eds测试
ADC0808-党课结业论文
2023年3月19日发(作者：蛋黄焗玉米)EDS和EELS测定锆合金中锆氧化物的氧含量对比
张诚;宋西平
【摘要】分别采用X射线能量分散谱仪(EDS)和电子能量损失谱仪(EELS)对锆合金
中析出的锆氧化物相的氧含量(原子分数)及分布进行了测试,并对测试结果进行了对
比.结果表明:EELS测得的锆氧化物中的氧含量为67.1％,与ZrO2的氧含量接近
(66.7％),而EDS测得的锆氧化物中的氧含量仅为30.1％,与ZrO2的氧含量相差甚
远;经过选区电子衍射花样标定,该锆氧化物为ZrO2相,与EELS分析结果一致,因此
利用EELS技术测定氧含量具有更高的精确度和可靠性,EELS可以用于氧化物的直
接标定;同时,利用EELS成像可以清晰地显示出氧元素的偏聚状态,而EDS成像未能
显示出氧元素的偏聚状态.
【期刊名称】《理化检验-物理分册》
【年(卷),期】2018(054)010
【总页数】4页(P733-735,753)
【关键词】透射电镜;锆氧化物;氧含量;X射线能量分散谱仪;电子能量损失谱仪
【作者】张诚;宋西平
【作者单位】北京科技大学,北京100083;北京科技大学,北京100083
【正文语种】中文
【中图分类】TH838
在分析型透射电镜(TEM)中，X射线能量分散谱(EDS)分析和电子能量损失谱(EELS)
分析是两种常见的分析化学元素的方法，已经得到了广泛的应用[1-6]。EDS依靠
入射电子激发试样产生特征X射线的能量来分析试样中化学元素的种类及含量，
可测定硼后面的化学元素。一般重元素产生的特征X射线的强度较高，因此EDS
偏向于重元素分析。EELS通过采集电子束通过试样发生非弹性散射产生的能量损
失来分析试样中化学元素的种类及含量，可测定包括氢在内的所有元素。一般轻元
素发生非弹性散射产生的能损强度较高，因此EELS偏向于轻元素分析。
材料中的氧元素及其含量可采用上述两种方法进行测定，但EELS的测定精度更高。
首先，氧的EELS信号更强，这是因为EELS直接采集氧的非弹性散射电子的能量，
采集效率较高，在30%～50%[7]；与此相反，EDS测试中氧元素被激发的特征X
射线荧光产额很低，低于2%[7]。其次，EELS信号强度取决于非弹性散射这一物
理过程而与谱仪无关，因此可以依据氧元素的散射截面，将测试得到的能损强度转
化为氧含量；但在EDS中，氧的特征X射线会部分被试样以及探测器吸收，其信
号强度与试样形状及探测器均有关，因此其测试精度较差[8]。此外，EELS的能量
分辨率更高，可达0.1eV，而EDS的能量分辨率约为129eV，因此EELS对氧元
素的分辨率要优于EDS的。然而，上述分析仅局限于理论层面，还缺乏典型的测
试实例进行证实和对比。鉴于此，笔者分别利用EELS和EDS对锆合金中锆氧化
物的氧含量进行了测试，并通过对比来深化对这两种技术测试氧含量精确度和可靠
性的认识。
1试样制备与试验方法
试验材料为轧制退火态Zr-4锆合金(国核宝钛提供)，其化学成分(质量分数/%)为：
1.2～1.7Sn，0.18～0.24Fe，0.07～0.13Cr，余Zr。试样表面先用砂纸打磨至2
000号，随后在自制的Sievert型气体储氢仪上进行吸氘试验。
TEM试样采用电解双喷的方法制备，双喷液为10%(体积分数)高氯酸酒精溶液，
双喷温度为-25℃。采用TEMTecnaiF30场发射透射电镜对吸氘后试样的组织和
相结构进行观察。采用JEOLARM200F透射电镜在扫描透射(STEM)模式下对吸
氘试样进行EELS和EDS分析，其中EELS型号为GatanGIF965。根据EELS谱
线中锆和氧电离边的积分强度，可以利用GatanDM软件的EELS模块采用k因
子法计算得到锆和氧元素的含量。
2试验结果与讨论
图1锆氧化物析出相的EELS和EDS分析结果对比Fig.1Comparisonof
analysisresultsofEELSandEDSofzirconiumoxideprecipitatephase:a)
HAADFimage;b)EELSspotscanningspectrum;c)EELSlinescanning
spectrum;d)EDSlinescanningspectrum;e)elementcontentcurves
