Elektronen Ionenspek

- nach Anzahl der Streuakte in Einfach- , Mehrfach-, Vielfachstreuung sowie Elektronendiffusion

Elektronen-Elektronen Streuung mit Energieverlust

Mechanismen:

- Ionisation des Atoms in innerer Schale   delta E = Eion + Ekin

- e- äußerer Schalen gehen in höhere unbesetzte Zustände über

- Dichteschwingung des Elektronenplasmas durch Plasmanenanregung ( Probenelek. WW mit anderen Probenelek.  → Ladungsdichtewellen

bei kleinen Streuwinkel überwiegt unelastische Streuung  d sigma unel. > d sigma el

bei großen Streuwinkelnvd sigma unel. = 1/Z * d sigma el.

- Ordnungszahl: je höher desto runder (Halbkugel, Zustand der Elektronendiffusion wird früher erreicht

- Primärlektronenenergie: je höher desto tiefer (zp Eindringtiefe nimmt zu)

- Beschusswinkel

Augerelektronen: 3nm- 5nm

Sekundärelektronen

Rückstreuelektronen

Röntgenstrahlung aus gesamten Bereich der Probe

Röntgenfluoreszensstrahlung (RS erzeugt RS)

Ablauf: Elst. Streuung→vRückstreuelek. und Aufweitung fokusierender Strahl

Abbremsung der Elektronen → kont. Rsbremsstrahlung

Ionisation→diskrete char. RS

S = - 1dE/(roh*dx) = (2piN_Le⁴Z)/(E₀A*) x  ln [(2E0/)J]

roh...Dichte

NL... Avogadro Zahl

A*...Atommasse in u

J...mittleres Ionisationspotential

R = 0,0033(E0^1,7 - Ec^1,7) A*/ roh*Z

R in µm wenn E0 und Ec in keV,  roh in g/cm³

Wahrscheinlichkeit, dass ein in der Tiefe z elast. gestr. Pe die OF ohne inelast. Streuung erreicht

W = exp( - z/ (lambda inelast. *cos teta))

- typischer oberflächennaher Prozess wenige nm (2-4)

- elastische Streuung im Potenial des Atoms

siehe Bild Unterlagen

- elastische Streuung nahe der Einfallrichtung sowie im Rückwärtsstreubereich

- Vorwärtsstreuung bei schnellen PE (hohe Beschleunigungsspannung)

- Rückwärtsstreuung bei langsamen PE

siehe Bild Unterlagen

sigma SE = sigma SE(d) + sigma SE (id) mit sigma SE prop. 1/E_PE

sigma SE(id) trägt nur zum Rauschen bei

Atomionisation dur PE:

- Emission der SE

- Nachspringen von gebundenen Elekronen in Lücke

- Energieausgleich durch Emission von hv oder von AE

AE- Emission überwiegt bei leichen Atomen

Oberflächensensitiv da Weglänge der AE ca. 1nm

Umwandlung in Strahlung innerhalb des Fk → Erwärmung bzw. emittierte Strahlung

- Bei hinreichend dicken FK messbar als Probenstrom

- Abbremsen der PE im elek. Feld der Atomkerne (PE verlieren Energie)

- Bahnveränderung von PE im Feld (Energie PE bleibt konst. Energie wird Feld entnommen)

E = e*U_B = h*nü = ((hc)/lambda min) =

lambda min = (h*c)/ (e*U_B) = 1,24 nm/ U_B in kV

lambda min ... energiereichste Strahlung bei totalem Abbremsakt

Strahlung elementunspezifisch

abhängig von Beschleunigungsspannung und vom Anodenmaterial

PE ionisier durch uneleast Stöße innere Elektronenschale der Atome

E_PE > E_{ion, krit}  notwendig

e- springt von äußerer Schale auf Lücke mit Energiegewinn delta E der als RSquan emittiert wird

Lambda char  = 1,24nm/delta E in keV

elementabhängig → für FK-analyse nutzbar

delta l (Nebenquantenzahl) = +/- 1

delta j (Drehimpulsquantenzahl) = 0 oder +/- 1

Emission von Lichtquanten bei Energieübergängen zw. den Elektronenzuständen von Halbleitern

