XFlash 7T TEM QUANTAX EDS 透射电子显微镜能谱分析仪

电子显微镜分析仪

TEM QUANTAX EDS

XFlash® 7T - 纳米尺度上的彩色图像: 用于 TEM 和 SEM STEM 的 EDS

单原子与纳米结构

使每一台电子显微镜都能物尽其用

产品亮点

基于 TEM 的元素分析在不同领域中的应用

半导体

NiSi(Pt)-NiSi2半导体结构中Pt 的定量

从 Si 上的 NiSi(Pt)-NiSi2 结所获得的低 X 射线能量端谱图。实验测得谱图为黑色线，谱峰剥离的结果显示为纯色峰。

在这个案例中，我们展示外延生长的 Pt 合金 NiSi 薄膜的 EDS 表征数据。NiSi 是用于半导体器件（如 MOSFET）的 纳米级尺寸金属结构材料。NiSi 材料中加入 Pt 可以在高温下稳定金属 NiSi，避免其转化为导电性较低的 NiSi2 相。Pt 可溶于NiSi 中的Ni，但Pt 不溶于NiSi2。

Ni 和 Pt 被磁控溅射在 HF 清洁的 (001) Si 晶圆上。从单个 Pt 源溅射出的 Pt 量经过控制，最 终实现产物中仅有几个原子百分比的Pt 含量。在氮气保护下，薄膜在700度条件下迅速退火30秒，产生了NiSi和NiSi2的混合物。密度较高的 NiSi 的质量衬度较亮，即在高角环形暗场像 （HAADF） 中更亮。由于 Pt 能量边，EELS 很难量化这种材料 Pt 的含量。

然而，在覆盖有HAADF图像并在7分钟内获取的EDS图中，Pt 清晰可见。传统 STEM 上的 0.12 sr、22° 起飞角度的硅漂移探测器用于 EDS 数据采集。这个 EDS 实验证实了检测 NiSi 中 Pt ，EDS 是首 选的解决方案。使用理论的 Cliff-Lorimer 因子对 NiSi 中的 Pt 含量进行定量，结果表明Pt 的原子百分比为2%，误差范围 ±1% 内。具体结果，参见定量图和提取的线扫描。这两张图都表明Pt 在 NiSi 中分布是均匀的，且含量在2 at%左右。

层状结构的化学物相分析

在许多情况下，进一步处理元素面分析以获得更清晰的样品图像是有利的。我们对层状样品的定量面分析进行了演示。第 一张图显示了样品中元素定量面分析的混合图。整张图片显得相当"嘈杂"。在这张图中，我们定义了三个感兴趣或者由代表性的区域，它们是两个矩形和一个较小的圆形区域，用于展示测试程序。

Autophase 功能可以在 “Objects”（选区分析） 模式下启动。它可以在主要成分分析中使用定义的区域作为参考，在图中查找成分类似的区域，并将这些区域划分为同一物相。结果见第二张图。第二张图中可以区分和定位 Zn 和 Cd 含量不同的两个物相。而由线扫描和点分析导致样品表面产生的碳污染则被分配成为第三物相。左侧的灰色区域位于感兴趣的区域之外，与其他物相相比，灰色区域是"未分配的"，其成分与已确定的物相都不同。而最 右侧的区域也含有碳。

纳米线的化学特性

纳米线EDS光谱，显示Au和P的解卷积谱峰剥离结果

纳米结构，比如纳米线和纳米棒，以及功能化纳米囊代表了纳米技术在近些年的迅猛发展。它们在很多方面具有非凡的应用前景，比如纳米电子设备或纳米药物在人体中的输送。

多结III-V 纳米线是非常有前景的单电子晶体管。在这个案例里，我们使用0.12 sr 固体角，22度检出角的能谱探头对它进行分析。这个样品是由意大利 Laboratorio NEST, Scuola Normale Superiore Pisa 提供。布鲁克的超光谱“HyperMap”为每个像素保存谱图，允许对采集的数据进行仔细的在线或离线分析。在对不同元素重叠峰进行谱峰剥离之后，可以正确再现纳米线中的元素分布。重叠的Au Mα 和P Kα 线的解卷积（见右谱）对于正确表示纳米线尖 端可见的金催化剂颗粒至关重要。4x4 像素并和模式用于增强统计。厚度低至 1.5 nm 的单富 P 层清晰可见（元素分布图和提取的定量线扫描）。提取的线扫描的定量元素轮廓还显示，In 浓度保持在50%，而 As和P则相互交换，组成其余50%的纳米线的成分。

