Electron Probe Microanalysis

Analisis microprobe elektron (EMPA), juga disebut elektron Mikroanalisis probe, adalah sebuah teknik analisis yang digunakan untuk menetapkan komposisi daerah kecil pada spesimen. EMPA adalah salah satu dari beberapa teknik partikel-beam. Sebuah sinar elektron dipercepat difokuskan pada permukaan spesimen menggunakan serangkaian lensa elektromagnetik, dan elektron energik menghasilkan sinar-X karakteristik dalam volume kecil (biasanya 1 sampai 9 mikron kubik) dari spesimen. Sinar-X karakteristik terdeteksi pada panjang gelombang tertentu, dan intensitas mereka diukur untuk menentukan konsentrasi. Semua elemen (kecuali H, He, dan Li) dapat dideteksi karena setiap elemen memiliki satu set khusus sinar-X yang memancarkan. Teknik analisis ini memiliki resolusi spasial tinggi dan sensitivitas, dan analisis individu cukup singkat, hanya membutuhkan satu atau dua menit dalam banyak kasus. Selain itu, microprobe elektron dapat berfungsi seperti mikroskop elektron scanning (SEM) dan memperoleh sangat diperbesar gambar sekunder dan backscattered-elektron dari sampel.

Microprobe elektron (EMP), juga dikenal sebagai probe elektron microanalyzer (EPMA) atau elektron mikro penyelidikan analyzer(EMPA), adalah alat analisis yang digunakan untuk non-destruktif menentukan komposisi kimia dari volume kecil bahan padat. Ia bekerja sama dengan sebuah mikroskop elektron scanning : sampel dibombardir dengan berkas elektron , memancarkan sinar-x pada panjang gelombang karakteristik untuk unsur-unsur yang dianalisis. Hal ini memungkinkan kelimpahan elemen hadir dalam volume sampel kecil (biasanya 10-30 kubik mikrometer atau kurang) yang akan ditentukan. ^[1] Konsentrasi dari unsur boron ke plutonium dapat diukur pada tingkat serendah 100 bagian per juta (ppm ). Perbaikan terbaru pada Empas (misalnya CAMECA SX100 dengan lima kristal PET kebesaran untuk analisis unsur jejak) secara akurat dapat mengukur konsentrasi unsur sekitar 10 ppm.

Sejarah [ sunting ]

Pengembangan microprobe elektron didahului oleh yang dari teknik analisis terkait erat X-ray fluorescence spektrometri (XRF). Teknik ini pertama kali diusulkan oleh Georg von Hevesy pada tahun 1923 dan diterapkan oleh pekerja lain dalam beberapa tahun berikutnya.

Pada tahun 1944, MIT membangun microprobe elektron, menggabungkan mikroskop elektron dan spektrometer energi-rugi . Elektron energi loss spektrometri sangat baik untuk analisis elemen cahaya dan mereka memperoleh spektrum C-Kα, N-Kα dan radiasi O-Kα. Pada tahun 1947, Hiller dipatenkan ide menggunakan berkas elektron untuk menghasilkan sinar-X analitis, tetapi tidak pernah membangun sebuah model kerja. Desain yang diusulkan menggunakan difraksi Bragg dari kristal datar untuk memilih panjang gelombang sinar-X khusus dan pelat fotografi sebagai detektor.

Pada 1948-1950, Raymond Castaing , diawasi oleh André Guinier , dibangun elektron pertama "microsonde électronique" (microprobe elektron) di University of Paris. Microprobe ini menghasilkan diameter berkas elektron dari 1-3 pM dengan arus berkas ~ 10 nanoamperes (nA) dan menggunakan Geiger counter untuk mendeteksi sinar-X yang dihasilkan dari sampel. Namun, counter Geiger tidak bisa membedakan sinar-X yang dihasilkan dari elemen tertentu dan pada tahun 1950, Castaing menambahkan kuarsa kristal antara sampel dan detektor untuk mengizinkan diskriminasi panjang gelombang. Dia juga menambahkan mikroskop optik untuk melihat titik dampak balok. Microprobe yang dihasilkan dijelaskan dalam Castaing 1951 Ph.D. tesis, [2] di mana ia meletakkan dasar-dasar teori dan penerapan analisis kuantitatif dengan microprobe elektron, membangun kerangka teoritis untuk koreksi matriks efek penyerapan dan fluoresensi. Castaing (1921-1999) dianggap sebagai "bapak" analisis microprobe elektron.

