iMOXS Technische Information No. 2 iMOXS Technical Note # 2

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iMOXS Technische Information No. 2
iMOXS Technical Note # 2
Probenmontage im REM für die
µ-RFA
Specimen mounting in the SEM
in case of µ-XRF
Oftmals wird eine kleine oder dünne Probe
für ihre Beobachtung unter dem REM und
für die EDX-Analyse (korrekt: energiedispersive Elektronenstrahl-Mikroanalyse –
ED-ESMA) einfach mittels eines selbstklebenden Kohle-Tabs auf dem Probenhalter
fixiert. Die Probenhalter bestehen üblicherweise aus Aluminium, oder genauer gesagt,
aus einer Aluminium-Knetlegierung. Sie enthalten Schwermetalle in geringen Konzentrationen der besseren mechanischen
Bearbeitung wegen.
Often a small or thin specimen is simply
fixed by means of a standard carbon tab on
the specimen holder for its observation in the
SEM and EDS analysis (correctly: energy
dispersive electron probe microanalysis –
ED-EPMA). Specimen holders usually
consist of aluminium, or more exactly and
important for XRF analysis, of a forgeable
aluminium alloy. Heavy metals in low
concentrations are added to the aluminium
in such an alloy for better mechanical
properties.
Bei der ESMA haben die Primärelektronen
ihre kinetische Energie verloren, wenn sie in
der Probe eine Weglänge von etwa einem
Mikrometer zurückgelegt haben. Sie können
den Probenhalter nicht erreichen, um dort
Schwermetalle zur Emission von charakteristischer Röntgenstrahlung anzuregen.
In case of EPMA, the primary electrons lose
their energy whilst travelling a distance in the
order of a micron in the specimen. No
electrons will deeply penetrate through to the
specimen holder and excite the heavy
metals to emit characteristic X-rays.
Bei der µ-RFA herrschen andere Verhältnisse. Die Probe ist dem Röntgenspektrum
ausgesetzt, das von der Röhre emittiert wird.
Auf der hochenergetischen Seite dehnt sich
dieses Spektrum bis zu derjengen Energie
aus, die der an der Röhre eingestellten
Hochspannung entspricht (maximal 50 kV
beim iMOXS). Photonen mit einigen 10 keV
werden kaum in einer dünnen Probe
absorbiert. Sie erreichen den Kohle-Tab,
den Probenhalter und eventuell sogar die
Probenbühne. Das hängt selbstverständlich
von der Dicke der Probe und ihrer mittleren
Ordnungszahl ab.
The situation is different in case of µ-XRF.
The specimen is irradiated with the X-ray
spectrum emitted by the tube. It extends at
the high energy side up to a value
corresponding with the high voltage that is
selected for the tube operation (this is a
maximum of 50 kV for the iMOXS source).
Photons of some 10 keV are merely
absorbed in a thin specimen. They can
reach the carbon tab, the specimen holder or
even the stage. This effect depends on the
thickness of the specimen and its mean
atomic number.
In Figure 1 links werden die Röntgen- Figure 1 left compares the X-ray spectra of a
spektren von einem kommerziellen Proben- commercial aluminium specimen holder
halter aus Aluminium, angeregt mit 30 keV excited by 30 keV electrons and an iMOXS
Handelsregister :
HRB 89802
Amtsgericht:
Berlin-Charlottenburg
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Deutsche Bank AG Berlin
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BLZ:100 700 00
IFG Institute for Scientific
Instruments GmbH
Geschäftsführer:
Prof.Dr.Ing.N.Langhoff
Dr.A.Bjeoumikhov
Elektronen bzw. mit dem iMOXS bei 40 kV
Röhrenspannung, miteinander verglichen.
Das Fluoreszenzspektrum zeigt zusätzlich
zum erwarteten Kupfer und Eisen noch Blei
und Wismut. Deren Konzentrationen betragen 0.9 Gew.-%, bestimmt mit iMOXSQuant. Auch so genannte „Schwermetall
freie
Probenhalter“
enthalten
einige
Gewichts-% Nickel und Eisen (Figure 1
rechts).