在石墨烯上识别单个原子

获得单个原子的谱图不仅是EDS的最 高艺术，而且可以提供有关特定元素的激发特性的宝贵新信息。

在这个案例中，我们使用 EELS 和 EDS 同时分析含有单个硅原子的石墨烯单层。通过这两种方法，原子可以识别为 Si。此外，这种方法也可以识别一个单 Pt 原子（数据发表在[1]；进一步阅读参见[2]）。

EDS 谱图见下图。考虑到使用的束流和采集时间，根据当前模型，预计计数数量大约是实验测得数据的两倍。由于这一结果对于其他元素的表征也是一致的，进一步能谱理论研究将是十分重要且有趣的。

半导体内连结的化学成分表征

在标准扫描透射电子显微镜 （STEM） 上使用 30 mm2 的探测器面积的能量分散 X 射线光谱（EDS 或 EDX） 可在几分钟内提供具有纳米级分辨率的元素面分析。分析条件是，当探测器头足够小（细管径设计），探测器就可以尽可能接近试样（高固体角）并且相对试样足够高（高检出角）。后者有助于避免阴影效应和降低吸收对结果的负面影响。

标准STEM安装30 mm2有效面积，带有SLEW 的EDS，探测器可以达到0.09 sr固体角和22°的检出角。我们用它来分析半导体内连接结构（图1）。元素分布可以被成功表征。使用Cliff-Lorimer方法定量处理EDS数据。ESPRIT 软件中Cliff-Lorimer理论因子的计算基于以下信息：

• 具有辐射横截面和荧光产生值的强大，完备的原子数据库

• 探测器与试样的几何构型

• 探测器的量子效率

在相同条件下研究的一系列标本中，使用理论计算因子的 Cliff-Lorimer 方法相对于样本系列中所选的标准样品，可精确到几个原子百分比内。EDS 数据清楚地显示了 Ta 和 TiN 互连衬里的钽和钛，以及铜和钨填充（图 2）。钛信号可以从氮信号中分离。可以去工作并正确分配 Si、Ta 和 W（图 3）。

图1：内连接结构的高角环形暗场像。 标本来源：Synergie4。

图2：从355像素×678像素元素面分析中提取的数据，采集时间：15分钟。左：几个相关元素的净计数结果图。中：使用 4x4 像素并和模式对 Ta 进行定量分析。右图：使用 8x8 像素并和模式的 Ti 分布。

使用 STEM (T-SEM) -EDS 对半导体 RAM 微芯片进行超高分辨的面分析

采用X射线方法表征半导体纳米结构的元素分布图并不总是直截了当的。在研究半导体材料时，实现纳米尺度空间分辨率和X射线峰值重叠的解卷积是常见的挑战。有时，使用 SEM 进行表征而不是昂贵的 TEM ，不光节省经济成本还节省时间成本。

在这个案例中，我们展示了使用环形 XFlash® FlatQUAD EDS 探测器，在 SEM 中获取的半导体结构的高分辨率 EDS 图。XFlash® FlatQUAD的 4 个 SDD 环形排列整体具有对称性，测试时探测器位于在试样和 SEM 极片之间。测试条件为 20 kV 加速电压和 220 pA 电流。XFlash® FlatQUAD 的高灵敏度允许在SEM中实现超过10 nm的空间分辨率（见图2）。尽管 X 射线峰值重叠严重，但硅 （Si） 和钨 （W） 在结果图上可以很好地区分，这要归功于布鲁克 ESPRIT 软件中优秀的峰值解卷积的模型（参见图 1）。

