آنالیز EDAX-EDS

آنالیز EDAX-EDS

آنالیز EDAX-EDS طیف‌سنجی پراش انرژی پرتو ایکس

آنالیز EDAX یک افزونه در میکروسکوپ های الکترونی SEM است. در صورتی که دستگاه آنالیز SEM مجهز به آشکارساز EDS باشد، علاوه بر تصویر برداری از سطح نمونه، داده های مربوط به عناصر تشکیل دهنده نمونه نیز قابل استخراج می باشد. با استفاده از آنالیز EDAX می توان نه تنها طیف وسعی ار عناصر شیمیایی بلکه توزیع و پراکندگی عناصر در نمونه را نیز تشخصی داد.

توانایی‌های روش آنالیز EDS یا EDAX

•  بررسی درصد وزنی و درصد جرمی عناصر سنگین‌تر از لیتیم در یک نقطه و یا یک منطقه دلخواه از نمونه
• بررسی میزان آلودگی
• بررسی ترکیب شیمیایی ترکیبات معدنی
• بررسی ترکیب شیمیایی آلیاژ‌ها
• بررسی خلوص مواد شیمیایی و معدنی
• بررسی تغییرات درصد عناصر در راستاهای مختلف نمونه
• بررسی جدایش غلظتی در فرایند‌های ریخته گری
• بررسی توزیع یک نواخت مواد در کامپوزیت‌ها و نانو کامپوزیت‌ها

ساختار دستگاه EDAX یا EDS

سنسور EDS یا EDAX معمولا به صورت یک افزونه به دستگاه SEM متصل می‌شود. در این حالت نمونه درون دستگاه SEM قرار می‌گیرد. در این حالت از نمونه هم می‌توان تصویر برداری کرد و هم این که از مناطق مورد نظر آنالیز EDAX، Mapping و یا Linescan گرفته شود. در صورتی که نیاز به تصویر برداری وجود نداشته باشد، دستگاه SEM باز می‌تواند شرایط خلا و پرتو الکرونی را برای آنالیز فراهم کند و همچنین در این حالت برای نمونه‌های نارسانا، نیازی به ایجاد پوشش طلا هم نیست و برخورد پرتو الکترونی به نمونه می‌تواند اشعه ایکس مشخصه را تولید کند.

انرژی اشعه ایکس بسیار بیشتر از نور مرئی است از این رو جهش الکترون، زمانی می‎‌تواند انرژی لازم برای تولید اشعه ایکس را تولید کند که الکترون به لایه اول یا دوم  اتم سقوط کند و معمولا سقوط الکترون به لایه های بالاتر اشعه ایکس تولید نمی‌کند ولی می‌تواند نور مرئی یا ماوراء بنفش تولید کند که کاربردی برای روش EDS ندارد. از طرف دیگر انرژی ترازهای انرژی الکترون در اتم وابسته به بار هسته است.

به این صورت که هرچه بار هسته یا همان عدد اتمی افزایش یابد اختلاف انرژی بین لایه‌های داخلی و لایه‌های بیرونی‌تر بیشتر می‌شود. این امر باعث می‌شود سقوط الکترون به لایه اول اتم‌های سنگین‌تر (با عدد اتمی بیشتر) اشعه ایکس پر انرژی‌تری را ایجاد کند و اتم‌های سبک‌تر اشعه ایکسی با انرژی کم‌تر تولید می‌کنند.

اتم‌های تناوب اول (هیدروژن و هلیم) به دلیل انرژی خیلی کم لایه اول نمی‌توانند اشعه ایکس تولید کنند و انرژی اشعه ایکس عناصر تناوب دوم خیلی کم است. از طرف دیگر در عناصر سنگین به غیر از لایه اول، لایه دوم هم می‌تواند اشعه ایکس مشخصه تولید کند. ولی انرژی اشعه ایکس لایه دوم، کم‌تر از لایه اول است به همین دلیل برای عناصر سبک، اشعه ایکس مشخصه تک انرژی است ولی برای عناصر سنگین اشعه ایکس مشخصه از چند انرژی تشکیل شده است. در نمودار خروجی از آنالیز EDAX، قله‌ها بر برمبنای این که  این که اشعه ایکس ایجاد شده مربوط به کدام عنصر باشد و این که سقوط الکترون به کدام لایه باشد و این سقوط از چند لایه بالاتر ایجاد شده باشد نامگذاری می‌شوند.

