SEM-EDS分析在各测试项目中的应用

SEM（扫描电子显微镜）-EDS（X射线能谱仪）是目前最主要的成分分析手段之一，之前我们讲过其原理、技术进步、应用项目和行业，现在来讲讲SEM和EDS在各测试项目中是如何应用的，拿到SEM和EDS结果后如何分析？

首先关于SEM，它的用途主要有两个：

一是利用其放大功能观察微小样品表面形貌及元素分布（注：只能观察到样品最表面形貌；图像为黑白像；若需观察材料截面情况，需要先制样）；

二是作为电子探针与EDS或AES（俄歇电子能谱）相结合，分析微区内的元素组成。

一. 观察表面形貌分析和元素分布

1. SEM分析成像模式

1）表面形貌：SEM（Scanning electron microscope）成像模式，利用次级电子来观察样品的表面形貌和特征。SE图像能够提供非常丰富的图像细节与信息，如材料表面形貌（如裂纹、孔洞、腐蚀、形变等信息）、微观峰谷结构、颗粒分布、晶体结构等等，是常用的表面形貌和形态分析方式。

图1金刚石粉；图2 改性钛白粉

SEM图像上的参数如何看？以图1为例，10.0kV表示工作电压，8.0mm表示工作距离，20.0k表示放大倍数20 000倍，右下标尺全长2.00微米，每格0.2微米。

图1和2是不同的粉末样品，可以看出微观上的形态区别，金刚石粉末样品呈现块状、多棱角，团聚在一起，而改性钛白粉样品则呈现出不规则形状，颗粒分散。

其他类型样品的SEM图像如图3~8所示。

图3 环状金属；图4 丝/棒状金属

图5 铜膜；图6 无纺布

图7 塑料；图8 未知物

2）元素分布：BSE（Backscattered Electron Imaging）则是另一种成像模式，它利用反向散射电子来显示样品的化学成分差异。主要为元素、相的二维分布。测试效果如图9所示。

图9 金属样品表面BSE图像

图9反映出样品表面元素分布情况，亮的部分是钨（W），暗的部分是铜（Cu）。

2. 测试/尺寸/粒度（粒径）/金相/镀层厚度/断口分析等

在用SEM观察样品表面形貌和特征的基础上，可在图像中使用测量工具，手动测量直径、长度、宽度等参数。金属样品还可大概判断组织结构、评价晶粒度和夹杂物级别等。测试效果如图10所示。

图10 无纺布纤维直径测量

从图10可以看出，无纺布纤维直径范围在8.84~12.2μm，平均在10μm左右（注：无纺布纤维横截面因刀片切割会变形，测量直径有偏差，横向测量更准确）。

粒径（Particle Size）：颗粒的直径或尺寸大小，通常通过直径、长度、体积等指标描述。

金相（Metallography）：金相是指通过金相显微镜观察金属材料的显微组织结构，包括晶粒大小、形状、分布以及晶界、相界等微观结构特征。

晶粒度（Grain size）：在多晶体金属中，排除孪生区和亚品以外后的品粒或品体的大小的量度尺寸。通常使用长度、面积、体积或晶粒度级别数来表示不同方法评定或测定的晶粒大小，而使用品粒级别数表示的晶粒度与测量方法和计量单位无关。通过SEM图像可以简单测量晶粒度的大小。测试效果如图11所示。

夹杂物（Inclusions）：机械性的外来物，通常指非金属颗粒（注：例如氧化物、硫化物、硅酸盐等）。测试效果如图12所示。

图11 金属晶粒度；图12 金属夹杂物

（注1：通常情况下晶粒度、夹杂物等金相测试使用的设备是金相/3D显微镜，金相/3D显微镜可获得宏观尺度上的信息，可以比较直观地观测材料的整体特征，并且可以同时观察到多个区域，且样品不会受到电子束照射而损坏，SEM可用来观察复杂特殊样品。）