operating at 40 kV, respectively. The
fluorescence spectrum reveals in addition to
the expected copper and iron also lead
and bismuth. Their concentrations amount to
0.9 weight-% each calculated by iMOXSQuant. Also so-called “heavy metal free”
specimen holders contain some weight
percent nickel, iron and copper (Figure 1
right)
PLANO G301 & G301D
PLANO G301
4
10
30 kV Rh-Röhre
30 keV Elektronen
Cu
4
10
Al
Cu
intensity [counts/channel]
intensity [counts/channel]
Al
3
10
Fe
Bi
Pb
Fe
PbBi
2
10
Cu
1
Cu
3
10
Fe
Ni
Bi
Pb
Fe
PbBi
2
10
Cu
1
10
10
0
10
G301
G301D
Cu
0
0
2
4
6
8
10
energy [keV]
Figure 1
12
14
16
18
10
0
Röntgenspektren vom
Aluminium-Probenhalter PLANO
G301, angeregt durch Elektronen
bzw. Photonen (links) und
Röntgenspektren der
Probenhalter G301 und G301D
(rechts)
Die Folgen einer ungeeigneten Probenmontage veranschaulicht Figure 2. Ein
ungefähr 1 mm dickes Stück des Referenzmaterials FLX-PVC-1, spezifiziert für
seinen Zink-Gehalt von 500 ppm, wurde
sowohl auf einem Aluminium- als auch auf
einem Graphit-Probenträger montiert und mit
einem iMOXS mit Rh-Röhre angeregt.
Zusätzlich zu den Zn-Linien erscheinen die
Linien von Eisen, Kupfer, Blei und Wismut
im Spektrum, das mit der Probe auf dem
Aluminium-Halter gemessene wurde. Die
Konsequenz wäre eine völlig falsche
Charakterisierung und Quantifizierung der
Probe.
2
4
6
8
10
energy [keV]
G301 30kV el&ph.fig
Figure 1
12
14
16
18
G301&G3101D.fig
X-ray spectra of aluminium
specimen holder Agar Scientific
G301 exited by electrons and
photons, respectively (left) and
X-ray spectra of holders G301
and G301D (right)
The consequence of an incorrectly mounting
is demonstrated in Figure 2. A sample
approximately 1 mm thick of the reference
material FLX-PVC-1, specified for its 500
ppm Zn content, was mounted on an
aluminium and a graphite specimen holder,
respectively. These were than excited by an
iMOXS with a rhodium tube. Additional to the
Zn lines, the lines of iron, copper, lead and
bismuth appear in the spectrum measured
with the specimen on the aluminium holder.
This may result in an inaccurate characterisation and quantification of that
specimen.
2
FLX-PVC-1 Alu.msa
5
10
on Al specimen holder
on graphite specimen holder
Rh
intensity [counts/channel]
4
10
Ca
3
10
Rh-esc
Cu
Ca
Zn
Cu
Cu-esc
2
10
Zn
Pb
Bi
Pb Bi
1
10
0
5
10
15
energy [keV]
Figure 2
Spektren von FLX-PVC-1,
montiert auf Aluminium bzw.
Graphit. Im Falle der Montage
auf Aluminium erscheinen im
Spektrum die Linien von Cu, Fe,
Pb und Bi, die vom Probenhalter
stammen.
Die beste Wahl für das Material des
Probenhalters bei der µ-RFA am REM ist
Graphit (z.B. Plano G321) oder PMMA
(„Plexiglas“). Ihre Spektren sind in Figure 3
gezeigt. Das Spektrum von Graphit weist
einige Beugungspeaks auf, die aber im
Untergrund eines Probenspektrums verschwinden. PMMA liefert einen optimalen
glatten Untergrund. Die Aufladung von
Probe und Halter kann jedoch bei der
Einstellung des richtigen Arbeitsabstandes
Probleme bereiten. Sie können jedoch durch
geeignete Maßnahmen überwunden werden.
Figure 2
X-ray spectra of FLX-PVC-1
mounted an aluminum and
graphite, respectively. In the
case of mounting on aluminum
the lines of Cu, Fe, Pb and Bi
lines originating from the holder
becomes visible.
The best choice of materials for specimen
holders in case of µ-XRF in the SEM is
graphite (e.g. Agar Scientific G321) or
PMMA (“Plexiglass”). Their spectra are
shown in Figure 3. The graphite spectrum
shows some diffraction peaks, but they
mostly disappear in the background of the
specimen spectrum. PMMA gives an
optimum smooth background. Specimen and
holder charging might be a problem when
adjusting the specimen to the correct
working distance, but can be overcome by
proper measures.
3
900
Plano G321 (Graphit)
PMMA
800
intensity [counts/channel]
700
600
500
400
300
200
100
0
Figure 3
0
5
10
15
energy [keV]
Spektrum des Graphithalters
PLANO G321 und von PMMA
Die Probendicke, für die der Einfluss des
Probenhalters im Spektrum sichtbar wird,
hängt von der mittleren Ordnungszahl der
Probe ab, wie bereits oben erwähnt wurde.