مثلا، Si Ka یعنی  این پیک مربروط به انرژی سقوط الکترون به لایه اول (لایه K) در عنصر سیلیسیم است و وجود a یا الفا بعد از K نشان‌دهنده سقوط الکترون از یک لایه بالاتر از لایه اول (سقط از لایه L به K) است. یا پیک In Lb،  نشان می‌دهد که اشعه ایکس تولید شده به دلیل سقوط الکترون به لایه دوم (لایه L) عنصر ایندیم از دو تراز بالاتر از لایه L ( یعنی لایه N) روی داده است.

از آنجایی که عناصر تناوب اول یعنی هیدروژن و هلیم نمی‌توانند اشعه ایکس تولید کنند، پس این عناصر در EDS قابل اندازه‌گیری نیستند. عناصر تناوب دوم می‌توانند اشعه ایکس تولید کنند ولی انرژی اشعه ایکس تولید شده از این عناصر کم است و انرژی آن‌ها نزدیک به هم است، از این رو اندازه گیری این عناصر به روش EDS با خطای قابل توجهی همراه است. این خطا بسته به نوع و شرایط آشکارساز و نوع نمونه متغییر است. آشکار سازهای جدید می‌توانند با دقت قابل قبولی عناصر تناوب دوم را اندازه‌گیری کنند.

آشکار سازهای EDS به طور مستقیم نمی‌توانند انرژی اشعه ایکس ورودی را تفکیک کنند. برای تفکیک انرژی اشعه ایکس در این آشکار سازها نیاز است تا در ابتدا اشعه ایکس به یک سطح فلزی یا نیم رسانا سرد (کل مجموعه معمولا با نیتروژن مایع سرد می‌شود) برخورد کند. بر اثر این برخورد الکترونی از سطح خارج می‌شود که انرژی این الکترون وابسته به انرژی پرتو ایکس برخورد کرده به سطح است. این الکترون‌های تولیدی درون یک میدان مغناطیسی و یا الکتریکی منحرف می‌شوند. الکترون‌های سریع‌تر (الکترون‌های پر انرژی‌تر که بر اثر برخورد اشعه ایکس پر انرژی‌تر تولید شده‌اند) کم‌تر منحرف می‌شوند و الکترون‌های کم انرژی‌تر بیشتر منحرف می‌شوند.

الکترون‌های منحرف شده به یک صفحه نیم رسانا برخورد می‌کنند که این صفحه می‌تواند تعداد الکترون‌های برخوردی را اندازه گیری کند. از این رو با تغییر شدت میدان الکتریکی یا مغناطیسی در منحرف کننده می‌توان مشخص کرد که چه الکترون‌هایی با چه انرژی‌ای به صفحه نیم هادی برخورد کند و صفحه نیم هادی می‌تواند تعداد الکترون‌های برخوردی به آن را بشمارد. با استفاده از این مکانیزم می‌توان به صورت غیر مستقیم مقدار و شدت پرتو اشعه ایکس در هر طول موج (انرژی) را اندازه گیری کرد.

حالت‌های آنالیزی Linescan و Mapping دو حالت آنالیزی EDS متصل به SEM است. در حالت Linescan دستگاه در مسیر یک خط مشخص شده از چندین نقطه آنالیز EDS می‌گیرد و نتایج این آنالیز‌ها را به صورت یک نمودار از تغییر ترکیب شیمیایی در طول مسیر مشخص شده نمایش می‌دهد از این حالت برای بررسی تغییر ترکیب شیمیایی برای بررسی فرایندهای نفوذ، جوشکاری، لایه نشانی، انجماد و … استفاده می‌شود.

حالت Mapping به بررسی نقطه به نقطه یک ناحیه مشخص از نمونه می‌پردازد. در این حالت از تعداد زیادی از نقاط در یک منطقه مشخص شده، آنالیز EDAX گرفته می‌شود و نتایج حاصل از این آنالیز به صورت یک سری نقاط رنگی نمایش داده می‌شود که هر رنگ نشان‌دهنده یک عنصر است. در جایی که میزان این عنصر بیشتر است تعداد نقاط با آن رنگ مشخص بیشتر است. 

