分享：加速电压及线系对钨在SiC/W 扩散偶中分布分析的影响

尚俊玲1,吴利翔2

(1.华南理工大学 材料科学与工程学院 实验中心,广州 510641;2.广东工业大学 机电工程学院,广州 510006) 

摘 要:采用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)分别在10kV 和20kV 加速电压下,对 SiC/W 扩 散偶中钨元素的面分布和线分布进行了分析。结果表明:在10kV 加速电压下,钨元素只能激发 出 M 线系,钨元素的 M 线系和硅元素的 K 线系发生重叠,从而导致材料中钨元素和硅元素在面分 布和线分布下无法区分。将加速电压从10kV 提高至20kV,通过激发钨元素的L线系,从而实现 了钨元素的分布表征,使钨元素分布趋近于真实分布情况。能谱数据再 处 理 也 进 一 步 验 证 了 10kV 加速电压下钨元素分布紊乱是由钨元素的 M 线系和硅元素的 K 线系重叠引起的。 

关键词:扫描电镜;能谱仪;加速电压;谱线;元素分布 中图分类号:TB79;TB333 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)04-0034-05

能谱仪是扫描电镜的重要配件之一。能谱仪与 扫描电镜组合使用,可以对样品进行元素组成的定 性、定量分析与元素分布等方面的研究,是材料制备 与研究领域非常重要的仪器设备,广泛应用于金属、 陶瓷、矿物、水泥、半导体、纸张、塑料、刑侦案件等的 分析测试中[1-2]。 能谱仪的工作原理是在高真空环境下,电子枪 发射高能电子束轰击样品表面,与样品表面元素原 子相互作用,使原子内层电子被电离,产生空位;较 外层电子向内层空位跃迁,放出特征 X 射线[3]。通 过探测样品产生的特征 X 射线的能量,能谱仪就可 以确定其相对应的元素种类,并对其进行定性、定量 分析。但在实际应用中,受能谱仪分辨率以及元素种类众多的影响,往往存在着谱线间的干扰或重叠 现象[4-5]。所以对元素的重叠谱线进行有效分离非 常重要。许多研究人员[3-9]对能谱仪使用过程中的 重叠峰的识别和分离进行了研究,但对元素谱线重 合导致的元素错误分布,以及如何解决等方面却鲜 有报道。 激发元素的特征 X射线是需要能量的,能量不 同,同一元素激发出的特征 X 射线不同,能谱仪检 测到的特征 X射线及其强度也不同。所以,能谱仪 工作时的加速电压大小对元素的分析也是非常重要 的。由此,在采用能谱仪对样品进行分析时,要求入 射电子能量大于被测元素临界激发能,才能较准确 地检测出该元素的存在,有资料推荐过压比在2~3 倍时分析最佳。 扫描电镜观测样品时,由于二次电子信号来自 样品表面一定厚度内的区域,所以观测到的样品形 貌与加速电压有关。加速电压越低,观测到的样品 形貌越接近样品的真实形貌[10]。但同时低的加速 电压,可能导致某些元素的特征 X 射线激发不足或 激发不了。笔者以碳化硅(SiC)陶瓷/金属钨(W)扩 散偶中钨元素为例,分别用10kV 和20kV 的加速 电压进行了钨元素的面分布及线分布的研究,结合 SiC/W 扩散偶的扩散机理[11],发现钨元素在10kV 加速电压下的分布紊乱是由钨元素和硅元素的线系 重叠导致,并且在最佳测试电压20kV 下通过手动 调整钨元素和硅元素的线系进行数据再处理,进一 步对线系重叠导致钨元素分布紊乱进行验证,从而 优化得出最佳试验方法。

1 试验方法 

试验所使用的主要仪器为:HitachiSU8220型 扫描电子显微镜(SEM),OxfordX-Max N 型能谱仪 (EDS),能谱软件为牛津 Aztec。电镜加速电压分 别为10kV 和20kV。 分析材料为高温高压下实现连接的 SiC/W 扩 散偶。通过截取SiC/W 扩散偶截面进行机械抛光。 然后将样品用导电胶黏在扫描电镜样品台上,用扫 描电子显微镜观察其形貌,用能谱仪对其进行元素 面扫描和线扫描分析。

