能量色散 X 射線譜 (能譜) 是一種檢測(cè)手段，它分析的是由入射電子束激發(fā)樣品原子所產(chǎn)生的 X 射線。能譜是電子顯微鏡中的常用技術(shù)，是一種快速、準(zhǔn)確、無損的成分分析技術(shù)，這使得能譜在冶金、表面分析、礦物學(xué)等領(lǐng)域具有吸引力。
飛納臺(tái)式掃描電鏡為各種樣品的能譜分析提供了*集成的自動(dòng)化解決方案。飛納電鏡的能譜采用可靠的成分分析解決方案，在不影響分析質(zhì)量的前提下可以快速獲得分析結(jié)果，適合于各類用戶。
當(dāng)電子束撞擊樣品時(shí)，隨著電子進(jìn)一步穿透到樣品內(nèi)部，會(huì)發(fā)生多種相互作用。在掃描電鏡中有三個(gè)最重要的信號(hào)，分別是背散射電子、二次電子、X 射線，如圖 1 所示。關(guān)于不同的信號(hào)來自于哪個(gè)深度，與高能量信號(hào)相比，樣品深處產(chǎn)生的低能量信號(hào)到達(dá)表面的概率更低。也就說，較低能量的信號(hào)更容易被樣品吸收，而較高能量的信號(hào)更容易被散射。
二次電子能量相對(duì)較低（通常 < 50eV），雖然在整個(gè)相互作用區(qū)中都可產(chǎn)生二次電子，但只有樣品表面的二次電子才可以逸出材料表面，從而被檢測(cè)到，這種特性使得二次電子可以提供更好的形貌信息成像。背散射電子來自從樣品中散射逸出的入射電子。這種散射過程高度依賴于電子運(yùn)動(dòng)路徑上所遇到的原子。這意味著，可以從背散射電子信號(hào)中觀察出成分稱度差異。背散射電子的能量比二次電子高一個(gè)數(shù)量級(jí)，可以提供樣品更深處的成像信息。
X 射線在樣品內(nèi)部相對(duì)較大的體積內(nèi)產(chǎn)生，它們逸出樣品的過程中發(fā)生更多的相互作用。這就使得 X 射線的能量低于入射電子能量。了解這些相互作用對(duì)于 X 射線能譜的定量解釋至關(guān)重要。我們將詳細(xì)闡述影響能譜定量的重要因素，并展示飛納電鏡的軟件如何對(duì)它們進(jìn)行建模，以得到準(zhǔn)確、一致的定量結(jié)果。
圖 1 入射電子的典型相互作用區(qū)在一到幾百立方微米之間。主要取決于入射電子的加速電壓。不同深度可檢測(cè)到的信號(hào)也不同：最靠近表面，主要產(chǎn)生二次電子；更深處，主要產(chǎn)生 X 射線。
玻爾軌道模型對(duì)于理解入射電子如何產(chǎn)生 X 射線非常有用。該模型認(rèn)為不同電子存在于原子核外不同的能級(jí)殼層。其中 K 層最靠近原子核，其能量低。從 K 層開始按字母順序，依次是 L 層和 M 層，依此類推。通常，前三個(gè)能級(jí)層與電鏡上 X 射線的分析相關(guān)。入射電子將較低能級(jí)層的電子激發(fā)到較高的能級(jí)層，該原子為了穩(wěn)定，具有較高能量的外層電子將會(huì)返回并填充到原始能量較低的內(nèi)層，在這個(gè)過程中就會(huì)釋放 X 射線。不同原子的能級(jí)結(jié)構(gòu)是不同的，這意味著 X 射線的能量是每個(gè)原子的特征。
不同殼層之間存在一定能量差，而每個(gè)殼層又分為多個(gè)不同能量的次殼層。能譜中常見兩個(gè)字母的組合來命名 X 射線峰位置，其中第一個(gè)字母表示電子回落到的殼層，而后面的希臘字母則表示由高能級(jí)的不同殼層回落到低能級(jí)殼層而激發(fā)產(chǎn)生的。例如，Kα 線和 Kβ 線都表示由高能級(jí)殼層向K殼層的躍遷，但是 Kα 是由 L 層向 K 層躍遷而產(chǎn)生，而 Kβ 則是由 L 層向 K 層躍遷而產(chǎn)生。躍遷產(chǎn)生的特征 X 射線的能量是不同能級(jí)能量之間的能量差，如圖 2 所示。
從激發(fā)態(tài)躍遷到基態(tài)可以通過一步躍遷或多步中間態(tài)躍遷而實(shí)現(xiàn)。例如 M 層電子躍遷到 K 層，可以由 M 層直接躍遷至 K 層而實(shí)現(xiàn)；也可以由多步躍遷實(shí)現(xiàn)：L 層的電子填充 K 層空位，隨后，M 層的電子躍遷至 L 層剛產(chǎn)生的空位。每個(gè)躍遷都會(huì)產(chǎn)生 X 射線的激發(fā)，激發(fā) X 射線的能量的總和等于 K 層和 M 層之間的能級(jí)差。