شرایط نمونه برای آنالیز  EDS یا EDAX

روش EDS یا EDAX می‌تواند درصد وزنی و درصد اتمی عناصر نمونه را مشخص کند ولی باید  به چند نکته توجه کرد:

• آنالیز EDS یا EDAX یک آنالیز سطحی است و می‌تواند درصد عناصر را در چند میکرومتری سطح مشخص کند.
• برای بررسی نمونه‌های بالک مانند سنگ، بهتر است نمونه به صورت پودر در بیاید.
• در آنالیز EDS یا EDAX امکان اندازه‌گیری عناصر هیدروژن و هلیم را ندارد و در اندازه‌گیری عناصر تناوب دوم (مانند کربن، نیتروژن، اکسیژن و …) با خطای قابل توجهی رو به رو است.
• برای استفاده از Linescan باید مشخص شود که از چه نقطه‌ای تا چه نقطه ای از نمونه و برای چه عناصری باید آنالیز انجام شود (مثلا از لبه نمونه تا مرکز آن).
• برای استفاده از حالت Mapping باید منطقه مورد بررسی و ابعاد ناحیه تصویر برداری مشخص شود.

عناصر تشکیل‌ دهنده نمونه باید مشخص باشد.  روش EDS یا EDAX برای بررسی نمونه‌های کاملا مجهول مناسب نیست.

نتایج آنالیز EDS یا EDX به صورت زیر ارائه می شود:

کلیه نتایج به صورت یک فایل Word برای متقاضی ارسال می‌شود. برای آنالیز مپینگ این فایل شامل یک تصویر SEM از منطقه مورد بررسی است. نتایج EDAX شامل تصویر نمودار شدت پرتو اشعه ایکس بر حسب انرژی آن و یک جدول شامل درصد وزنی، درصد جرمی و خطای اندازه گیری عناصر تشکیل دهنده است، گزارش می‌شود.

نتایج Linescan به صورت یک نمودار از تغییرات درصد وزنی عناصر مورد بررسی در طول خط اسکن ارائه می‌شود. نتایج Mapping به صورت چندین عکس با نقاط رنگی است، هر تصویر نشان‌دهنده توزیع یک عنصر در منطقه مورد بررسی (منطقه‌ای که از آن تصویر SEM گرفته شده است) می‌باشد.

سوالات متداول آنالیز EDAX-EDS

آنالیز EDS برای نمونه من مناسب است؟

آنالیز EDS روشی برای تخمین میزان غلظت عناصری است که می دانیم در نمونه وجود دارد. درصد حدودی این عناصر را می توانیم با این روش تخمین بزنیم. ولی اگر نمی دانید در نمونه چه عناصری وجود دارد بهتر است از دیگر روش های عنصری استفاده شود. به دلیل انرژی نزدیک عناصر امکان خطا در صورتی که دستگاه نوع عنصر را شناسایی کند وجود دارد. مزیت مهم این روش امکان ردیابی عناصر کربن و اکسیژن و نیتروژن است.

آیا آنالیز EDS دقیق است؟

به صورت حدودی دقت این روش در حدود یک درصد است و برای غلظت های کمتر دقت بالایی ندارد. همچنین درصد عناصر در نقاط مختلف نمونه می تواند متفاوت باشد. میانگین گیری از درصد نقاط مختلف نتیجه را دقیق تر می کند.

Linescan و mapping چیستند؟

نتایج Linescan به صورت یک نمودار از تغییرات درصد وزنی عناصر مورد بررسی در طول خط اسکن ارائه می‌شود. نتایج Mapping به صورت چندین عکس با نقاط رنگی است، هر تصویر نشان‌دهنده توزیع یک عنصر در منطقه مورد بررسی (منطقه‌ای که از آن تصویر SEM گرفته شده است) می‌باشد.

حتماْ باید عناصر را به طور دقیق مشخص کنم؟

بله. روش EDS روش مناسبی برای نمونه های مجهول نیست. باید عناصر به صورت دقیق در بخش مربوطه بنویسید. درصد کل عناصر بر پایه تنها این عناصر محاسبه می شود. اگر پیک دیگری در نمودار ظاهر شده است. یعنی نمونه دارای عنصر دیگری نیز است. تخمین دستگاه در خصوص نوع عنصر مربوط به این پیک ممکن است دقیق نباشد.