Top Analytica Oy Ab Laivaseminaari 27.8.2013 EPMAn tarjoamat analyysimahdollisuudet Jyrki Juhanoja, Top Analytica Oy
Johdanto EPMA (Electron Probe Microanalyzer) eli röntgenmikroanalysaattori on erikoisrakenteinen SEM, jossa on tavallisen EDS-analysaattorin (Energy dispersive spectrometer) lisäksi WDS-analysaattori (wavelenght dispersive spectrometer). alkuaineiden tunnistus µm alueelta alkuaineiden kvantitatiivinen analyysi alkuainekarttojen teko
EPMA-laitteiston ominaisuudet elektronisuihkun virta on erittäin stabiili suuri ja stabiili näytealusta, jota on voitava ohjata erittäin tarkasti sisäänrakennettu valomikroskooppi, jota käytetään näytteen korkeuden asettamiseen Faraday-kuppi elektronisuihkun virran mittaamiseen 1 tai useampi WDS-spektrometri tietokone, joka ohjaa EPMAa
EPMA-laitteisto
WDS-laitteisto Yhdellä kiteellä voidaan mitata vain osa koko spektrin alueesta. Tyypillisesti tarvitaan 6-8 eri kidettä koko spektrin Mittaamiseen.
WDS-laitteisto Mitatataan piikin intensiteetti huipun kohdalta Mitatataan tausta piikin molemmilta puolelta Kvantitatiivista analyysiä varten mitataan intensiteetti piikin huipusta ja taustasta ja niiden erotus on piikin intensiteetti. Näytteestä mitattua intensiteettiä verrataan standardista (puhdas alkuaine tai tunnettu yhdiste) mitattuun intensiteettiin. Näytteen pitoisuus saadaan kun intensiteettisuhde kerrotaan korjauskertoimella (ZAF-korjaus)
EDS- ja WDS-menetelmien vertailu
EDS- ja WDS-menetelmien vertailu MoS2-näyte, jossa molybdeenin ja rikin röngenviivat erottuvat WDS-spektrissä, mutta EDS-spektrissä viivat ovat päällekkäin -Tunnistusongelma -Kvantitatiivisen analyysin tarkkuus
EDS- ja WDS-menetelmien vertailu TaSi-näyte, jossa tantaalin ja piin viivoja ei voida erottaa EDS spektrissä. - tyypillistä että kevyen aineen K-viiva osuu päällekkäin raskaamman aineen L- tai M-viivan kanssa -toinen mahdollinen ongelma on vierekkäisten alkuaineiden häirintä (esim. Cr Kβ vs Mn Kα)
Detektointiraja WDS:llä selvästi suurempi P/B ja P. Sen takia WDS:llä voidaan havaita 10-100 kertaa pienempiä pitoisuuksia kuin EDS:llä
Detektointiraja
Röntgenkartat Not detectable with EDS Si-alkuainekartat Si-pitoisuus n 1.5 % Rikastumista ei havaita EDS:llä
Röntgenkartat Hiilen jakautuminen teräksessä
Röntgenkartat Fosforin jakautuminen oliviini-mineraalissa (P-pitoisuus < 0.6 %) (C.A Goodrich et al) BSE P-map
Kerrospaksuuden mittaus Ia Ib pinnoite alusta t Paksuus voidaan laskea mitatuista intensiteettisuhteista t = f1 (Ia/Ib) tai t = f2(ia/ia_bulk) tai t = f3(ib/ib_bulk) Mittaus on mahdollista vai silloin kun signaalia syntyy sekä pinnoittesta että alustasta. Jos paksuuden laskemiseksi tarvittavaa funktiota f ei tunneta, voidaan tehdä kalibrointisuora käyttäen tunnettuja pinnoitepaksuuksia.
Kerrospaksuuden mittaus pinnoite alusta t XPS (ESCA): analyysisyvyys < 10 nm, eli sopii vain erittäin ohuille pinnotteille ( XPS:ssä voidaan käyttää myös syvyysprofilointia, jolla saadaan mitattua paksummat kerrokset). Analyysialueen tyypillinen koko on 100µm EPMA: analyysisyvyys < 1-2 µm, analyysialueen koko on noin 1µm. Intensiteettien mittaus on tarkkaa ja paksuutta kuvaavalle funktiolle f on hyviä malleja, joten saadaan hyviä tuloksia XRF: analyysisyvyys 10-100 µm, analyysialueen koko on useita cm 2. Yleensä käytetään kalibrointisuoraa, mutta myös matemaattisia malleja on olemassa.
Kerrospaksuuden mittaus Pinnoittesta saadaan kerrospaksuuden ohella selville sen koostumus. Kerroksia voi olla päällekkäin erilaisia ja jokaiselle niistä saadaan paksuus ja koostumus. Kaupallisia ohjelmia mm. StrataGem ja GMFilm Piin pinnalla olevan kerrosrakenteen analyysitulokset EPMAlla ja RBS:llä (RBS=Rutherford Back Scattering).
Kerrospaksuuden mittaus Sample 1, ToF-SIMS Ti=green, Zn=red Sample 2, ToF-SIMS Ti=green, Zn=red 100 µm % of the points 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 % of the points 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 2 3 5 6 8 9 11 131416 1719202224252728 30 Ti, mg/m 2 0 3 5 8 11 14 16 19 22 25 27 30 Ti, mg/m 2 V. Saarimaa et al., Surface and Coatings Technology, 206(19 20), 4173-4179 (2012). ToF-SIMS-kartoissa havaitaan, että Ti-pitoinen kemikaali ei ole Zn-pinnalle tasaisesti. EPMAlla voidaan mitata kuinka tasaisesti kemikaali on levittynyt pinnalle. Mittausten tulos saadaan yksiköissä g/m 2, jos tiheys tunnetaan niin paksuus voidaan laskea.
Laivaseminaari 27.8.2013 Kiitos!