EDS 能谱技术发展历程

        能谱仪 Energy Dispersive Spectrometer通常使用EDS作为缩写，是SEM、TEM、FIB、EPMA等设备的重要附件，按照微束分析国家标准术语， EDS能谱仪是同时记录所有X射线谱的谱仪，是一种测量X射线强度与X射线能量函数关系的设备。       

        随着技术的进步，牛津仪器能谱仪经历了从液氮能谱仪到电制冷能谱仪的跨越，而且电制冷能谱仪产品也在不断更新，从x-Act，X-Max， X-Max^N系列到全新 Ultim Max系列，分析效率、定量准确性及功能扩展也在不断进步，发展历程大致经历如下五个阶段。

第1阶段 区域分析，无电子图像和位置信息   

        早期EDS系统，仅可使用电子显微镜对样品中某区域进行拍照。同时EDS分析需要以手动方式标识某元素的X-ray线系，进而获得样品中的不同区域的成分信息。

第2阶段 自动点分析及面分布分析

        随着数字化电子束控制系统的出现，EDS扫描发生器可以控制SEM扫描系统。因此可以通过点击电子图像的点/区域来研究相应区域的化学成分。这种“点分析”可以将样品的结构/形态与成分联系起来。AutoID（元素自动标识）功能的出现提高了分析效率和交互性，可快速识别谱图中的峰。 

        对电子显微镜扫描功能的控制还使得能谱EDS系统在电子束扫描样品表面的同时获得EDS信息，并在该区域上构建有强度差异的图像，即X射线面分布图。因此，可以使用X射线面分布图更详细地研究有趣或复杂的区域，以显示元素在整个区域的变化。

        相比液氮制冷能谱仪和小面积电制冷冷谱仪，大面积电制冷能谱仪可大幅度提高点分析及面分布分析的效率。如下图为不同晶体面积(10 mm²,100 mm²和170mm²) UltimMax电制冷能谱仪相同时间分析区域的差异，大面积能谱仪的使用可带来更高的工作效率。

第3阶段 高级面分布图

3.1 建立虚拟样品

        随着大面积SDD探测器的出现，尤其是牛津仪器仪器Ultim Max系列的推出，可在高计数率条件下采集高质量EDS数据，在不同样品及不同电子显微镜条件下，几秒钟或几分钟内可完成X射面分布图的采集。使用AZtec的 AutoLayer功能可自动构建分层图像，将样品的形貌和主要元素的分布叠加一起，直观显示元素分布与形貌的关系。相比单色的电子图像及元素分布，AutoLayer结果可展现更多信息。由于在面分布中的每个像素存储了所有X射线信息（智能面分布图SmartMap），可利用面分布结果创建一个虚拟样品，离线条件下进行后续分析（例如，从面分布图选取一个小区域进行谱图重建）。

3.2 高通量分析，连通微观及宏观

        常规能谱分析，仅可在数百微米的单个视场下进行。过低放大倍数引起的电子束偏离垂直入射条件，可引起定性定量分析的误差。大面积分析功能的出现，通过自动采集多个视场的元素分布及定量信息以及随后的自动拼接，可实现厘米尺度的元素分析，将微观与宏观分析连通。下图为利用大面积分析功能，分析了某Al合金样品744个视场，12.9mm*12.4mm区域的元素分布。

第四阶段： 实时化学成像AZtecLive的出现

        AZtecLive实时化学成像功能将电子显微镜SEM成像和能谱EDS元素分析结合在一起，，做到“如影随行”的效果。电子图像和EDS数据的采集顺序已不复存在，SEM和EDS系统之间的反复切换寻找合适位置的情况同样不复存在。使用AZtecLive，成像和EDS数据采集始终处于打开状态，同时实现样品检索和样品关键区域的详细分析。得益于高通量数据的快速而准确处理，在几秒钟内可生成包含形态、谱图和元素分布信息的AZtecLive结果，复杂的X射线谱图可以实时转化为精确的成分分析。

        AZtecLive的出现，打破了传统样品检测的方式及流程，大大提升检测效率及准确性。

5. EDS与更多技术联用，完整表征样品微观特征

        为了更加完整表征样品的微观特性，牛津仪器整合能谱、EBSD、波谱、原子力及拉曼技术及产品于一体成立材料分析集团，致力于加强多技术联用的推广。

        例如可以通过扫描电镜平台，同时利用拉曼及EDS进行元素表征，获得更多信息，如成分、应力、物相、晶型等；通过关联技术使原子力显微镜和扫描电镜及EDS、EBSD对相同区域进行表征，获得更多力学、电学等信息，这些设备与EDS的联用，均可相互优化分析过程及拓展应用领域。

详细来讲：

        AZtecEDS可实现纳米至厘米尺度的元素定性及定量分析，同时可以和SEM形貌观察相结合实现AZtecLive实时化学成像功能。

        AZtecWave为罗兰圆架构波谱仪，罗兰圆半径210mm，它与牛津仪器AZtecEDS基于同一软件平台AZtec。相比EDS，具有更高的能量分辨率和更低的检测限。AZtecWave与AZtecEDS联用，主元素可以使用快速EDS分析，痕量及严重谱峰重叠元素使用能量分辨率更高/检测限更低的WDS波谱法分析。EDS数据更可用于设置WDS最佳采集条件，大幅度简化繁琐的WDS参数设置及分析效率。下图显示了Ti6Al4V样品AZtecEDS和AZtecWave分析结果分辨率的差异。

        AZtecEBSD 在EDS成分分析的同时，可获得样品的物相、取向、变形等信息，它同样基于AZtec软件。EDS也可用于辅助区分结构近似的物相分析。结合基于CMOS传感器的Symmetry S3 EBSD探测器，图像分辨率及采集效率均有了大幅度的提高。同时，数据后处理软件 AZtecCrystal给出了全新的体验。如下图为利用EDS辅助区分晶体结构近似的Ni, NbC和Osbornite相。

        利用AZtec软件中的Image Registration图像导航功能，可以实现相同区域Asylum Research AFM原子力显微镜分析及EDS、EBSD的分析。同时结合Relate 多平台图像及数据处理软件，可将电子图像、AFM、EDS、EBSD等结果叠加于单个图像中，获得形貌、成分、晶粒尺寸、取向、模量、压电响应、磁畴等信息，实现样品从微观形貌到物性的全面表征。如下图为某双相钢样品，AFM形貌、MFM磁力显微镜、EDS成分及EBSD相分布经Relate软件处理后叠加图。

        Rise (Raman Imaging Scanning Electron Microscope)拉曼分析，可以获得物质化学结构相关的信息，表征物相、晶型、应力等。同时Rise可以实现 SEM 、EDS和Raman一体化联用，便捷的将显微形貌、成分与分子化合物结构信息关联起来。如下图为某地质样品EDS元素分布结果及Raman区分不同物相的结果。

总结

        随着显微分析技术的发展，采用多技术联用对材料进行全方位的表征及分析受到越来越多研究人员的重视。牛津仪器材料分析集团（MAG）整合了行业领先的能谱仪、波谱仪、EBSD、纳米机械手、高速高分辨原子力显微镜、共聚焦高速高分辨拉曼显微镜、台式核磁波谱仪等多种技术，在多技术联用方面有独到的优势，可以为材料分析提供最先进的解决方案。