2 试验结果与分析 

2.1 电镜形貌分析

SiC/W 扩散 偶 的 截 面 抛 光 后 背 散 射 形 貌 如图1所示。图1中上、下两侧为SiC陶瓷,中间层为 金属钨层,图1中白色虚线为 SiC 陶瓷与金属钨界 面。由图1可以看出,金属钨与 SiC 陶瓷的界面结 合紧密,界面平直干净。采用能谱仪在10kV 加速电压下,对图1进行 原位面扫描分析(因碳元素对硅和钨元素的分布没 有影响,故省略),结果如图2所示。在图2a)中的 SiC侧和中间钨层的颜色差异对应其硅 含 量 的 变 化,在上、下两侧的陶瓷部分的硅元素含量多,在中 间钨层的硅元素含量少。基于SiC与金属钨固相扩 散反应机理可知,在1500 ℃的高温下,SiC中的硅 和碳都在向金属钨中扩散,然而,金属钨并没有向 SiC中扩散;图2a)中硅元素分析结果与硅元素在 样品中的实际分布情况相一致。图2b)是钨元素 的面分布图,由图2b)可以看出,钨元素在整个扩 散偶中没有明显的颜色差异,即整个扩散偶的钨元素分布几乎一致,并且中间钨层中钨元素的含量反 而稍微弱于上、下两侧SiC中的钨含量。然而,根据 现有文献报道可知,在SiC/W 扩散偶中的SiC陶瓷 侧中几乎没有检测到钨元素的存在[12]。由此可知, 这时得到的样品中钨元素的分布可能有误;为了验 证以上猜想,进一步采用线扫描进行分析。图3a)中白线为样品中线扫描的位置。图3b) 是沿图3a)中白线位置从上到下的线分布曲线。由 图3b)可 以 看 出,硅 元 素 在 上 下 陶 瓷 部 分 (0~ 20μm)和(70~100μm)中含量多,在中间钨层中 (20~70μm)含量少,与图2b)的结果相对应。基 于SiC陶瓷与金属之间固相扩散原理可知,中间层 中少量硅元素来自上、下两侧 SiC 陶瓷中硅向中间 层扩散[13]。由图3b)可知,钨元素在整个线扫描范 围内,含量曲线几乎呈直线,上、下陶瓷层中钨含量 反而比中间钨层中的略有增多,与事实相违背。由 此可知,在10kV 加速电压下,能谱仪得到的钨元 素的线扫描结果与面扫描结果一样,进一步验证了 检测到的钨元素不可靠。

此时,能谱仪在10kV 加速电压下得到的硅和 钨元素的面扫描和线扫描结果均为能谱软件自动给出的结果,硅元素是 K 线系,钨元素是 M 线系。对 比图3b)中的硅元素和钨元素的线分布曲线,可以 看出钨元素的线分布曲线和硅元素的线分布曲线具 有相同的曲线特征。如在0~70μm 和70~100μm 时,两条曲线的波动具有一致性。硅元素的 K 线系 能 量 为 1.739keV,钨 元 素 的 M 线 系 能 量 为 1.775keV,两者的能量差仅为3.6×10 -2 keV,能量 差太小,远 小 于 目 前 性 能 最 好 的 能 谱 仪 的 分 辨 率 (1.3~1.5)×10 -1 keV。在这种情况下,能谱软件 不能自动将钨元素的 M 线系与硅元素的 K 线系进 行有 效 分 离。 而 钨 元 素 的 L 线 系 的 能 量 为 8.3977keV,在 10kV 加 速 电 压 下,过 压 比 仅 为 1.19,小于2,从而无法激发。由此可知,面扫描和 线扫描结果中钨元素分布紊乱是因为钨元素的 M 线系与硅元素的 K 线系发生了重叠而导致的。硅 元素的原子序数为14,钨的原子序数为74,他们之 间的线系重叠情况属于原子序数低的元素的 K 线 系与原子序数高的元素 M 线系重叠[4]。对于这种 轻元素的 K 线系与重元素的 M 线系重叠的情况, 可通过提高加速电压的方法来解决[3]。 

