Back

Good Practice in der Elementanalyse – Optimierung der REM-Parameter für EDX-Analysen (Teil 2)

Basierend auf den in Spektrum 140 vorgestellten Grundlagen der energiedispersiven Röntgenspektroskopie (EDX) soll in Teil 2 der Einfluss verschiedener Analyseparameter diskutiert werden.

Form und Volumen der Anregungs­birne lassen sich durch die Ana­lyse­bedingungen deutlich beeinflus­sen.

Die Eindringtiefe des Elek­tro­nen­strahls hängt zum einen mit der verwendeten Beschleu­ni­gungs­span­nung zusammen.

Optimierung der REM-Parameter für EDX-Analysen
Abb. 1: Situation im REM

Bei UB = 15 kV kann die Tiefe der Anregungsbirne in Kohlenstoff bereits 3 µm betragen. Eine Reduzierung auf UB = 5 kV begrenzt sie dagegen auf etwa 1 µm. Des Weiteren hängt die Größe der Anregungsbirne mit der Dichte bzw. Ordnungszahl des untersuch­ten Materials zusammen (Hohe Dichte/Ordnungszahl = geringe Ein­dring­tiefe). Eine Verminderung der Ein­dringtiefe lässt sich folglich mittels einer aufgebrachten Edelmetallschicht (Sput­tern mit z.B. Gold oder Platin) erreichen. Durch das Aufbringen einer Me­tallschicht wird nicht nur eine verbes­serte Leitfähigkeit hergestellt, sondern auch die Ortsauflösung verbessert. Hier­bei ist zu beachten, dass die genannten Schwermetalle eine Fülle von zusätzlichen Peaks im Spektrum verursachen und die zu untersuchenden Elemente ggf. stören. Das Gebiet der Probenpräparation erfährt in jüngster Zeit berechtigterweise ansteigende Aufmerksamkeit, da sich mit einer guten Vorbereitung bessere Ergebnisse produzieren lassen. Bei Fragen zu diesem Thema verweise ich gerne auf meinen Kollegen Jan Kretschmer.

Zur Frage der Lokalisierbarkeit der erfassten Röntgensignale können außerdem Überlegungen zur Strahl­geometrie und zur Anordnung von Strahl, Probe und Detektor hilfreich sein.

Zunächst einmal ist ein Röntgendetektor eine Art Flächenzähler von Röntgen­pho­tonen, welcher nur ein bestimmtes Raum­inkrement erfasst. Ein hoher Take-off-angle (Winkel Probenebene/Detek­torachse, siehe Abb. 1), wie er z. B. im neuen Phenom XL angebracht ist (29°), führt zu höheren Zählraten (counts per second, cps) und zu einem verminderten Einfluss der Absorption. Bei jeder EDX-Analyse muss der Schnittpunkt von Detektor- und Elektronenstrahlachse mit der Proben­oberfläche zusammen treffen. Es ist wichtig, den Elektronenstrahl immer sauber zu fokussieren („scharfes Bild“) und den Arbeitsabstand (nach Herstellervorgaben) einzustellen. Abschattungseffekte am Rand der Probenkammer oder durch die Probenfixierung sind ebenfalls zu beachten.

Um für EDX-Analysen Röntgen­emission einer bestimmten Ener­gie EIon zu erhalten, benötigt man eine Anregungsenergie der Elektronen E0 von mindestens 1,5 · EIon. Man spricht vom sog. Überspannungs­verhältnis U. Optimal ist ein Überspannungs­verhältnis von 2,5 bis 3:
U = E0 / EIon = 3.

Bei U = 15 kV sind somit Rönt­gen­quanten mit einer Energie von bis zu EIon = 10 kV zu erwarten, darüber hinaus nimmt die Intensität der Peaks deutlich ab. Hieraus folgt, dass man durch Variation der Be­schleunigungsspannung die Rönt­genemission bestimmter Kanten besonders stark oder schwach anregen kann. Soll z. B. die Verteilung leichter Elemente wie Kohlenstoff oder Stickstoff in Verbindungen mit schwe­ren Elementen untersucht werden, ist es u. U. sinnvoll, die Beschleu­nigungsspannung auf 5 kV herabzusetzen. Zur Verbesserung der Quantifizierung von schweren Elementen sind ab jetzt Analysen mit 20 kV am Phenom XL möglich.