obtainedfromEELSlinescanning;f)elementcontentcurvesobtainedfrom
EDSlinescanning
图1a)为吸氘后锆合金的高角环形暗场像(STEM-HAADF)。可以看出，在δ-
ZrD1.6氘化物附近有条状析出相析出，该析出相表现出较暗的衬度，说明其成分
与周围氘化物不同。图1b)为析出相的EELS谱，清晰地显示了氧的K-edge峰和
锆的M-edge峰，并未发现其他元素的峰，这说明该析出相为锆的氧化物。进一
步利用k因子法计算锆和氧的相对含量，可以得到析出相的氧含量(原子分数，下
同)约为67.1%，与ZrO2的氧含量(66.7%)十分接近。
为了对比EELS和EDS在氧含量测定上的精确度，对该析出相分别进行了EELS和
EDS线扫描，结果如图1c)～f)所示。图1c)和图1d)分别为EELS和EDS线扫描
的信号强度分布，可以看出EELS测得的各元素信号强度较高，约为105数量级，
而EDS测得的信号强度较弱，只有约102数量级。对锆元素来说，EELS和EDS
线扫描均测得明显的成分变化，说明两种测试方法对锆元素均有较好的分辨能力。
而对氧元素来说，EELS线扫描测得的成分变化显著大于EDS线扫描的，这表明相
比于EDS，EELS对氧元素更加敏感。根据信号强度对氧和锆的相对含量进行了定
量计算，结果如图1e)和图1f)所示。由图1e)可以得出，EELS测得析出相中的氧
含量为67.2%，与ZrO2的氧含量(66.7%)十分接近。图1f)显示，EDS测得析出
相中的氧含量仅有30.1%，与ZrO2的氧含量(66.7%)偏差较大。
分别利用EELS和EDS对析出的锆氧化物进行了元素面分布扫描，结果如图2所
示。图2a)为锆氧化物的HAADF像，方框区域为面扫描区域。图2b)和图2d)分
别为EELS和EDS测得的氧元素分布。从图2b)可以看出，氧元素集中在锆氧化物
析出相中；而在同一区域，EDS测得的氧元素分布较为均匀，并未发现显著的氧
元素偏聚，如图2d)所示。这说明EELS的面扫描对氧元素也较为敏感。图2c)和
图2e)分布为EELS和EDS测得的锆元素分布，可以看出EELS测得的锆元素的分
布规律与EDS测得的相似。通过对比EELS和EDS面扫描结果，可以看出EELS
的面扫描不管对轻元素氧还是对重元素锆均有较好的分辨能力，而EDS的面扫描
对轻元素氧的分辨能力较差，对重元素锆的分辨能力较好。
图2锆氧化物析出相的EELS和EDS面扫描分析结果对比Fig.2Comparisonof
mapscanninganalysisresultsofEELSandEDSofzirconiumoxide
precipitatephase:a)HAADFimage;b)Odistribution(EELS);c)Zr
distribution(EELS);d)Odistribution(EDS);e)Zrdistribution(EDS)
为进一步确定该锆氧化物析出相的类型，采用选区电子衍射对其晶体结构进行了分
析。图3a)所示为锆氧化物的TEM形貌,经标定基体相为δ-ZrD1.6，而条状锆氧
化物析出相为ZrO2相(晶体结构Pnam)，并且两者具有(100)ZrO2∥∥[011]δ-
ZrD1.6的晶体学取向关系，如图3b)所示。该标定结果与EELS分析结果一致。因
此相比EDS，EELS在测定氧含量上具有更高的精确度和可靠性，可以用于氧化物
的直接标定。
图3锆氧化物析出相的TEM形貌及相应的选区电子衍射花样Fig.3Thea)TEM
morphologyofzirconiumoxideprecipitatephaseandb)itscorresponding
selectedareaelectrondiffractionpatterns
3结论
(1)EELS测得的锆氧化物析出相的氧含量与实际锆氧化物的相一致，而EDS测定
结果与实际偏差较大。因此EELS在测定氧含量上具有更高的精确度和可靠性，可
以用于氧化物的直接标定。
(2)利用EELS的元素成像技术可以清晰地显示出氧元素的偏聚状态，而利用EDS
的元素成像技术未能显示出氧元素的偏聚状态。
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