分享：衬底对粉末试样能谱分析结果的影响
摘 要:选择不同的衬底对粉末试样进行能谱分析,研究了衬底对粉末试样能谱分析结果的影 响。结果表明:当衬底中的元素与试样中的元素存在特征 X射线谱峰重叠现象时,面扫描谱图中 元素的亮点分布异常,导致无法获得理想的能谱分析结果。列举了几种常用衬底及与其谱峰重叠 的元素,有利于快速地选择合适的衬底,以获得理想的能谱分析结果。
关键词:粉末试样;能谱分析;衬底;面扫描谱图;谱峰重叠
中图分类号:TB303;TG115.2 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2023)07-0005-04
扫描电镜可以观察试样表面的微观形貌,能谱 仪可对特定区域进行元素分析[1-2],并实现对试样的 定性和定量分析[3-4]。能谱仪的分析方法有点扫描 分析、线扫描分析、面扫描分析等[5-6]。面扫描分析 的原理为:电子束在试样某一区域进行光栅式扫描, 当被探测的元素含量较高时,该区域显示的亮点较 集中;当被探测的元素含量较低时,该区域显示的亮 点较分散。理论上没有该元素的区域内应该没有亮 点存在,但散射效应会使区域内产生少量的噪声点。 对于试样中原子序数较大且含量较高的元素,其受 噪声点的影响较小,对于原子序数较小且含量较低 的元素,很难获得一个理想元素分布的面扫描谱图。 面扫描谱图采用不同的颜色显示不同元素在试样中 的分布情况,可以清晰地观察到特定元素在试样中 的分布情况,在矿石岩层分析、电子芯片失效性分析 等方面起着重要的作用[7-8]。
进行能谱面扫描分析时,通常会露出衬底,以形 成比较强的对比,获得直观的面扫描谱图,因此衬底 对能谱分析结果的影响较大。笔者选用导电胶、硅 片作为衬底,对含有Sr、La、P、O、Eu、B等6种元素 的粉末试样进行面扫描分析,研究了衬底对粉末试 样能谱分析结果的影响,并得到了试样清晰的面扫 描谱图。结果可为快速选择合适的衬底、获得理想 的面扫描谱图提供理论基础。
1 能谱仪的工作原理及其局限性
1.1 能谱仪的工作原理
当能谱仪的入射电子束与试样相互作用时,会激发出碰撞原子,原子核外的电子能量较高,为了达 到稳定状态,原子外壳电子会填充到内层,产生具有 相应特征能量的 X射线。每种元素的原子序数不 同,其原子核电荷数、核外电子束不同,而同一原子、 不同轨道电子的能级也不同,因此每种元素产生的 特征X射线不同[9-11]。
1.2 能谱仪的局限性
入射电子必须大于每种元素的临界激发能才能 激发该元素,产生特征 X射线,测试时选取的最佳 入射电子能量为临界激发能的2~3倍。原子序数 较小元素的临界激发能比较小,如C元素的临界激 发 能 为 0.28 keV,Cu 元 素 的 临 界 激 发 能 为 8.04keV,选用20kV的加速电压,可以同时使两种 元素的特征X射线被激发,但C元素的能谱分析结 果会受到一定的影响[12]。加速电压可使试样中重 要元素的特征X射线被激发,对原子序数较小的元 素,可以进行定性分析,其定量分析结果误差较大。
在电子束激发的条件下,两种或多种元素产 生的特征 X射线谱峰有重叠[13-14]。能谱仪的能量 分辨率在定性、定量分析中很重要,通常情况下能 谱仪的能量分辨率为能量在5.90keV位置的 Mn Kα 峰的半高宽,其值应大于0.127keV。当某元 素的特征 X射线与其他元素出现谱峰重叠,且两 种元素的特征X射线能量差小于0.127keV时,能谱仪很难将两种元素区分开。Mo元素与S元素、 In元素与 K元素、W 元素与Sr元素等会产生谱峰 重叠现象,可以采用高加速电压激发元素的高能 段谱峰,进而对元素进行定性分析。该方法定量 分析结果的误差较大,改变能谱仪的分辨率无法 解决元素谱峰重叠的问题,对试样的定性、定量分 析结果有一定的影响,对面扫描分析结果也有较 大的影响。