Diese Probendicke sollte abgeschätzt
werden, ehe die Probe in das Mikroskop
eingesetzt wird. iMOXS-Quant bietet dafür
ein geeignetes Hilfsmittel: die MA-Table. Mit
einem Klick auf „MA-Table“ im Menü „Util“
öffnet sich ein Fenster, in dem die Elemente
mit Absorptionskanten und den intensivsten
Röntgenlinien aufgelistet sind. Man wähle
ein Element, dessen Ordnungszahl der
mittleren Ordnungszahl der Probe nahe
kommt. Mit einem Klick auf dieses Element
öffnet sich ein zweites Fenster, in dem alle
Röntgenlinien für das ausgewählte Element
zu finden sind. Mit einem weiteren Klick auf
den Schalter „MAC“ auf der rechten Seite
dieses Fensters öffnet sich ein drittes
Fenster mit einer Grafik des Massenschwächungskoeffizienten (MAC). Das Fenster hat im unteren Bereich zwei editierbare
Figure 3
20
25
30
G321 & PMMA.fig
Spectra of graphite holder Agar
Scientific G321 and PMMA
As mentioned above, the thickness of a
specimen, for which any influence from the
holder can be seen in the spectrum,
depends on the atomic number. This
thickness should be estimated before
placing the sample in the microscope
chamber. iMOXS-Quant offers a related tool:
MA-table. With a click on “MA-Table” in the
menu “Util” a window opens with elements
and their main X-ray lines. Select an element
whose atomic number is close to the mean
atomic number of your specimen. A click on
the element name opens a second window
with all line energies for the selected
element. With a further click on the button
“MAC” at the right side of that window a third
window opens with a diagram of the mass
attenuation coefficient (MAC) and two
editable text fields for the X-ray energy of
interest and for the specimen thickness.
MAC in µg/cm² and X-ray transmission in %
are indicated for the selected photon
energies and material thickness (s. Figure
4
Textfelder, eines für die Photonenenergie 4).
von Interesse und das andere für die
Probendicke. Angezeigt werden MAC in
µg/cm² für die gewählte Energie und die
Transmission in % bei gewählter Probendicke (s Figure 4).
Figure 4
MA-Table mit Fenstern für die
Röntgenlinien und MAC
Alternativ kann auch eine relevante
Datenbasis über das Internet aufgerufen
werden. Zu empfehlen ist die Datenbasis
des Centre of X-ray Optics Berkeley für
Dämpfungslängen von Röntgenstrahlung
http://henke.lbl.gov/optical_constants/atten2.
html
Hier werden direkt die Dämfungslängen in
µm ausgegeben, und zwar nicht nur für die
Elemente, sondern auch für Verbindungen
und Legierungen. Figure 5 zeigt die
Dämpfungslänge für eine Messinglegierung.
Die interessierende Eindringtiefe ist etwa
das Dreifache der Dämpfungslänge.
Figure 4
MA-Table with windows for X-ray
lines and MAC
Alternatively, a related MAC database may
be
called
via
the
internet.
One
recommendation is the database of the
Centre of X-ray Optics Berkeley for X-ray
attenuation
lengths
http://henke.lbl.gov/optical_constants/atten2.
html
This database gives attenuation lengths
directly in microns and not only for pure
elements, but also for compounds or alloys.
Figure 5 gives the attenuation length for a
brass alloy. The interesting penetration
depth of X-rays is roughly three times the
attenuation length.
5
Figure 5
Dämpfungslänge für Messing
Figure 5
Attenuation length for brass
Zusammenfassung:
Summary:
µ-RFA von kleinen oder dünnen Proben im
REM erfordert besondere Sorgfalt bei der
Probenmontage, um störende Einflüsse des
Probenhalters zu vermeiden. Am besten
eignen sich Probenhalter aus Graphit oder
PMMA.
µ-XRF of small or thin specimens in the SEM
requires a very careful specimen mounting in
order to avoid influences of the specimen
holder. Specimen holders made from
graphite or PMMA are the best choice.
IfG – Institute for Scientific Instruments
Rudower Chaussee 29/31
D-12489 Berlin
Tel.: +49(0)30 6392 6500
Fax: +49(0)30 6392 6501
[email protected]
www.ifg-adlershof.de
Kontaktpersonen / contact persons
Dr. Mathias Procop
Tel.: +49(0)30 6392 6578
[email protected]
Dipl.-Phys. Yvonne Höhn
Tel.: +49(0)30 6392 6585
[email protected]
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