纳米材料

磁性纳米结构的面分析表征

这个球差校正 HAADF 图像展示了几个 SiO2 颗粒以及其外壳的结构信息。由于外壳层包含的元素原子量高，这个磁性外层在HAADF对比度中比Si亮得多。

该试样由一个 SiO2 球体组成，该球体涂有纳米薄层钽（Ta）和铑（Ru）最外层的成分则包含钴 （Co）、铂 （Pt）、铬 （Cr） 和氧 （O）。正如球差校正电镜的HAADF 像展示的，这个结构的最外层有一个刺猪样的结构。使用传统 STEM 中的 EDS 可以获取材料上元素的信息，并且清楚地了解它分层的结构。例如，使用 8 x 8 像素并和模式对图进行定量后，很容易区分由 Ru 和 Ta 组成的种子层，以改进这种快速测量的统计信息。混合元素图则展示更多信息，这些信息对功能磁层的属性和生产过程非常重要：

a） Co 和 Pt 均匀分布在顶层

b） Co 和 Pt 在单个晶体上形成封闭膜，导致磁连接和容易切换行为

c） Cr 似乎集中在结构的表面。

在APL 的这篇论文中（Magnetic hedgehog-like nanostructures, C. Brombacher, M. Falke, F. Springer, H. Rohrmann, A. Goncharov, T. Schrefl, A.Bleloch, M. Albrecht Appl. Phys. Lett. 97, (2010) 102508. DOI: 10.1063/1.3486679），球差电镜上高清的EELS 表征展示，铬氧化物在刺猪样结构间隔绝了单Pt-Co晶体，因此磁性各向异性可用于设备应用，如数据存储。

Pd-Pt 核壳结构颗粒的定性和定量面分析

Pd-Pt 核壳颗粒的HAADF图像，本应用例中分析了最 亮的一个

核壳结构的颗粒在纳米技术中发挥着越来越重要的作用，特别是在催化中。

本应用示例提供 Pd-Pt 核壳纳米颗粒的元素分布图。左侧的图像库包含一个包含 Pd 和 Pt 颗粒的混合元素 HAADF 图像。定量的单元素图提供了更清晰的核壳元素分布图。除此之外，也可以看到，颗粒的左侧并没有 Pt，这是由于生产过程的特殊设计。

数据是由Johnson Matthey 和 the University of Birmingham (UK)提供的。

原子柱 EDS 分析

半导体的特性由其在原子水平上的结构决定，例如点缺陷。以尽可能高的分辨率使用 EDS 面分析，可以定位和表征此类缺陷。

在这个应用案例中，我们研究了M. W. Chu 提供和已发布的数据（M. W. Chu et. al., Phys. Rev. Lett. 104, 196101 (2010)）。样品是由 InGaAs 和 InAlAs 的交替层组成的一个多层结构。使用仅 3 ms 单像素停留时间（13 s 总测量时间）和 33 pA 探针电流，我们可以确定 InGaAs 结构的一个原子柱中 In 的成分变化。

缺乏In 的区域可以从右下图的缺失蓝色的区域找到。In 的缺失还会导致显示的 HAADF 线扫描文件中的 InGa 柱强度的降低。

生物/软物质材料

以LaB6为例进行定量分析

六硼化镧（LaB6） 是 S/TEM 定量 EDS 分析的一个非常说明性的例子，因为它包含两个极端，一个很轻的元素 （B） 和一个重元素 （La）。LaB6可用于显示布鲁克 XFlash® 探测器和Cliff-Lorimer 定量方法的性能。