2 能谱分析结果
2.1 衬底对面扫描分析结果的影响
2.1.1 导电胶衬底
将试样放置在导电胶(主要含有C元素)上,对 试样进行面扫描分析,结果如图1所示。由图1可 知:La、Eu、O、Sr、P等元素的面扫描谱图较清晰,没 有试样的位置有一定的噪声影响,有试样位置的元 素亮点分布较集中,对比度明显;有试样位置的 B 元素的亮点分散,没有试样的位置B元素亮点分布 集中,C元素和B元素的面扫描谱图亮点分布几乎 一致;B元素的Kα 峰和C元素的Kα 峰重叠,且两 种元素的原子序数较小,只有一处特征 X射线峰, 难以分辨两种元素,说明获得的面扫描分析结果不 理想。当主要分析试样中的B元素时,不应选择导 电胶作为衬底。
2.1.2 硅片衬底
选择表面平整且导电性良好的硅片作为衬底, 将试样在乙醇溶液中超声分散,然后滴在硅片上,并 进行面扫描分析,结果如图2所示。由图2可知:试 样中La、Eu、O、B、P等元素的亮点在有试样的位置 较集中,并形成了一定的对比度;Sr元素和Si元素 的亮点分布情况基本一致,均出现有试样位置元素 的亮点分散,没有试样位置元素亮点分布集中的异常现象;Si元素的Kα 峰和Sr元素的Lα 峰出现重 叠现象,很难分辨出Sr元素和Si元素。当试样中 含有特征X射线能量与Si元素相近的元素时,如 Ta、W、Sr等元素,应该避免使用硅片作为衬底。
2.1.3 Al衬底
选用Al衬底对试样进行面扫描分析,结果如图3 所示。由图3可知:试样中La、Eu、O、B、P等元素的亮 点均在有试样的位置集中分布,各元素的含量不同,Eu 元素和B元素的含量较少,有一定的噪声影响,但仍可 见元素亮点集中分布的现象;Al元素的Kα 峰与试样 中6种元素均未发生谱峰重叠现象,每种元素在单一 颗粒中均匀分布,获得了理想的面扫描谱图。
2.2 衬底对点扫描分析和线扫描分析结果的影响
采用线扫描分析方法对金属镀层材料的切面、 岩石材料的断层、多层器件的截面等试样进行能谱 分析,该类材料的尺寸较大,衬底对能谱分析结果的 影响较小。采用点扫描分析方法对试样进行能谱分 析,当试样尺寸较小时,线状图中会出现衬底的特征 峰位,衬底对能谱分析结果的影响较大;当试样尺寸 较大时,线状图中未见衬底峰位,衬底对能谱分析结 果的影响较小。与常见衬底元素谱峰重叠的元素如 表1所示。
3 综合分析
综上所述,衬底对能谱分析结果有一定的影响, 尤其是面扫描分析结果,主要原因为:不同元素的特 征X射线谱峰相近且有重叠,当能谱的能量分辨率 较低时,谱峰重叠的元素难以进行区分,如选择的衬 底与试样中的元素谱峰重叠,很难获得理想的面扫 描谱图。常用衬底为导电胶和硅片,还可以选择铝 片、双面铜胶、钛片等金属片衬底。选择衬底时,应 避开与试样中元素谱峰相近的衬底。选择合适的衬 底可以减少测试过程中的试错时间,避免衬底元素 对试样能谱分析结果产生影响。
4 结论与建议
当选择导电胶和硅片作为衬底时,若试样中的 元素与衬底元素存在谱峰重叠现象,会使面扫描谱 图中元素亮点分布异常,进而无法对试样进行面扫 描分析。
建议根据试样中的元素选择合适的衬底,以获 得理想的能谱分析结果。
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