硅漂移探測(cè)器（SDD）因其*的*性能而廣泛用于掃描電鏡中的 X 射線檢測(cè)。到達(dá)探測(cè)器窗口的 X 射線被轉(zhuǎn)換為小的電流信號(hào)，這些電流之后被放大，由數(shù)字脈沖處理器進(jìn)行計(jì)算處理。硅漂移探測(cè)器比之前的鋰漂移硅 [Si(Li)] 探測(cè)器具有更高的性能，比如具有更高的計(jì)數(shù)率、更好的能量分辨率、更優(yōu)秀的輕元素檢測(cè)。為了確保能譜分析的準(zhǔn)確性，對(duì)檢測(cè)過程中產(chǎn)生的其他作用進(jìn)行修正是非常重要的（將在下篇的專家部分詳細(xì)講述）。飛納電鏡可以同時(shí)控制掃描電鏡的電子束和能譜探測(cè)器，*集成于一個(gè)用戶界面中。這進(jìn)一步優(yōu)化了信號(hào)分析過程，提升了用戶體驗(yàn)。
飛納方案
1. 從原始數(shù)據(jù)到最終信息
飛納能譜分析是一個(gè)使用正向模擬方法的全自動(dòng)工作流程。首先分析能譜中存在哪些元素，提供量化的初始結(jié)果。通過迭代計(jì)算，創(chuàng)建多個(gè)合成能譜，與測(cè)量的能譜進(jìn)行逐步比對(duì)，直到得到最佳匹配結(jié)果，如圖 3 所示。
電子在樣品內(nèi)部的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量損失會(huì)產(chǎn)生連續(xù) X 射線的輻射，以背景信號(hào)的形式存在于譜圖中。因此必須消除此背景信號(hào)的干擾，以便進(jìn)行更準(zhǔn)確的定性和定量分析。
然而，背景信號(hào)的強(qiáng)度并不均勻，因?yàn)榇┩傅綐悠穬?nèi)的電子的能量會(huì)逐漸降低，同時(shí)沿穿透路徑激發(fā)一連串的 X 射線信號(hào)。
該背景信號(hào)的建模基于入射電子能量、樣品成分、檢測(cè)過程。
飛納算法將這些因素都考慮在內(nèi)，因此能以最高精度對(duì)背景信號(hào)進(jìn)行建模修正。
在飛納電鏡中，對(duì)所得能譜進(jìn)行元素識(shí)別的過程是*自動(dòng)化的。關(guān)于元素定性識(shí)別，是根據(jù)已知的譜線數(shù)據(jù)庫搜索對(duì)應(yīng)譜峰的位置，這是業(yè)內(nèi)通用的方法。飛納算法所使用的數(shù)據(jù)庫，包含許多已發(fā)布的、且被專家審定的原子能譜信息數(shù)據(jù)。
使用數(shù)據(jù)庫識(shí)別元素是一種簡(jiǎn)便的定性方法。但是，實(shí)際情況下有些 X 射線的峰值僅相差幾十 eV 能量，這個(gè)能量差小于能譜探測(cè)器的分辨率。
檢測(cè)是否存在其它能量譜線非常重要，例如，一個(gè) Kβ 峰具有相對(duì)應(yīng)的 Kα 峰。在整個(gè)能量范圍內(nèi)，飛納能譜算法將獲得的譜線與擬合譜線進(jìn)行比對(duì)。多次迭代計(jì)算以匹配最佳結(jié)果，從而獲得最準(zhǔn)確的結(jié)果。
在一些案例中，不同元素的峰會(huì)發(fā)生重疊。例如，硅 (Kα1=1.739 keV) 和鎢 (Mα1=1.779 keV) 的間距僅為 40 eV，這超出了能譜探測(cè)器的能量分辨率。
反卷積算法是一個(gè)用于分離重疊峰，并確定每個(gè)獨(dú)立元素對(duì)重疊峰形的貢獻(xiàn)的方法。圖 4 中可以看出，飛納能譜算法可以輕松解析并準(zhǔn)確定量分析這些重疊峰。
一旦獲得譜圖，通過元素種類及其含量的一階估算將生成一個(gè)對(duì)應(yīng)于該元素種類及估算含量的新譜圖。然后，采用合適的數(shù)學(xué)優(yōu)化方法反復(fù)調(diào)整該估算含量，直到估算生成的譜圖與觀察到的譜圖盡可能接近。最佳匹配的估算將作為最終的能譜結(jié)果并生成報(bào)告。
這種方案的主要優(yōu)點(diǎn)是物理和數(shù)學(xué)相結(jié)合；產(chǎn)生 X 射線的物理過程決定了合成譜圖，而數(shù)學(xué)方法則用于確定哪個(gè)譜圖是最合適的。
為了合理地模擬能譜圖，必須考慮幾種效應(yīng)，它們都集成在整個(gè)迭代算法過程中。小編將在下一篇為大家詳細(xì)講述。
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