未知样品的定量测试从元素识别开始。要定量的元素可以通过自动或交互式方式进行定义。来自元素杂散辐射的能量峰，例如，样品架上的 Cu 网或碳污染只用于解卷积。下一步是扣背底，我们提供了一种特殊的韧致辐射物理模型，以完 美拟合实际的背底。第三步是解卷积——谱峰剥离，软件中提供了几种不同的拟合模型可用于实现最 佳的峰值分离。最 后，使用理论或校准的Cliff-Lorimer（CL） 因子完成定量。

LaB6 标样（谱图库中的绿松石光谱）可用于实验中校准Cliff-Lorimer因子。

使用理论CL因子的结果已经显示了布鲁克的Cliff-Lorimer定量的优异性能。它们非常接近预期构成 La 14.29 at%和 B 85.71 at.%。此外，使用La K系列代替L进行定量的结果表明，QUANTAX系统非常适合谱图采集，也非常适合超过20kV 线系峰的定量。

生命科学领域的 EDS

酵母细胞的元素面分析

如果必须同时确定材料中的许多元素，S/TEM 中的 EDS 尤其有用。相当多的生命科学的 EDS 应用就是这种情况。下图们展示了一个有趣的应用，被锇元素污染以及银标记的酵母细胞。酵母细胞的EDS 元素面分析图在 24 分钟内采集完成，使用的探测器固体角为 0.12 sr 起飞角度为 22°。银标记（在明场像中的小暗特征）被成功表征。此外，EDS 提供了此细胞样本中所有其他元素的分布。例如 N、C、S 和 P。而且，混合元素面分析提供了不同元素分布关联的信息。这些结果图包含两个混合显示示例，一个是 C 和 O 的元素分布图，另一个是 N、Os 和 Ag 元素分布图。

由于 TEM-EDS 的性能近年的显著提高，生命科学领域现在可以实现新的纳米级表征。

酵母细胞的免疫标记和人血细胞中的疟疾寄生虫的化学

扫描透射电子显微镜（STEM）中的能量分散X射线光谱（EDX或EDS或EDXS）可为生命科学提供有价值的数据，例如：细胞和组织成像。用于 EDS 的硅漂移探测器在低能端非常敏感，因此现在 EDS 通常可以检测与生命科学相关的少量轻元素，如钙、氧、氮和硫。

此外，EDS 允许在一次实验中对元素周期表几乎所有元素进行面分布表征，这样的面分析表征通常只需几分钟。这使得电子显微镜中的EDS成为研究复杂生物材料的重要设备。

生物矿化是一个合适的研究方向，因为氧或钙等元素的EDS面分布表征是可行的。此外，酵母细胞的免疫标签也可以通过它们周围的成分所被EDS 识别。

图1：嵌入树脂的疟原虫感染的人体血细胞，疟疾引起寄生虫。轻和重元素的定量面分析。探测器参数 30mm2 EDS 探测器面积，固体角 0.09 sr，检出角 13°，标准 STEM，采集时间 20 分钟。数据提供：C. Biot, C. Slomianny, Lab. of Cell Physiology, University of Lille, France.

图2：使用ESPRIT软件对锇元素还有磷元素谱峰进行分离

例如，在标准STEM中，使用EDS对感染了恶性疟原虫（导致疟疾的疟原虫）的嵌入人类红细胞的树脂进行了分析。定量面分布和谱图分析见图1。用于染色的金属锇还有轻元素磷的峰值重叠，使用多功能且非常开放的 EDS 分析软件 ESPRIT 可以轻松这两种不同元素的谱峰。图2表明，在锇峰中放入磷的谱峰对正确表征谱图至关重要。此外，用于钙元素的峰值也清楚地出现在扣除背底的谱中（没有误扣）。

原位分析

In-situ Element Mapping at Elevated Temperatures

The use of heating holders, or any other in-situ reaction cells, which are suitable for electron microscopy and EDS, allows to monitor the effect of materials treatment in-situ or in-operando in the electron microscope. This means that information on changes in structure and element composition is available qualitatively and quantitavely with high spatial resolution.