2.3 20kV加速电压下元素分布分析

图4是采用能谱仪在20kV 的加速电压下对 SiC/W 扩散偶原位面扫描元素分布图。由图4a) 可以看出,硅元素在上、下两侧的陶瓷中均匀分布, 此时硅元素含量明显多于中间钨层中的硅元素含 量。这个结果与图2a)一样;由图4b)可以看出,钨 元素集中分布在中间的钨层中,且呈均匀分布;此 时,并没有在上、下两侧的陶瓷中检测到钨元素,这 与文献[14]报道结果一致。综上可知,在20kV 的 加速电压下,硅元素和钨元素的分布更趋近于样品 的真实元素分布。 图5为采用20kV 加速电压下SiC/W 扩散偶 线扫描图谱。由图5中线扫描结果可以看出,硅元 素的分布趋势与10kV 时接近,都是在上、下两侧 的陶瓷中具有更多的硅元素,而在中间钨层中含量 少。然而,在20kV 下,硅元素在陶瓷侧的计数从 10kV 下的约420增加到20kV 下的1700;中间钨 层中硅元素的计数从约200增加至600。相比于图 3a),钨元素的线分布曲线发生了明显的变化,在中 间钨层中明显具有更多的钨元素分布,计数约250, 在上、下两侧的陶瓷层中计数趋近于0。综上可知, 在20kV 下得到的钨元素的面分布和线分布更趋 近于真实情况,而且,20kV 下得到的元素分布图上 的信号比10kV 下的强。 

此时,能谱仪20kV 加速电压下钨元素的面扫 描和线扫描结果均为能谱软件自动给出的结果。硅 元素为 K 线系,钨元素为 L 线系。硅元素的 K 线 系能 量 为 1.739 keV,钨 元 素 L 线 系 的 能 量 为 8.3977keV,能量差为6.6587keV。而且,此时的 过压比约为2.38,也满足过压比2~3的要求。因 此,通过提高加速电压,激发钨元素的 L 线系,可以解决钨元素的 M 线系与硅元素的 K 线系重叠造成 的钨元素分布紊乱问题。 

2.4 数据再处理 

打开20kV 下采集的面扫描数据,在能谱软件 中将钨元素从 L线系改成 M 线系。这时硅元素与 钨元素的面分布结果如图6所示。图6b)中钨元素 的分布趋势与图2b)中的相类似,钨元素在两侧陶 瓷中含量多,在钨层中含量少,此时钨元素的面分布 结果也不可靠。而相比于图4a),硅元素的分布则 几乎没有发生任何变化。综上可知,钨元素的线系 从 L改成 M,仅仅改变了钨元素的分布结果,对硅 元素的分布结果几乎没有影响。

同样地,打开20kV 下采集的线扫描数据,对 钨元素进行同面扫描数据再处理中同样的操作,结 果如图7所示。相比于图5b),在图7b)中硅元素 的线分布曲线没有发生变化。并且,图7b)中钨元 素的分布与图3b)的类似,钨元素的线分布在上、 下两侧陶瓷中较多,在中间钨层中含量较少,而且, 钨元素在陶瓷侧具有硅元素的线分布曲线特征。与 图3b)中相比,受加速电压从10kV 增加到20kV 的影响,硅元素和钨元素线分布的计数有所增加。

3 结论及建议 

在10kV 加速电压下,能谱仪对 SiC/W 扩散 偶中的硅元素和钨元素进行分布分析时,由于钨元 素的 M 线系与硅元素的 K 线系的能量差很小(仅为3.6×10 -2keV),导致钨元素与硅元素发生线系 重叠,从而在元素的面分布和线分布中出现钨元素 分布紊乱的情况。通过提高加速电压到20kV,钨 元素激发出 L线系,钨元素的 L线系和硅元素的 K 线系的能量差增大(6.6587keV),避免了10kV 下 钨元素和硅元素的线系重叠问题,得到了钨元素在 材料中的正确面分布和线分布结果。通过将20kV 下得到的面分布和线分布数据进行再处理,将钨元 素的线系从 L改回 M 后,钨元素回归紊乱分布,这 进一步验证了10kV 下钨元素分布紊乱是由钨元 素的 M 线系和硅元素的 K 线系重叠引起的。 建议在采用能谱仪对材料进行分析时,应当对 软件自动得到的结果与样品实际情况进行对比分 析,判断得到的结果是否正确。对于轻元素的 K 线 系与重元素的 M 线系重叠的情况,可提高加速电压 到20kV,使过压比达到2~3,激发重元素的高能 线系。

来源：材料与测试网