掃描電子顯微鏡（SEM）利用電子束從納米尺度的樣品中獲取信息。所檢測到的主要信號類型是背散射電子（BSE）和二次電子（SE），它們在高倍率下生成樣品的灰度圖像。然而，還有許多其他的電子與樣品表面物質相互作用的產物——這些信號可以提供關于樣品的額外信息。在這篇博客中，我們將闡述掃描電鏡中的能譜（EDX）是如何工作的。

電子 —— 與樣品表面的相互作用

入射電子與樣品表面的物質相互作用產生了各種各樣的信號，這些信號攜帶了關于樣品的不同信息 （圖1）。例如，背散射電子產生的圖像與原子序數的差異有關; 二次電子給出了形貌細節信息，陰極發光可以提供關于電子結構和材料化學成分的信息; 透射電子可以描述樣品的內部結構和晶體學。在掃描電鏡中廣泛使用的另一種信號是X射線。

圖1：電子物質相互作用中產生不同信號的例證。

掃描電鏡中能譜的原理

每個原子都有一個獨特的電子數，它們在特定位置的正常條件下存在，如圖2所示。這些位置屬于特定的軌道，它們擁有不同的、離散的能量。

SEM中X射線的生成一共有兩個步驟。在第一步中，電子束撞擊樣品并將部分能量轉移到樣品的原子上。這種能量可以被原子的電子用來“跳躍”到具有更高能量的能量軌道，或者是脫離原子。如果發生這樣的轉變，電子就會留下一個空位。空位相當于一個正電荷，在這個過程的第二步，空位會吸引來自高能量軌道的電子填補進來。當這樣一個高能量軌道的電子填滿了低能量軌道的空位時，這種轉換的能量差可以以X射線的形式釋放出來。

X射線的能量是通過這兩個軌道之間能量差的特征所展現出來的。它取決于原子序數，是每個元素的唯一屬性。所以，X射線是每個元素的“指紋”，可以用來識別樣品中存在的元素的類型。

圖2：X射線生成過程：1）將能量轉移到原子電子上，使其脫離生成一個空位，2）空位由更高能量的另一個電子填充，并釋放出X射線。

EDX能譜分析：X射線如何工作

與BSE，SE和TE不同，X射線是電磁輻射，就像光一樣，由光子組成。為了檢測它們，最新的系統使用了硅漂移探測器（SDD）。由于其具有更高的計數率、更好的分辨率和更快的分析能力，都優于傳統的Si（Li）探測器。這些探測器被置于一個特定角度，非常接近樣品，并且有能力測量X射線的光子能量。探測器與樣品之間的立體角越高， X射線檢測概率越高，因此獲得最佳結果的可能性也越大。

圖3： 典型的EDX光譜：y軸描述X射線數量，x軸是X射線的能量。峰的位置是對元素的識別，峰高有助于對樣品中各元素濃度的量化。

由EDX分析產生的數據包含了樣品中所有不同元素對應的峰值的光譜。在圖3中可以看到，每一個元素都有獨特能量的特征峰。

此外，EDX可以用于定性（元素的類型）以及定量（樣本中每個元素的濃度百分比）的分析。在大多數SEM中，專用軟件可以自動識別峰值，并計算檢測到的每個元素的原子百分比。EDX技術的另一個優點是，它是一種非破壞性的表征技術，需要很少或不需要樣品的制備。

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Phenom ProX電鏡能譜一體機能譜測試——線掃

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