（注2：SEM通常不能直接测量内部组成成分，不适用于液态或气态样品，因此粒径测试通常使用激光粒度分析仪。）

SEM还可对涂镀层厚度和均匀性进行测量，测试效果如图13所示。

图13 样品镀层厚度测试

从图13可以看出，样品镀层有1层，最下面为样品的基材部分，镀层厚度平均在46.32μm，样品此处的镀层较为均匀，且无异常形貌。

此外，SEM还可对零件、金属和塑料的断口产生原因进行分析，可通过观察出裂纹形貌、类型，从而初步推断出断裂原因，辅助工业生产，提升产品性能。

图14 样品断口分析（简单举例）

从图14可以看出起裂源起始于圆环内侧凹坑位置，该位置附近表面有明显划擦，断面体微观形貌为解理。该断面为脆性断裂，疑似外力导致应力集中。

二. SEM-EDS组合分析微区元素组成

SEM可作为电子探针与EDS或AES（俄歇电子能谱）相结合，分析微区内的元素组成，两者组合使用范围非常宽泛。例如断口分析和镀层厚度项目可更全面地分析断裂原因和镀层工业缺陷，进一步提升产品质量。本文将着重讲与SEM与EDS的组合使用。

1. EDS应用范围

1）点分析：检测材料中微区的化学成份，是最常用的方式。测试效果如图15、16所示。

图15 点分析图例-1（部分）

EDS图像上的参数如何看？以图15为例，左边图为SEM测试微区范围，“EDS1”区域名称对应右边谱图中右上角的图例，表示该谱图为“EDS1”区域的谱图结果。横坐标表示X射线光子计数/cps，纵坐标表示X射线能量/keV。峰上标注为该峰对应的具体的元素符号Cu。

图16 点分析图例-2

（注1：EDS测试时，对于能量较低的、原子序数Z小于Na的轻元素如C、O等元素，测试是不准确的。测试在真空条件下进行，但谱图中常常会有较高的C和O元素，可能是由于在制样和测试过程中受到了真空泵油、导电胶或空气等污染，某些元件为了减少散射信号进入探测器，也会用碳在表面做涂覆分析时可将C、O等元素影响排除。）

（注2：为保证拍摄效果，导电差或强磁性的样品需进行喷金、铂或碳膜等导电处理后才能拍摄，因此有些样品需排除其影响；另外SEM因为使用Al样品台或者玻璃基底，所以在样品比较薄的区域扫谱，会有基底的Al或Si信号出来。）

2）线分析：用于分析指定元素在某一直线上的分布情况，可显示材料中化学元素的浓度梯度。测试效果如图17所示。

图17 线分析图例

从图17可以看出，通过对样品切面进行线扫，沿着线扫方向，每条曲线的高低起伏反映所对应元素沿着扫描线浓度的变化，从外到里大致元素分布为：C、O、Cu、Zn、Au。

（注：EDS元素定量线系选择：一般按照Ka、La、Ma、Kb、Lb、Mb顺序优先考虑。原子序数小于32的轻元素，采用K线系；原子序数32~72的元素，采用L线系；原子序数大于72的轻元素，采用M线系。）

3）面分析：也称Mapping，用于分析扫描范围内，指定元素的分布情况，可显示材料中化学元素的面分布。测试效果如图18所示。

图18 面分析图例

从图18可以看出，通过对样品某一区域进行面扫，得到各元素的分布图。每种元素由不同的颜色代表，此区域内元素分别为C、O、Mg、Si 、P、Cl、Ca、Ti。

2. 异物分析/未知物识别

SEM可在异物分析中定位异物点，对异物进行定性半定量分析，从而实现对于产品的质量监控与工艺诊断。

客户案例1：分析金属材料表面残留异物/未知物成分

背景：客户从金属材料表面发现深红色异物残留，想要检测其成分。

图19 金属样品表面残留异物/未知物分析

通过图19中EDS分析结果可以看出，谱图5、6中元素种类及含量相近，样品中含有1%以下的Al、P元素和60%左右的Fe元素，可以初步判断异物/未知物的主成分为氧化铁。而二价铁在自然界中容易被氧化或还原，三价铁的可能性最大，因此可以进一步推断异物/未知物主成分可能为三氧化二铁，也就是铁锈，且符合样品深红色泽。最终的结果可搭配红外等其他定性分析手段综合分析（注：wt为重量百分比，单位%）。

3. 断口分析/失效分析/可靠性研究

SEM检测样品表面的缺陷，腐蚀、裂纹、空洞、形变等异常形貌及镀层厚度等指标，EDS可以检测样品某区域附着异物/未知物成分、涂镀层成分等。从而分析样品成分、断口失效等异常原因，并提出改进和建议。