Zuletzt ist auch der Durchmesser des Elektronenstrahls von Bedeutung, je nach verwendetem Mikroskop als „intensity“, „current“ oder „spotsize“ bezeichnet. Je größer der Durchmesser des Elektronenstrahls, desto höher sind die Zählraten und desto schneller erhält man ein Spektrum mit guter Zählstatistik. Wie oben erwähnt, führt das Ganze jedoch zu einer Verbreiterung der Peaks. Außerdem ist auch die Ortsauflösung naturgemäß schlechter.

Wenn man über geeignete Parameter für EDX-Analysen spricht, gehören ebenfalls Überlegungen zur Probencharakteristik dazu. Hier gilt der Grundsatz: Je homo­gener die Probe, desto sicherer die Ergeb­nisse. Der Begriff „homogen“ ist dabei auf zweierlei Weise zu verstehen. Zunächst sollte die Probe eine möglichst homogene Zusammensetzung aufweisen. Schichtstrukturen, Einschlüs­se und Körner unterschiedlicher Zusammensetzung müs­sen erkennbar sein.

LOT-QuantumDesign
Abb. 2: EDX-Punktmessungen an unterschiedlichen Punkten eines Fe/Cr/Ni-Stahls.
2a) BSE-Abbildung
2b) EDX-Spektrum an einer dem Detektor zugewandten Seite. Quantifizierung: C 45,9 at%, Fe 38,0 at%
2c) EDX-Spektrum an einer dem Detektor abgewandten Seite. Quantifizierung: C 34,9 at%, Fe 46,5 at%

Ein EDX-Spot könnte bei Korngrößen von nur wenigen Mikro­me­tern Durch­messer benachbarte Körner erfas­sen. Eine zu dick aufgebrachte Gold­schicht auf einem Kohlenstoffsubstrat ver­klei­nert die Anregungsbirne auf den Bereich der Goldschicht. Kohlenstoff-Rönt­­genphotonen werden außerdem nahezu vollständig in der Goldschicht absorbiert. Der Begriff „homogen“ meint in diesem Zusammenhang auch die Eigenschaften der Oberfläche. Eine starke Topographie verhindert gleiche Be­dingungen beim Austritt der Rönt­genstrahlen aus dem Material. Deren Ab­­sorptionsweg ist unterschiedlich und nicht genau definierbar. Falls die Oberfläche eine Topografie aufweist, ist darauf zu achten, dass die gewählten Messpunkte nicht in abgeschatteten, bzw. dem EDX-Detektor abgewandten, Bereichen liegen. Linien- und Flächenmessungen liefern nur an planen, optimalerweise polierten Oberflächen ein zuverlässiges Ergebnis. Es betrifft vor allem die „weiche“ Röntgenstrahlung leichter Elemente, welche am stärksten absorbiert wird (siehe Abb. 2). Der Fehler in der Quantifizierung im vorliegenden Beispiel ist enorm. Es ist durchaus möglich, dass beim Messen auf einer dem EDX-Detektor abgewandten Seite nahezu keine relevanten Röntgenquanten gezählt werden können. Meist sind in diesem Fall nur noch der Bremsstrahluntergrund und einige schwach ausgeprägte Peaks zu sehen. Eine unebene Topographie führt also zu einer erhöhten Selbstabsorption von Röntgenstrahlen in der Probe. In einer der nächsten Ausgaben werden Artefakte im EDX-Spektrum thematisiert sowie einige grundlegende Aspekte der Quantifizierung betrachtet.


Mehr zu Elektronenmikroskopie


Back

Contact

Dominic Vogt
Product Manager - Electron microscopy
+49 6151 8806-557
Fax: +49 6151 88069557
Follow us: twitter linkedin
European offices
© LOT Quantum Design 2016