什么是微区成分分析

主要指利用电子束与试样微区 (尺寸为10nm～1μm)相互作用后所产生的信号进行成分分析。利用的信号主要有标识 X射线谱和电子能量损失谱。利用电子束激发的俄歇电子谱可以作表面微区成分分析。

微区成分分析技术在物理学、化学、地学、材料科学、生命科学等领域内，得到了广泛的应用。

电子束微区成分分析一般在透射电子显微镜、扫描电子显微镜或专门的扫描透射电镜(见电子显微镜)内进行。早期的电子探测束X射线微分析仪发展到目前，和具有成分分析功能的扫描电镜日益接近，可以归并为一类。微区成分分析的仪器主要有 X射线谱仪和电子能量损失谱仪。

X射线谱仪

有X射线波谱法和X射线能谱法两类。

X射线波谱法

这是50年代开始发展起来的方法，目前主要在扫描电镜中应用。利用标识 X射线进行成分分析的依据是莫塞莱定律:标识X射线的频率的平方根近似和原子序数有线性关系。测定标识 X射线波长(或频率)的原理是布喇格定律（见X射线衍射）。X射线波谱仪中的分光晶体（如 LiF单晶等）按不同的布喇格角将不同波长的X射线光子反射到正比计数器中进行计数，得到X射线波谱。根据标识 X射线峰的位置确定试样中存在何种元素，根据峰的高度确定此种元素的成分。

X射线能谱法

这是 70年代发展起来的方法，目前不仅在扫描电镜，而且在透射电镜中得到广泛的应用。X 射线能谱仪主要由锂漂移硅固体探测器、放大器和多道脉冲高度分析器组成。入射 X射线光子在极短的时间内在锂漂移硅中激发出许多电子-空穴对，电子-空穴对的数目和入射光子能量成正比，输出的脉冲信号高度也和光子能量成正比。多道分析器按脉冲高度（即光子能量）在相应的能量通道中进行计数，得到X射线能谱。根据标识X射线峰的位置和峰的面积确定某种元素的含量。

两种X射线谱仪各有优缺点。波谱仪的优点是：

（1）波长分辨率高，标识 X射线峰的宽度比能谱仪低一个量级；

（2）元素含量的探测限可达0.01重量百分比，比能谱仪低一个量级；

（3）可以探测原子序数≥5的所有元素，而能谱仪一般只能探测原子序数≥11的所有元素。能谱仪的优点是：

（1）能同时探测试样中所有元素的标识X射线，而波谱仪一次只能测定一个标识X射线；

（2）探测效率高，这是由于硅探测器可以放到试样附近，收集更多的标识X射线，而波谱仪的探测效率要低1～2个量级；

（3）探测器结构紧凑、体积小、价格低，而波谱仪则相反。总起来看，能谱仪优点更多、发展得更快，特别是它能装配到透射电镜上对薄试样进行分析，使透射电镜发展成为分析电镜（见电子显微镜）。

微区成分 X射线谱分析的空间分辨率由电子束激发X 射线的范围决定。几十千电子伏能量的电子束在厚试样中激发X射线的范围约1μm3。对薄试样来说，电子束激发 X射线的范围大体上是电子束的面积乘上试样的厚度。如果束直径为10nm、试样厚100nm，则薄试样中X射线激发范围比厚试样小 5个数量级。在这样小的微区中产生的X射线光子数极少，需要用探测效率高的X射线能谱仪进行探测。

X 射线谱定量分析方法有两种：有标样法和无标样法。有标样法要求在同样实验条件下，分别测定已知成分标样和未知成分试样同一标识谱的强度，再根据强度比确定试样中某一元素的含量。在厚试样中必须考虑标样和试样原子序数（或平均原子序数）的不同、对标识谱出射过程吸收的不同和X射线引起的次级X射线荧光的不同后进行修正（即所谓的ZAF修正），才能从标识X射线强度比得到准确度较高(误差＜10％)的元素含量。薄试样中上述三种修正在许多场合下可以忽略。无标样法利用 X射线物理计算出来的强度代替标样上测得的强度或直接计算出试样成分和标识谱强度的关系，再根据试样上测得的强度确定试样中元素的成分。无标样法节省了许多测试标样的时间，但准确度略差。

电子能量损失谱

是利用磁棱镜(或其他电子能量分析器)获得的透过薄试样的电子按能量分布的曲线，一般100keV量级电子透过试样后损失的能量较小，因此用能量损失为横坐标表示透射电子的能量分布，得到电子能量损失谱。透射电子在磁棱镜的磁场中发生偏转，给定磁场后只有一种能量的电子才能通过磁棱镜出口进入电子探测器，顺序改变磁场后即可得到透射电子的能量损失谱。

由图可见，电子能量损失谱可分为：等离（子体）激元损失峰、电离边、扩展电离边精细结构等组成部分。电离边的能量损失等于某一内层 j电子的电离能Ej。利用Ej以上超出背底（图中虚线）的电离损失谱可进行微区成分分析。

电离损失谱的出现是由于入射电子使 j电子电离时损失的能量必须等于或大于Ej。不同元素内层电子电离能不同，使能量损失谱中的电离边随原子序数而变。电离损失谱的定量分析方法还在发展之中，但是由于它具有元素分析范围宽（可分析Z≥3以上所有元素）、探测极限值低、空间分辨率高等优点，已经发展成分析电镜的常规方法。