Electron microscopy is the means to study materials with high spatial resolution. Energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS) in the electron microscope allows to map element distributions on the nanoscale. And finally, the use of heating holders, or any other in-situ reaction cells, which are suitable for electron microscopy and EDS, allows to monitor the effect of materials treatment in-situ or in-operando in the electron microscope. This means that information on changes in structure and element composition is available qualitatively and quantitavely with high spatial resolution.

EDS element maps for monitoring particle structure and composition changes during heating from 800°C to 1000°C

A Pt-Pd test specimen was investigated at various elevated temperatures using the Wildfire, a MEMS based heating holder from DENS solutions and a Bruker QUANTAX EDS system with an XFlash® 6T 30 detector on a standard scanning transmission electron microscope (STEM). The detector with 30 mm2 active area achieves a collection angle of 0.09 sr at a take-off angle of 22° in the STEM used. The specimen holder is of a new special design for improved thermal stability in z-direction, which allowed to monitor the same specimen area easily between room temperature and 1000°C. The EDS system provided suitable mapping times of a few min element map at each temperature step.
Figure 1 shows the development of the Pt-Pd nanoparticles with rising temperature.
Figure 2 demonstrates how the development of the particle number size and composition can be monitored quantitatively using PCA based phase analysis and arealy coverage.

高温下的原位元素成像

适用于电子显微镜和EDS的加热支架或任何其他原位反应池的使用允许在电子显微镜中原位或操作地监测材料处理的效果。这意味着关于结构和元素组成变化的信息可以以高空间分辨率定性和定量地获得。

电子显微镜是研究具有高空间分辨率的材料的手段。电子显微镜中的能量色散X射线光谱（EDS）允许在纳米尺度上绘制元素分布图。最后，使用适用于电子显微镜和EDS的加热支架或任何其他原位反应池，可以在电子显微镜中原位或操作地监测材料处理的效果。这意味着关于结构和元素组成变化的信息可以以高空间分辨率定性和定量地获得。

用于监测800°C至1000°C加热过程中颗粒结构和成分变化的EDS元素图

使用Wildfire，一种来自DENS解决方案的基于MEMS的加热支架和Bruker QUANTAX EDS系统，在标准扫描透射电子显微镜（STEM）上使用XFlash®6T 30探测器，在不同的高温下对Pt-Pd试样进行了研究。在所使用的STEM中，具有30 mm2有效面积的探测器在22°的起飞角下实现了0.09 sr的收集角。样品支架采用新的特殊设计，可提高z方向的热稳定性，从而在室温和1000°C之间轻松监测相同的样品区域。EDS系统在每个温度步骤提供了几分钟元素图的适当映射时间。

图1显示了随着温度的升高，Pt-Pd纳米颗粒的发展。

图2展示了如何使用基于PCA的相位分析和面积覆盖率来定量监测颗粒数量、大小和成分的发展。

X 射线光谱单异原子的识别

纳米级材料中的单个异原子在材料性能中往往起着关键作用。为了获得对材料性质的最 大控制，研究人员必须能够检测和识别不同厚度和成分的样品中的各种异原子。

在这个案例中，我们演示了在扫描透射电子显微镜中，用EDS 在双相碳质纳米尺度混合物中对单个Si、S、P和Ca 异原子的识别。为了充分展示该技术的鲁棒性和与EELS 在单原子谱中的潜在优势，我们发现EDS 技术对样品厚度或异原子物种类型没有约束条件。各种异原子被 EDS 识别所需时间从8到57s 不等，归一化计数率为0.096~0.007 counts s-1 pA-1。通过最 大限度地利用在原子的有效停留时间，最 小化电子束栅格的过采样面积，实现了最 低的采集时间/最 高的有效计数率。

XFlash 7T TEM QUANTAX EDS 透射电子显微镜能谱分析仪信息由布鲁克电子显微纳米分析仪器部为您提供，如您想了解更多关于XFlash 7T TEM QUANTAX EDS 透射电子显微镜能谱分析仪报价、型号、参数等信息，欢迎来电或留言咨询。