CAMECA (Prancis) menghasilkan microprobe komersial pertama, "MS85," pada tahun 1956 ini segera diikuti oleh banyak microprobes dari perusahaan lain.; Namun, semua perusahaan kecuali CAMECA dan JEOL , sekarang keluar dari bisnis. Selain itu, banyak peneliti membangun microprobes elektron di laboratorium mereka. Perbaikan selanjutnya yang signifikan dan modifikasi microprobes termasuk pemindaian sinar elektron untuk membuat peta X-ray (1960), penambahan solid state EDS detektor (1968) dan pengembangan multilayer sintetis difraksi kristal untuk analisis elemen cahaya (1984).

Cara kerjanya [ sunting ]

Sebuah sinar elektron ditembakkan pada sampel. Balok menyebabkan setiap elemen dalam sampel untuk memancarkan sinar-X pada frekuensi karakteristik; sinar-X kemudian dapat dideteksi oleh microprobe elektron. [3] Ukuran dan kepadatan arus berkas elektron menentukan trade-off antara resolusi dan waktu pemindaian dan / atau analisis waktu. [4]

Deskripsi rinci [ sunting ]

Elektron rendah energi yang dihasilkan dari tungsten filamen, sebuah lanthanum Hexaboride kristal katoda atau lapangan emisi sumber elektron dan dipercepat oleh bias positif anoda piring untuk 3-30000 elektron volt (keV). Pelat anoda memiliki aperture pusat dan elektron yang melewatinya adalah collimated dan fokus dengan serangkaian lensa magnetik dan lubang. Yang dihasilkan berkas elektron (kira-kira dari 5 nm sampai 10 mikrometer diameter) dapat rastered seluruh sampel atau digunakan dalam mode tempat untuk menghasilkan eksitasi dari berbagai efek dalam sampel. Di antara efek ini: phonon eksitasi (panas), cathodoluminescence (fluoresensi cahaya tampak), kontinum radiasi X-ray ( bremsstrahlung ), radiasi sinar-X karakteristik, elektron sekunder ( plasmon produksi), produksi elektron backscattered, dan Auger elektron produksi.

Ketika elektron beam (dan elektron tersebar dari sampel) berinteraksi dengan elektron terikat dalam kulit elektron terdalam atom dari berbagai elemen dalam sampel, mereka dapat menyebarkan elektron terikat dari kulit elektron memproduksi kekosongan dalam shell yang (ionisasi atom). Kekosongan ini tidak stabil dan harus diisi oleh elektron dari salah satu energi yang terikat shell yang lebih tinggi dalam atom (memproduksi kekosongan lain yang pada gilirannya diisi oleh elektron dari energi terikat kerang belum tinggi) atau dengan elektron terikat dari energi rendah. Perbedaan dalam mengikat energi antara kulit elektron di mana kekosongan diproduksi dan shell dari mana elektron datang untuk mengisi kekosongan dipancarkan sebagai foton. Energi dari foton berada di kawasan X-ray dari spektrum elektromagnetik . Sebagai struktur elektron dari setiap elemen unik, seri X-ray energi baris yang dihasilkan oleh kekosongan pada kulit terdalam adalah karakteristik dari elemen itu, meskipun garis-garis dari unsur-unsur yang berbeda mungkin tumpang tindih. Seperti kerang terdalam yang terlibat, energi garis X-ray umumnya tidak terpengaruh oleh efek kimia yang dihasilkan oleh ikatan antara unsur-unsur dalam senyawa kecuali dalam nomor atom rendah (Z) unsur (B, C, N, O dan F untuk K alpha dan Al cl untuk K beta) di mana energi garis dapat bergeser sebagai akibat dari keterlibatan kulit elektron dari mana kekosongan diisi dalam ikatan kimia.