2 Mechanismen:

a) Eigenlumineszens (intrinsic) :e- des Leitungsbandes rekombiniert mit Defektelektronen des Valenzbandes, Energiediff. wird als Photon abgegeben

b) durch Vereinigungsatome erzeugte Lmineszens (extrinsic) lokalisierte Elektronenzustände sind entscheidend -> wichtig bei abbildenden Methoden (REM)

- meist untergeordnete Rolle

- c*m*delta T kleiner gleich e*U_B

- bei kurzzeitigem lokalem Elektronenbombardement sind räumliche und zeitliche Temperaturgradienten entscheidend abhängig von:

Leitfähigkeit des FK

Wärmeübergang/ therm. Isolation

- Streuprozesse (Elastisch, unelastisch)

- Auslösung von Sekundärelektronen

- Auger Elektronen

- Absorbierte Elektronen

- Auslösung Röntgenstrahlung

- Auslösung char. RS

- Kathodolumineszens

- Temperaturerhöhung

- optimale Anregung für jede Linie unterschiedlich E0 ≈ 3Ec

- I jeder Linie wird neben der Konz. des zugehörigen Elemnts in der Probe auch durch die spez. Überspannung bestimmt

- Ein zu großes Überspannungsverhältnis ist weniger kritisch als ein zu kleines

- gleichmäßigere Anregung durch Elektronen als durch RS

- Eindringtiefe z_m/µm = 0,033(E0²/keV - Ec²/keV / roh/g*cm-³)

Ec muss abgezogen werden sonst keine Energie mehr um RS auszulösen

- mit primären Elektronenenergie und Wahl welche Linienserie eine Elements analysiert werden soll, wird auch unterschiedliche Oberflächensensibilität und laterale Auflösung der EDX eingestellt

Wie genau wird gemessen

Tiefe t in nm = 33* (E0^1,7 - Ec^1,7 )* A/(roh*Z)

Z...gemittelte Kernladungszahl

Durchmesser r in nm = (0,4114*Z^2/3) *t / (1 + 0,187 * Z^2/3)

- bei leichten Elementen Birne tiefer als Breit

- bei schweren Elementen breiter als tief

- e- werden durch das elek. Feld in Kernnähe abgebremst

- E0 ist die max. Energie der Bremsstrahlung

- Überlagerung von Bremsstrahlung un char. RS

- Einfluss durch Absorbtion

- Messtechnische Signalverbreiterung

- geringfügig abhängig von Ordnungszahl der Probe und Anregungsbedinugnen (Hochspannung REM)

- bestimmt durch den parallel erzeugten Bremsuntergrund

- kann durch verbesserte Energiauflösung um eine Größenordung auf ca. 0,01% verringert werden → wellenlängendispersive Spektrometer

- Si(Li) Halbleiterdetektor mit hochohmigem strahlungsempfindöichem Volumen

- Absorbierte Strahlung erzeugt pro 3,8 eV ein Elektronen- Loch-Paar (RS läuft sich tot und wird in EL-Par umgesetzt) → als Spannungspulse detektiert→ im Vielkanalanalysator digitalisiert → als Impulshöhespektrum gezählt

- Detektor und Feldeffekttransistor werd gekühlt, für bestmögliche Energieauflösung

- es wird immer 1 RQuant gemessen → bei Messung von 2 Quanten → Abbildung eines RQuants mit doppelter Energie

SDD- silicon Drift Detektoren: Ringelektroden erzeugen Feldgradient, der generierte Ladungsträger zur Anode driften lässt, danach weiter wie Si(Li)

- kleinere Elektrodenfläche → geringere Kapazität und weniger Rauschen → schneller → therm. Störungen weniger wichtig → Peltierkühlung ausreichend

-Escape- Linien in Abstand von -1,74 keV (ungezähltes SiK- Strahlungsquant (von Detektorkristall)

-Pile-up Peak durch mehrere zeitlich nicht aufgelöste Impulse (Messung 2 RQuanten)

- gleichmäßiger Untergrund durch Ladungsträgerdiffusion aus den inaktiven Schichten des Detektors in das Volumen

- Asymmetrische Komponente durch unvollständige Ladungsträgersammlung

- können zur Annahme falscher Elemente führen oder bei Überlagerung mit char, Linien erhöhte Konzentrationen vortäuschen

- entsteht wenn nicht die gesamte Energie des Röntgenquants in ein Elektronen-Loch Paar umgesetzt wird sondern ein Si-K Röntgenquant aus dem Detektor entweicht (Signal ist um Si-K Strahlung vermindert)

