应用报告 | TEM及SEM中薄样品的成分定量分析方法

利用扫描电镜（SEM）中的能谱仪（EDS），可以实现块状样品的显微成分定量分析。利用牛津仪器EDS的Tru-Q定量技术，可以确保在不同电压下实现准确的有标样及无标样定量分析。在透射电镜（TEM）中，分析对象为薄样品，通常利用Cliff-Lorimer因子（K因子）法进行元素定量分析。此外，Dijkstra et al. ^[1]， Boon^[2]，Watanabe及Williams ^[3]等人也先后提出过多种TEM-EDS定量方法，这些方法的难点主要集中在薄片标准样品难以获得以及需要进行束流测量。为此，牛津仪器给出了全新解决方法，即质量厚度（M²T）方法。同时，在SEM平台下对薄样品（STEM）进行成分分析时，牛津仪器也给出了类似TEM中的Cliff-Lorimer因子定量方法，有效提高定量分析的准确性。

如果想做一个完美的蛋糕，必须准确称量配料。而对于纳米尺度，称量配料变得非常具有挑战性，一个10 nm的Pt纳米颗粒含有约20000个Pt原子，重量约为6.5x10^-21 kg。牛津大学的学者研究了一种称量纳米颗粒的方法：使用先进的TEM-EDS定量方法获取纳米颗粒的质量厚度值，进而可以估计纳米颗粒中含有的原子数量。

1.1 背景

在这一研究中，牛津大学的学者检测了3种纳米颗粒样品：纯Pt、未过滤的PtCo₃和已过滤的PtCo₃。已过滤的样品经过处理后去除了大量的钴。

分散在碳膜上的3种纳米颗粒样品的TEM形貌，

颗粒直径在3至15 nm之间 

对这三个样品采集EDS面分布图，直观地表征了纳米颗粒中Pt和Co的分布。从下图的面分布图中，可以提取每个纳米颗粒的EDS谱图及颗粒的直径。随后利用下文描述的M²T定量方法获得每个颗粒的质量厚度值µ。

3个样品面分布图，可视化的表征了纳米颗粒内Pt和Co的分布。

同时提取了某纳米PtCo₃颗粒的谱图

1.2 理论

准确的TEM定量分析依赖于一系列变量，是极其复杂的，而这些变量在进行基本的Cliff -Lorimer因子定量时很容易被忽略。对于TEM中薄试样的分析，X-ray的强度I_A由如下公式给出：

 X射线强度不仅取决于束流（D_sp的一部分）和成分（C_A），还取决于密度（ρ）和厚度（t），即样品中电子束方向的单位面积原子数。因此，在TEM中，如果束流已知，则可以获得质量厚度（ρt）和相对元素组成（C_A/C_B）等。通过在相同采集条件下采集TEM标样的 EDS数据，可以计算D_sp·（Ω/（4π））·ε_A。之后从未知样品中直接获得质量厚度。

高级TEM定量所需的M²T校准程序示例

1.3 结果

利用质量厚度（µg/cm3）可测量每个纳米粒子的组成。该数据可转换为原子/nm³，并据此估算每个纳米粒子中的原子数，结果与Aarons等人^[4]建立的理论模型符合较好。结果表明，对于小尺寸的纳米颗粒，计算结果与理论模型非常一致，但随着粒径的增大，结果与理论计算存在一定的差异。因此，这种实验方法可以成功地用于纳米粒子的称重。

实验计算不同直径纳米颗粒所含的原子数，

并将计算所得质量厚度数据与理论模型进行比较。

对于SEM-EDS分析，低电压条件下可以获得高空间分辨率的结果，结合牛津仪器的Tru-Q定量技术，可以获得优异的定量准确性。然而对于纳米结构的待测样品而言，低电压条件下，由于基体校正、低能X-ray线系谱峰重叠、背底影响等因素，准确定量的难度明显增加。对于这类样品，可以使用薄样品进行定量，即SEM-STEM或30kV STEM，以取代传统块体样品定量模式。如下图为不同模式下电子束与样品相互作用模拟示意图。

蒙特卡罗模拟给出的的20kV（左）块体、30kV（中）250nm厚度和30kV（右）100nm厚度Mn X射线在MnS样品中的扩展

2.1 块体和薄样品SEM-EDS分析空间分辨率的差异

如下图为某含有不同尺寸第二相的钢铁样品，第二相尺寸100nm至5μm。利用常规SEM-EDS对这些第二相进行定性及定量分析，随后使用FIB获得薄样品进行分析。

某钢铁样品的BSE图像，第二相尺寸从100nm至5μm不等

下图显示了块体和薄膜样品中复合夹杂物的X射面分布图和线扫描图，其中橙色为 Mn-Cr尖晶石相，粉红色为MnS、绿色为sigma相，红棕色为基体。相比块体样品，薄片样品的空间分辨率明显提高，晶界更为锐利，每个相内（尤其是晶界周围）成分的均匀性提高。此外，薄样品中清晰可见钢基体中富Cr和Mo的纳米析出相，而在块体样品的面分布中只有右上角最大的富铬相较为明显，其他细小的析出相皆无法表征。对尖晶石-MnS界面进行线扫描分析，可以更清楚地显示空间分辨率的差异。在块体样品中，从一个相到另一个相的成分变化超过750nm，而在薄样品中，这一变化约150nm，边界更加明锐。

块体和薄样品的X-ray 面分布图及线扫描

2.2 块体和薄样品均使用块体定量模式的比较

如下表，使用SEM-EDS无标定量方法，在20kV和30kV条件下，对块体和薄样品的Mn-Cr尖晶石相、MnS和基体分别进行定量分析。该方法的前提是电子束与样品的交互作用区局限在样品内。而30kV条件下，大多数电子将穿透样品，影响定量准确性。尽管如此，薄样品的定量结果仍与块体较为接近。此外，利用标准化进行有标样定量（即使用相同的分析条件测量实体标样，而不是使用AZtec提供的定量数据库），20kV和30kV条件下的定量结果变化不明显。

2.3 块体和薄样品分别使用块体定量及薄样品定量

在SEM中的30kV电压条件下，使用TEM-EDS定量分析常用的Cliff -Lorimer方法即k因子法，结果见下表。TEM-EDS结果标记为橙色，相比前述结果，定量准确性有了明显提高。

利用TEM和SEM-STEM对薄样品进行EDS分析时，可获得高空间分辨率的结果。对于TEM-EDS分析，仅利用单个标样（已知厚度的Si₃N₄薄样品标样），即可获得待测样品的质量厚度（M²T）。而在SEM-STEM模式下，利用Cliff-Lorimer因子法进行薄样品定量分析，可显著提高定量分析的准确性。

[1] Dijkstra J M et al 1994 Microchimica Acta 114/115 277-284

[2] Boon G 2000 Thesis, ISBN 90-386-2781-5

[3] Watanabe M and Williams D B 2006  J. Microscopy 221(Pt 2) 89-109

[4] J. Aarons et al, Nano Letters, 17(7) (2017)