【表征】扫描电镜中的能谱（EDX）是如何工作的？

扫描电子显微镜（SEM）利用电子束从纳米尺度的样品中获取信息。所检测到的主要信号类型是背散射电子（BSE）和二次电子（SE），它们在高倍率下生成样品的灰度图像。

然而，还有许多其他的电子与样品表面物质相互作用的产物——这些信号可以提供关于样品的额外信息。在这篇推文中，我们将阐述扫描电镜中的能谱（EDX）是如何工作的。

入射电子与样品表面的物质相互作用产生了各种各样的信号，这些信号携带了关于样品的不同信息 （图1）。

例如，背散射电子产生的图像与原子序数的差异有关; 二次电子给出了形貌细节信息，阴极发光可以提供关于电子结构和材料化学成分的信息; 透射电子可以描述样品的内部结构和晶体学。在扫描电镜中广泛使用的另一种信号是X射线。

图1：电子物质相互作用中产生不同信号的例证

扫描电镜中能谱的原理

每个原子都有一个独特的电子数，它们在特定位置的正常条件下存在，如图2所示。这些位置属于特定的轨道，它们拥有不同的、离散的能量。

SEM中X射线的生成一共有两个步骤。

在第一步中，电子束撞击样品并将部分能量转移到样品的原子上。这种能量可以被原子的电子用来“跳跃”到具有更高能量的能量轨道，或者是脱离原子。如果发生这样的转变，电子就会留下一个空位。空位相当于一个正电荷，在这个过程的第二步，空位会吸引来自高能量轨道的电子填补进来。当这样一个高能量轨道的电子填满了低能量轨道的空位时，这种转换的能量差可以以X射线的形式释放出来。

X射线的能量是通过这两个轨道之间能量差的特征所展现出来的。它取决于原子序数，是每个元素的唯一属性。所以，X射线是每个元素的“指纹”，可以用来识别样品中存在的元素的类型。

图2：X射线生成过程：1）将能量转移到原子电子上，使其脱离生成一个空位，2）空位由更高能量的另一个电子填充，并释放出X射线。

EDX能谱分析：X射线如何工作

与BSE，SE和TE不同，X射线是电磁辐射，就像光一样，由光子组成。为了检测它们，最新的系统使用了硅漂移探测器（SDD）。

由于其具有更高的计数率、更好的分辨率和更快的分析能力，都优于传统的Si（Li）探测器。这些探测器被置于一个特定角度，非常接近样品，并且有能力测量X射线的光子能量。

探测器与样品之间的立体角越高， X射线检测概率越高，因此获得最佳结果的可能性也越大。

图3： 典型的EDX光谱：y轴描述X射线数量，x轴是X射线的能量。峰的位置是对元素的识别，峰高有助于对样品中各元素浓度的量化。

由EDX分析产生的数据包含了样品中所有不同元素对应的峰值的光谱。在图3中可以看到，每一个元素都有独特能量的特征峰。

此外，EDX可以用于定性（元素的类型）以及定量（样本中每个元素的浓度百分比）的分析。在大多数SEM中，专用软件可以自动识别峰值，并计算检测到的每个元素的原子百分比。EDX技术的另一个优点是，它是一种非破坏性的表征技术，需要很少或不需要样品的制备。