- bei hohen Intensitäten besonders wahrscheinlich

- kann durch Escape- Korrektur "entfernt" werden

N1/N0 = exp (- (µ/roh) p*d)

µ/roh ... Massenschwächungskoeffizient -> entstehen von Absorbitionskanten: Problem bei unbekannten Proben

- günstig Probe senkrecht zum Detektor verkippt (90°)

- Effekte der Oberflächenrauheit und Selbstabsorption sind nicht linear

- Leichte Elemente werden unterschätzt

- Messungen bei unterschiedlichen Kippwinkeln vergleichen

- Selbstabsorption wird bei iterativer Anpassung berücksichtigt

- entsteht durch Absorptionskanten

- d.h. die Strahlung eines Elementes wird genutzt um die Strahlung eines anderen Elementes anzuregen -> Energie des ersten Elementes wird verringert

z.B O regt Ca-L Niveau an

- Linienlage gibt Auskunft über qualitative Zusammensetzung

- Zahl der Röntgenquanten ist das Maß für die Konzentration der Elemente (Höhe/Fläche unter Peak) kein linearer Zusammenhang zw. Quantenzahl und Kontentrationsanteil verschiedener Elemente

- erzeugte Strahlung wird in Probe selbst und Detektorfenster absorbiert.

- Absorption ist energieabhängig und wird durch Verlauf des Massenschwächungskoeffizienten (Absorptionskannten) beeinflusst

- das energiedispersive gemessene Röntgenspektrum wird mit einem berechneten Spektrum verglichen

Überlagerung charakteristischer und kontinuierlicher RS iterativ angepasst:

• Spektrenkorrektur
• Identifizierung der Linien
• Bremstrahlungsberechnung (Untergrundapproximation)
• Entfaltung (Bestimmung der Netto- Impulszahlen bei Linienüberlagerung)
• Berechnung der Konzentration aus den Nettoimpulszahlen

- Konzentrationsannahme nach der Elementidentifizierung

- Berechnung der Bremsstrahlung entsprechend der Anregungsparameter, Absorption im Detektorfenster, den geo. verhältnissen bei der Analyse der angenommenen Zusammensetzung

- Neuberechnung der Konzentrationen, Wiederholung bis Selbstkonsistenz (Werte stabil)

- vor allem bei L- Serien notwendig

- Breite hängt mit Detektor zusammen

- bei hohen Ordnungszahlen z.B. Seltenerden können e- sich im oberen Energieniveau frei bewegen -> keine diskrete energie -> Zahl der Elektronenlochpaare schwankt

- bei zu geringen Energien sink Spekrometer- Effiziens -> Untergrund wird sehr hoch

- bei Energien unterhalb von 300 EV kann es zu Verschiebungen von Peaklagen in Richtung kleinerer Energien kommen -> Detektor wird nicht linear -> keine vollständige Erfassung der Ladungswolke

- Ultradünne Berylliumfenster lassen Elektronen höherer Energien durch -> Fenster kann dadurch zerstört werden

- Elektronenfallen mit Permanentmagneten sollen diese ablenken

- Fenster oft mit Stützgitter -> evtl Absorptionskanten

- Elemente mit niedrigen OZ (< Al) oft nicht messbar

- Kontrolle der Detektoreffektivität durch Vergleich der Intensitäten der Cu- K und L- Linien- > intensitätsverhältnis ist verschoben

- ungeeignet bei Verunreinigungen mit leichten Elementen CaCO3 besser

Effekte:

• Trockeneisbildung (CO2): schwächt beide Linien
• Eis (H2O): schwächt O-Linie, aber C nicht
• C- Schichten: schwächt O aber C kaum

durch Kühlung von Detektor zwingend Vakuum notwendig -> sonst Vereisung durch Wasserdampf

Wärme erhöht Rauschen

- ist die Impulsbearbeitungszeit der Detektorelektronik (tau = 1-100µs)

(Zeit um Ladungswolke zu verarbeiten) je länger desto genauer

- bei tau Lang: gute Energieauflösung

- bei tau kurz: höhere Zählraten

- expotentieller Abbau von Ladungswellen

- bei wenig Material lange Totzeit

- Livetime + Totzeit = Echtzeit