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元素分析是什么？

 要了解元素分析，首先需要明白X射線的產生，它是當電子射入物質后，從物質表面會發射出各種電子、光子及X射線等電磁波。如圖49所示，由于入射電子的作用，內層電子處于激發態，外層電子向內躍遷填補有空位的軌道時，會產生等同于能量差的X射線，這就是特征X射線。 由于X射線具有元素特有的能量（波長），通過對X射線的檢測，能夠進行元素分析。K層的電子被激發釋放出的特征X射線被稱為K線系，L層、M層被分別稱為L線系、M線系。越是重元素特征X射線的能量越大，這是因為激發時需要高能入射電子。另一方面，入射電子被原子核減速時產生的X射線被稱為連續X射線或者軔致輻射X射線。

特征X射線的產生原理

X射線分光譜儀 

● EDS的分光原理 

能譜儀（Energy Dispersive X-ray Spectrometer：EDS）是通過測試X射線的能量分析特征X射線譜的裝置。如圖50所示X射線進入半導體檢測器后，會產生一定數目的、相當于X射線能量的電子－空穴對，測試其數量（電流）就可以知道X射線的能量，為了減少檢測器的電氣噪音，需用液氮等進行冷卻，從Ｂ～Ｕ的X射線能夠同時測試是EDS的特征。圖51是通過EDS獲得的譜圖，橫軸為X射線的能量值，縱軸為X射線的計數率。

 EDS半導體檢測器的結構                                 EDS譜圖實例

●WDS的分光原理

波譜儀(Wavelength Dispersive X-ray Spectrometer ：WDS)是通過測試X射線的波長分析特征X射線譜的裝置。如圖52所示那樣，通過分光晶體利用X射線的衍射現象來測試波長，在被稱為羅蘭圓的一定半徑的圓上移動分光晶體和檢測器，為了覆蓋全波長范圍，需要配備若干多個分光晶體和驅動機構，因此獲取X射線譜圖的時間較長。

WDS的分光原理

EDS和WDS的不同見表2所示。EDS的特長是用很小的探針電流就可以測試，在比較短的時間內能獲得譜圖，而WDS具有能量分辨率（波長分辨率）高，能夠檢測痕量元素的特點。SEM大多都裝有EDS，而WDS一般作為以元素分析主要目的的電子探針顯微分析儀（Electron Probe Microanalyzer：EPMA）的分光器而被使用。 

表2 EDS和WDS的特征

定性分析根據X射線的譜圖，能夠進行確定電子束照射的區域中存在哪些元素的定性分析。分析模式有三種：獲去電子束照射區域譜圖的點分析，顯示感興趣元素在指定的線上如何分布的線分析，以及顯示感興趣元素的二維分布的面分析，面分析有時也稱面分布。點分析是對樣品上的一點（參照分析區域）進行定性分析，如果是對有一定范圍的區域（不是一個點）進行分析時，定性分析是在電子探針在掃描這一區域（觀察圖像）的同時進行的，檢出限（能檢測出多少微量的元素）根據元素而不同，EDS一般為數千ppm。

X射線面分析只關注特定能量的特征X射線，將電子探針在樣品上掃描的分析為X射線面分析，它能夠知道樣品中元素的分布。但需要注意的是，如果P/B極低（與背底強度相比峰強度很小），X射線圖顯示的不是欲測元素的分布而是連續X射線的分布；此外當欲測元素的特征X射線的能量與其它元素很接近、它們的能量差等于分光譜儀的能量分辨率時，X射線圖有時會顯示其它元素的分布，圖53是X射線面分析的實例，與二次電子、背散射電子相比，特征X射線的強度較弱，因此獲取圖像需花費較長的時間。

圖53 X射線面分析的實例樣品：混凝土碎片

如后面所述X射線面分析的分辨率取決于分析區域，如果樣品表面附近局部存在著特定的元素時，即使顆粒小于分析區域，也能夠識別。 

在樣品上用電子探針進行掃描的同時，逐點進行定量分析的方法叫做定量面分析。這一方法與單純的X射線面分布不同，即使P/B比較低也能夠知道元素的準確分布。

分析區域射入樣品的電子在失去能量的同時在樣品中發生擴散，在這個過程中會激發X射線。因此X射線的產生區域具有一定的范圍，在正常的工作條件下為納米 微米尺寸。需要注意的是，在SEM圖像中想要分析數nm～數十nm的顆粒，而實際的分析區域會變大很多。降低加速電圧雖然可以縮小X射線的產生區域，但加速電圧（電子能量）必須高于被激發的特征X射線能量，因此降低加速電圧是有極限的。要進一步縮小分析區域，可以采用制備薄膜樣品的方法。例如，厚度為100nm左右的樣品在30kV的電壓下進行分析的話，很多元素可以獲得100nm以下的分析區域。

定量分析由于特征X射線的強度與對應元素的濃度成正比例，因而能夠進行定量分析。只要將已知濃度的標準樣品的X射線強度與未知樣品的X射線強度進行比較就能夠知道未知樣品的元素濃度。但是，樣品中產生的X射線在射入真空前有可能被樣品吸收或激發其它元素，因此需要對其進行定量校正，現在使用的EDS和WDS能夠簡單地進行校正計算，但校正進行的前提必須是X射線產生區域中元素的分布是相同，樣品表面是平坦的，電子探針是垂直入射的等。實際上SEM的樣品很多都沒有滿足這一前提條件，因此，應該意識到實際上可能會有不小的誤差。

非導電性樣品的分析與一般的SEM觀察一樣，分析非導電性樣品需要進行金屬鍍膜，與SEM觀察不同需要注意的是，不能鍍制樣品中可能含有的、相同元素的金屬。此外，以檢測輕元素為目的時，鍍上重金屬的厚膜可能會阻礙輕元素X射線的發射，因此鍍膜必須盡量以薄為好。 如果對非導電性樣品不鍍膜直接進行分析，由于荷電效應在低加速電圧下進行分析的話，會出現激發能高的特征X射線檢測不出來，定量分析的精度下降等現象。 此外進行線分析、X射線面分布時，有時還會發生電子探針位置漂移的問題。使用低真空SEM(Low Vacuum SEM，簡稱LV SEM)對不鍍膜的非導電性樣品能夠分析，但由于LVSEM樣品室中，電子束的通路上有殘余氣體分子存在，入射電子束會被散射開來，分析區域將變得很大，這也是值得注意的。