析靈敏度。在分析過(guò)程中要保持束流穩(wěn)定，在定量分析同一組樣品時(shí)應(yīng)控制束流條件完全相同，以獲取準(zhǔn)確的分析結(jié)果。

2．定點(diǎn)分析

(1)全譜定性分析  驅(qū)動(dòng)分光譜儀的晶體連續(xù)改變衍射角，記錄X射線信號(hào)強(qiáng)度隨波長(zhǎng)的變化曲線。檢測(cè)譜線強(qiáng)度峰值位置的波長(zhǎng)，即可獲得樣品微區(qū)內(nèi)所含元素的定性結(jié)果。電子探針?lè)治龅脑胤秶蓮拟?序數(shù)4)到鈾(序數(shù)92)，檢測(cè)的最低濃度(靈敏度)大致為0.01％，空間分辨率約在微米數(shù)量級(jí)。全譜定性分析往往需要花費(fèi)很長(zhǎng)時(shí)間。

(2) 半定量分析  在分析精度要求不高的情況下，可以進(jìn)行半定量計(jì)算。依據(jù)是元素的特征X射線強(qiáng)度與元素在樣品中的濃度成正比的假設(shè)條件，忽略了原子序數(shù)效應(yīng)、吸收效應(yīng)和熒光效應(yīng)對(duì)特征X射線強(qiáng)度的影響。實(shí)際上，只有樣品是由原子序數(shù)相鄰的兩種元素組成的情況下，這種線性關(guān)系才能近似成立。在一般情況下，半定量分析可能存在較大的誤差，因此其應(yīng)用范圍受到限制。

(3) 定量分析  在此僅介紹一些有關(guān)定量分析的概念，而不涉及計(jì)算公式。

樣品原子對(duì)人射電子的背散射，使能激發(fā)X射線信號(hào)的電子減少；此外入射電子在樣品內(nèi)要受到非彈性散射，使能量逐漸損失，這兩種情況均與樣品的原子序數(shù)有關(guān)，這種修正稱為原子序數(shù)修正。由入射電子激發(fā)產(chǎn)生的X射線，在射出樣品表面的路程中與樣品原子相互作用而被吸收，使實(shí)際接收到的X射線信號(hào)強(qiáng)度降低，這種修正稱為吸收修正。在樣品中由入射電子激發(fā)產(chǎn)生的某元素的X射線，當(dāng)其能量高于另一元素特征X射線的臨界激發(fā)能量時(shí)，將激發(fā)另一元素產(chǎn)生特征X射線，結(jié)果使得兩種元素的特征X射線信號(hào)的強(qiáng)度發(fā)生變化。這種由X射線間接地激發(fā)產(chǎn)生的元素特征X射線稱為二次X射線或熒光X射線，故稱此修正為熒光修正。

3．線分析

使入射電子束在樣品表面沿選定的直線掃描，譜儀固定接收某一元素的特征X射線信號(hào)，其強(qiáng)度在這一直線上的變化曲線可以反映被測(cè)元素在此直線上的濃度分布，線分析法較適合于分析各類界面附近的成分分布和元素?cái)U(kuò)散。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，首先在樣品上選定的區(qū)域拍照一張背散射電子像(或二次電子像)，再把線分析的位置和線分析結(jié)果照在同一張底片上，也可將線分析結(jié)果照在另一張底片上，見(jiàn)圖實(shí)6—1。圖實(shí)6—1a是Al-4.0％Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù))合金的背散射電子像，被選定的直線通過(guò)胞狀a-A1晶粒，圖實(shí)6—1b是CuK。X射線信號(hào)強(qiáng)度在此直線上的變化曲線。由圖實(shí)6—1a和6—1b可見(jiàn)，在較高的X射線強(qiáng)度所對(duì)應(yīng)的位置是富Cu的A12Cu相；在a-A1晶粒內(nèi)部X射線的強(qiáng)度較低，說(shuō)明其固溶的Cu含量較少；在胞狀ct-A1晶粒界面內(nèi)側(cè)存在一個(gè)約10m寬的Cu貧化帶。

4．面分析

使入射電子束在樣品表面選定的微區(qū)內(nèi)作光柵掃描，譜儀固定接收某一元素的特征X射線信號(hào)，并以此調(diào)制熒光屏的亮度，可獲得樣品微區(qū)內(nèi)被測(cè)元素的分布狀態(tài)。元素的面分布圖像可以清晰地顯示與基體成分存在差別的第二相和夾雜物，能夠定性地顯示微區(qū)內(nèi)某元素的偏析情況。在顯示元素特征X射線強(qiáng)度的面分布圖像中，較亮的區(qū)域?qū)?yīng)于樣品的位置該元素含量較高(富集)，暗的區(qū)域?qū)?yīng)的樣品位置該元素含量較低(貧化)。 圖實(shí)6-2是與圖實(shí)6—1相同的樣品區(qū)域所拍照的面掃描圖像。圖實(shí)6—2b可以清晰地顯示Cu元素在樣品微區(qū)的分布。      

五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室提供的實(shí)驗(yàn)樣品，完成一個(gè)薄膜樣品面掃描分析的全過(guò)程，包括試樣制備、儀器操作、圖像觀察、記錄。

六、思考題

1）簡(jiǎn)述電子探針的分析原理。

2）為什么電子探針應(yīng)使用拋光樣品？

3）舉例說(shuō)明電子探針在材料研究中的應(yīng)用。