Sinar-X karakteristik yang digunakan untuk analisis kimia. Panjang gelombang sinar-X atau energi tertentu yang dipilih dan dihitung, baik dengan panjang gelombang dispersif spektroskopi sinar-X (WDS) atau energi dispersif spektroskopi sinar-X (EDS). WDS menggunakan difraksi Bragg dari kristal untuk memilih panjang gelombang sinar-X dari bunga dan mengarahkan mereka ke gas-aliran atau disegel detektor proporsional. Sebaliknya, EDS menggunakan solid state detektor semikonduktor untuk mengumpulkan sinar-X dari semua panjang gelombang yang dihasilkan dari sampel. Sementara EDS menghasilkan informasi lebih lanjut dan biasanya membutuhkan waktu penghitungan yang jauh lebih singkat, WDS umumnya teknik yang lebih tepat dengan batas bawah deteksi karena yang resolusi puncak X-ray superior.

Komposisi kimia ditentukan dengan membandingkan intensitas sinar-X karakteristik dari bahan sampel dengan intensitas dari komposisi diketahui (standar). Hitungan dari sampel harus dikoreksi untuk efek matriks (kedalaman produksi sinar-X, [5] [6] penyerapan dan sekunder fluoresensi [7] [8] ) untuk menghasilkan komposisi kimia kuantitatif. Informasi kimia yang dihasilkan dikumpulkan dalam konteks tekstur. Variasi komposisi kimia dalam bahan (zoning), seperti butiran mineral atau logam, dapat segera ditentukan.

Volume dari mana informasi kimia dikumpulkan (volume sinar-X generasi) adalah 0,3-3 mikrometer kubik.

Penggunaan [ sunting ]

Ilmu material dan rekayasa [ sunting ]

Sebuah bagian dari 1886VE10 mikrokontroler mati seperti yang terlihat oleh microprobe elektron. Silinder terang kecil tungsten vias tersisa dari metalization etsa proses. The X-ray spektroskopi teknik dapat digunakan untuk menentukan komposisi bahan vias.

Untuk tujuan perbandingan, bagian yang sama dari 1886VE10 mikrokontroler mati seperti yang terlihat oleh mikroskop optik .

Teknik ini biasanya digunakan untuk menganalisis komposisi kimia dari logam, paduan, keramik, dan gelas. Hal ini sangat berguna untuk menilai komposisi partikel atau butir individu dan perubahan kimia pada skala beberapa mikrometer untuk milimeter. The microprobe elektron banyak digunakan untuk penelitian, kontrol kualitas, dan analisa kegagalan.

Mineralogy dan petrologi [ sunting ]

Teknik ini paling sering digunakan oleh mineral dan Petrologi. Kebanyakan batuan merupakan agregat dari butiran mineral kecil. Butir ini dapat mempertahankan informasi kimia diadopsi selama pembentukan dan perubahan berikutnya. Informasi ini dapat menerangi proses geologi, seperti kristalisasi, lithification, vulkanisme, metamorfosis, peristiwa orogenic (gunung bangunan), lempeng tektonik. Teknik ini juga digunakan untuk studi batuan luar angkasa (yaitu meteorit), dan menyediakan data kimia yang sangat penting untuk memahami evolusi planet-planet, asteroid, dan komet.

Perubahan komposisi unsur dari pusat (juga dikenal sebagai core) ke tepi (atau pinggiran) dari mineral yang dapat menghasilkan informasi tentang sejarah pembentukan kristal, termasuk suhu, tekanan, dan kimia dari medium sekitarnya. Kristal kuarsa, misalnya, memasukkan sejumlah kecil, tapi terukur dari titanium ke dalam struktur mereka sebagai fungsi temperatur, tekanan, dan jumlah titanium yang tersedia di lingkungan mereka. Perubahan parameter ini dicatat oleh titanium sebagai kristal tumbuh.

