如何解读 SEM-EDS 光谱

研究材料的化学成分对于全面了解其材料特性至关重要。通常，微观到纳米尺度的化学异质性会影响材料的宏观行为。对于这些类型的样品，SEM-EDS 是理想的选择。

扫描电子显微镜 (SEM) 可与能量色散 X 射线光谱 (EDS) 结合使用，以更好地了解材料特性。SEM 的核心是使用高能电子束表征微米到纳米级的样品，与其他显微镜技术相比，其分辨率和景深更高。电子束与样品相互作用产生的二次电子和背散射电子可分别用于表征表面形态和成分。同样，可以分析样品产生的特征 X 射线来评估其成分。

当原子外层轨道电子松弛以填充由高能量源（例如电子束）产生的内层轨道中的低能空位时，会发射特征 X 射线。这些 X 射线的能量和波长都是由其产生的元素所独有的。虽然有多种技术可以分析这些 X 射线，但与 SEM 搭配使用的最常见技术可能是 EDS。EDS 探测器的核心是通过计算产生的 X 射线并测量每个 X 射线的能量来确定其来自哪种元素，从而分析材料的化学成分。

EDS 探测器因其速度快、功能多样和易用性而备受赞誉。它们可让用户快速评估样品中存在的元素并估算相对丰度，通常近乎实时，且不会破坏样品。我们经常将 EDS 数据可视化为光谱，显示 X 射线能量与所分析的 X 射线数量（强度）。解读该光谱及其如何转换为化学成分对于准确表征材料至关重要。

尽管自动元素识别、峰值反卷积和量化等技术进步大大简化了 EDS 数据的解释，但了解 SEM-EDS 的原理和最佳实践仍然很重要。这种基本理解使用户能够对其 SEM-EDS 结果充满信心，并始终收集尽可能最佳的化学数据。

1. 识别存在的元素

当受到电子束等高能量源照射时，每种元素都会发射一组具有独特能量和波长的 X 射线，因此称为“特征 X 射线”。现代最先进的 SEM-EDS 探测器可以分析能量范围从数十电子伏特 (eV) 到数十千电子伏特 (keV) 的 X 射线，使用户能够表征 Li 和 U 之间的几乎所有元素。大多数标准 EDS 系统都针对分析 Be 或 B 到 U 进行了优化。

如下图 1 所示，我们将 EDS 数据可视化为光谱，绘制 X 射线能量与强度的关系图。峰强度对应于元素在样品中的相对丰度，而每个峰的宽度对应于 EDS 探测器的能量分辨率，通常为 125-132 eV（Mn-Kα 的 FWHM）。

现代 SEM-EDS 软件旨在通过将 X 射线峰的形状和能量与已知数据库进行比较来自动识别 X 射线峰。这使所有技能水平的用户都可以轻松收集 EDS 数据。但是，对于微量或痕量（~0.1-5 wt%）元素，软件可能无法将峰值与背景辐射（轫致辐射）区分开来。在这种情况下，用户可能需要手动检查光谱以确认元素的存在。同样，一些 X 射线峰在方法的不确定度内重叠，需要软件峰值反卷积。虽然这种方法对于严重的峰值重叠（例如 Ti-Ba 或 W-Si）也很可靠，但用户应该知道他们的样品会出现哪些峰值重叠，以确保充分考虑这些重叠。

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2.定量分析

SEM-EDS 既可用于提供有关元素的定性信息，也可用于半定量分析。为了准确量化元素浓度，必须考虑样品的均匀性、厚度和表面形貌等因素。这些因素会影响定量结果的准确性。

虽然有多种方法可以根据 EDS 光谱计算样品成分，但最简单且应用最广泛的是无标定量分析。该方法比较所有已识别峰的相对强度，并将结果归一化为 100%。 采用基质校正（例如 ZAF、Φρz）来解释 X 射线产出效率随成分变化的情况。对于理想样品，该方法对于主要成分的重复性在 ±2% 至 ±5% 范围内。

或者，一些用户可能选择使用标准来计算定量结果。在这种情况下，将样品中存在的每种元素的峰值强度与标准的峰值强度进行比较。仍然应用基质校正。虽然这种方法原则上可以产生更准确的定量结果，但它更依赖于理想的样品制备，并且更容易受到用户错误的影响。

3. 样品制备

SEM-EDS 分析的质量在很大程度上取决于样品制备。样品应抛光、平整且相对于电子束的相互作用体积均匀，以确保准确的化学分析。对于成分不均匀的样品，从多个区域获取光谱或获取高光谱 EDS 图可以帮助评估异质性。SEM-EDS 分析的质量在很大程度上取决于样品制备。样品应抛光、平整且相对于电子束的相互作用体积均匀，以确保准确的化学分析。对于成分不均匀的样品，从多个区域获取光谱或获取高光谱 EDS 图可以帮助评估异质性。

4. 样品表面考虑

样品的表面形状会显著影响 SEM-EDS 分析。粗糙或不规则的表面可能会优先吸收或阻挡 X 射线，从而导致计算成分时出现错误。将样品定位在目标区域之间以提供直接视线至关重要，并且有助于全面表征样品，但定量结果应谨慎对待。

5. 加速电压

加速电压的选择对于激发样品中元素的 X 射线线至关重要。建议使用比目标元素的 X 射线线能量高 1.5 到 2 倍的电压来有效激发元素。对于未知样品，使用 15 kV 到 20 kV 之间的加速电压可确保识别所有存在的元素。但是，用户可能会选择在较低的加速电压下收集 EDS 数据，以最大限度地减少相互作用体积，尤其是为了帮助表征纳米到微米级的小特征。

6. 高光谱 EDS 映射

现代 EDS 系统提供高级功能，例如获取高光谱 EDS 图，从而能够详细表征化学异质样品。高光谱图不是在单个点获取 EDS 光谱，而是更类似于 SEM 图像，其中图像中的每个像素都代表一个单独的 EDS 光谱。该技术对于了解样品中元素的分布非常有用，可以识别和完整表征离散层、相或化学梯度。通过利用高光谱 EDS 图，可以将每个像素视为定量分析定量测绘（QMap）甚至可以研究具有复杂基质的样品。这使得该技术对于研究具有以下特征的样品非常有用：

● 复杂的构图

● 重叠峰

● 峰/背景比较低的微量/痕量元素

关于 SEM-EDS 光谱的最终思考

通过对 SEM-EDS 原理的基本了解，研究人员和分析师可以有效地获取和解释可靠的 EDS 数据。这可以解锁宝贵的定量并对其样本进行定性洞察。

必须考虑 SEM-EDS 分析的局限性和挑战，包括样品制备和定量误差的可能性。然而，通过谨慎的方法和解释，SEM-EDS 仍然是材料科学和工程中微至纳米级元素分析不可或缺的工具。返回搜狐，查看更多