客户案例2：分析304不锈钢铁盆出现异常孔洞原因
背景：孔洞较小，肉眼不可见，通过对样品进行材质鉴定符合304牌号，且用金相显微镜观察组织未发现异常，开孔位置发现点腐蚀情况。对点腐蚀位置进行SEM-EDS分析，如图20所示。

图20 304不锈钢盆失效分析

从图20可以看出，在开孔位置发现了大量腐蚀元素，主要是Cl和S元素。通过对样品制作过程溯源，样品清洗过程中使用酸洗，在开孔位置和橡胶接触位置，残留大量的Cl元素。推测开孔是由于Cl和S元素的腐蚀。建议控制酸洗过程中使用酸液的浓度及清洁力度。

客户案例3：分析搭扣装饰圈表面破损原因

背景：异常样品出现了一小块破损现象，破损的位置主要集中在塑料表面，对基材进行检测后发现正常件与异常件样品都为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物(ABS)材质。

对正常件和异常件相同位置进行SEM-EDS分析（镀层厚度和成分测试），测试结果如图21、22所示。

图21 正常件镀层测试；图22 异常件镀层测试

通过图21和22可以看出，正常件、异常件的镀层都为3层，且对应的铜层、镍层厚度相近，其中正常件的化学镍层较厚，异常件靠近基材的镍层较薄，厚度只有165nm。

塑料由于不导电，需要进行化学镀镍，提高塑料的导电性能，异常件虽然进行了化学镀镍，但厚度较薄，导电性差，在后期电镀过程中，会由于导电性不良，结合力差，导致镀层脱落。建议监控材料镀层厚度，对每批次产品进行镀层结合力测试，避免不良品流入市场。

三. 其他问题

1. 系统产生的假峰——逃逸峰、和峰

1）逃逸峰（Escape Peak）：当能量为E0的X射线光子入射到硅探测器后，会产生Si K电离，并产生Si Ka线，产生Si Ka线能量需1.740kev，如果该峰不被吸收，直接逸出硅探测器，则入射能量E0减少了1.740kev，在图谱中会出现一个能量为E0- 1.740kev的伪峰，称逃逸峰。只有入射X射线光子能量大于硅的K吸收边（1.838kev）时，才会产生逃逸峰。如图23所示。

图23 逃逸峰图例

鉴别方法：逃逸峰的位置永远比主峰低1.74keV；逃逸峰高度约为主峰高度的1/100到1/1000（注：对于原子序数大于30以上的元素,其逃逸峰的影响可以忽略）。

2）和峰（Sum Peak）：在检测纯元素或某个高含量元素时，正常的计数率也会出现和峰，其强度与计数率的平方根成正比。例如：Al合金，在Al Kα（1.486keV）右侧两倍能两处有一个小峰，并识别为Ag（2.984keV）。如图24所示。

图24 和峰图例

鉴别方法：出现和峰的能量位置较高，约等于两个独立峰能量之和；和峰的形状很不对称，峰的高能边下降很陡，而低能边被展宽成一个很明显的尾巴，和峰的形状随输入脉冲速率变化而明显地改变，特征能峰则不存在这种现象。

2. EDS检测范围和结果误差

1）可检测元素：元素周期表中硼（B）到铀（U）的元素

2）检测下限：0.1wt%

3）检测深度：0~几微米

4）能量分辨率：小于133eV

对大多数元素相对误差近似±5％或更好（无标样分析，含量高时准确度会更高），如果试样中元素含量50wt%，准确度为 ±2.5％ (47.5－52.5wt%)，但B、C、N、O等超轻元素准确度较低（这是由超轻元素本质决定）。

3. SEM-EDS检测对试样的要求是什么？

1）对于导电差或强磁性的样品需进行喷金、铂或碳膜等导电处理后才能拍摄；

2）在真空和电子束轰击下稳定；

3）试样分析面平、一般要求垂直于入射电子束；

4）试样尺寸大于X射线扩展范围；

5）有良好的导电和导热性能；

6）均质、无污染；

无法满足上述要求的试样，定量结果准确度低。

EDS是微区分析，定点分析区域是几个立方微米，一般不需要用大试样；粉末必须压片等，对于样品具体要求可咨询领先检测。