Paleontologi [ sunting ]

Dalam fosil sangat diawetkan, seperti orang-orang dari shale Burgess , bagian lunak organisme dapat dipertahankan. Karena fosil ini sering dikompresi menjadi film 2D, bisa sulit untuk menyimpulkan fitur apa yang apa: contoh terkenal adalah bahwa ekstensi segitiga di Opabinia , yang diartikan sebagai salah satu kaki atau ekstensi dari usus. Pemetaan unsur menunjukkan bahwa mereka memiliki komposisi yang mirip dengan usus, mendukung penafsiran kedua. [9] Karena sifat tipis film karbon, hanya tegangan rendah (5-15V) dapat digunakan dalam spesimen tersebut. [10]

Untuk informasi lebih lanjut tentang kelimpahan unsur di shale Burgess, lihat Burgess jenis shale pelestarian # elemental mapping

Analisis Meteorite [ sunting ]

Komposisi kimia dari meteorit dapat dianalisis cukup akurat menggunakan teknik EPMA. Hal ini dapat mengungkapkan banyak informasi tentang kondisi yang ada di tata surya kita bertahun-tahun yang lalu. Dengan demikian, dalam membantu kita mengetahui masa lalu dari tata surya kita, itu akan juga menempatkan kami selangkah lebih maju dalam mengetahui masa kini & mungkin, bahkan kondisi masa depan tata surya.

Pengantar EPMA

EPMA bekerja dengan membombardir volume mikro sampel dengan berkas elektron terfokus (khas energi = 5-30 keV) dan mengumpulkan foton sinar-X sehingga dipancarkan oleh berbagai jenis unsur. Karena panjang gelombang sinar-X ini merupakan karakteristik dari spesies memancarkan, komposisi sampel dapat dengan mudah diidentifikasi dengan merekam spektrum WDS (Wavelength dispersif Spektroskopi). WDS spektrometer didasarkan pada hukum Bragg dan menggunakan berbagai bergerak, monocrystals berbentuk sebagai monochromators.

EPMA adalah metode sepenuhnya kualitatif dan kuantitatif analisis unsur non-destruktif dari volume berukuran mikron di permukaan bahan, dengan sensitivitas pada tingkat ppm. Kuantifikasi Rutin 1% reproduktifitas diperoleh selama beberapa hari. Ini adalah teknik mikro-analisis yang paling tepat dan akurat yang tersedia dan semua elemen dari B ke U dan di atas dapat dianalisis.

EPMA sepenuhnya kompatibel dengan sesi analisis rutin, dengan interpretasi mudah dan langsung hasil.

Instrumen EPMA dilengkapi dengan kit lengkap built-in tools mikroskop yang memungkinkan simultan X-ray (WDS dan EDS), SEM dan pencitraan BSE, ditambah optik cahaya tampak canggih; mereka menyediakan pemeriksaan sampel yang sangat fleksibel dengan perbesaran gambar mulai dari 40 sampai 400.000.

Penentuan ketebalan dan komposisi unsur dari nm sampai mm lapisan tebal bahan stratified adalah mungkin.

Aplikasi utama yang ditemukan dalam geokimia, mineralogi, Geochronology, metalurgi fisik, metalurgi nuklir, ilmu material termasuk kaca, keramik, superkonduktor, semen, mikroelektronika, biokimia ...

EPMA memberikan hasil yang jauh lebih baik daripada sistem SEM / EDS standar. Karena sifat internal WDS, sensitivitas umum, analisis elemen cahaya dan risiko interpretasi yang keliru dari spektrum kualitatif adalah semua unggul dengan EPMA. Resolusi spektral dan detektor waktu mati jauh lebih baik dari EDS (Energi dispersif Spektroskopi).

Eksitasi balok sistem regulasi dan kemampuan tahap sampel canggih menjamin bahwa teknik ini memberikan stabilitas yang luar biasa dan pengulangan pengukuran.

CAMECA: pelopor dan pemimpin dunia dalam EPMA

EPMA telah dikaitkan dengan CAMECA sejak teknik ini pertama kali muncul pada skala industri. Bekerja sama erat dengan Prof R. Castaing dari Université de Paris dan berdasarkan penelitian, CAMECA memperkenalkan microprobe MS85 di pasar sedini 1958. Pengakuan di seluruh dunia datang dengan cepat dan instrumen ini karena telah mendapatkan manfaat dari perbaikan yang berkesinambungan dan adaptasi terhadap tantangan analitis baru.