使用阴极发光（CL）和能量色散光谱（EDS）改进样品分析

在这次访谈中，加坦的应用科学家乔纳森·李（Jonathan Lee）与AZOM讨论了使用合并的阴极发光（CL）和能量色散光谱法（EDS）改进样品分析。

首先，您可以向我们的读者简要介绍您在Gatan通常使用的仪器和实验技术吗？

作为Gatan的应用程序科学家，我被要求评估广泛的标本，以证明我们的工具可以为客户做什么。有一天，我可能正在分析未来的展示技术，而下一个来自太阳系最早的陨石。对我来说，重要的是，客户在选择用于分析样品的技术或仪器时有能力为他们做出正确的选择。在Gatan工作，与我在EDAX的同事一起工作，我有机会使用电子显微镜的完整分析工具，从成像和电子能量损耗光谱仪（EEL）进行透射电子显微镜到Cathodolumesence（CL）和电子反向散射衍射衍射（EBSD）用于扫描电子显微镜的系统（SEMS）。但是，我使用的最常见技术之一是能量分散性X射线光谱（EDS或EDX）。

在SEM中，电子束撞击材料并刺激一系列电子信号，包括二次电子和反向散射电子，可用于揭示样品形态和地形。但是，还有许多其他信号可以使用，例如高能光子（X射线），可用于通过EDS提供组成分析，通常是Edax Octane Elite EDS检测器。这使我们能够在样品中揭示主要，次要和微量元素的分布，通常检测极限降至所研究材料的0.1重量百分比。

MONARC CL检测器的示意图安装在SEM室。

阴极发光如何使用ED进行分析？

当被电子束击中时，许多过程在样品中被刺激，但是阴极发光（CL）仍然是最有用的。Cl是可见的，并且从标本中发出的紫外线可用于揭示有关电子结构的重要信息。该技术通常用于表征光电材料和设备，但是在许多岩石和矿物质中，我们可以使用它来揭示痕量元素化学的检测极限，其检测极限低于EDS，有时降至亚博网站下载每百万级别的零件。

我们可以通过将阴极发光光谱仪固定到显微镜上，并在样品上方扩展抛物线收集镜，以收集从试样发出的光，将其耦合到检测器中，从而获取了这些信息。这使我们能够将光学，化学和结构特性与纳米级相关联。当我们将CL和ED融合在一起时，这些技术提供了许多补充信息。

当我们将抛物面镜放在样品上方时，通常会阻止EDS检测器所需的视线。我们开发了一个算法来绕过此问题，该问题允许从样品到EDS检测器的视线，同时保持大量的光收集。

您能给我们的读者提供CL和ED在实践中工作的插图吗？例如，这种技术组合用于分析陨石样品的组合如何？

最近，我们使用CL和ED的组合来研究CO3碳质软管（Miller Range 090010）陨石 - 二氧化碳碳质软管是碳质（C）和Ornan（O）样式，具有三（3）中度至低冲击压力。并行使用两种技术是分析宝贵样本的一种非常有力的方法。

该样品从2009年在南极的2.5公斤石开始，在日常搜索陨石中开始生命。在谷物的外部，有一个黑色的，通常是玻璃状的，融合的外壳，在某个部分中分解的地方，我们可以看到一个黑暗，生锈的棕色内饰，上面有许多细粒白色夹杂物。我们能够确定陨石由许多软骨组成，大小约为1.3毫米。也有丰富的，非常细粒的钙富含铝的夹杂物（CAI）。

MIL 090010的薄截面的平面极光显微照片。

图片来源：陨石公告

样品部分的光学显微镜图像，包括（左）软骨和（右）CAI。

如您所见，揭露的地质历史复杂以及暴露于异常条件，因此我们需要以系统的和简化的方式获得最大信息。使用EDS和CL的组合，同时揭示了矿物质分布以及更细微的改变和变质过程。

为什么当前对CAI和碳陨石的兴趣如此之大？

这些是落在地球上的最原始的陨石。顾名思义，他们富含碳，因此被认为可能是地球上生命的基础。

CO和碳质软管与原始小行星（例如Bennu和Ryugu）之间也存在遗传联系 - 两个阿波罗家族小行星目前正在进行样本回归任务。

图片来源：shutterstock/dotted Yeti

由Jaxa领导的Hayabusa 2 Mission最近从Ryugu返回了材料，而NASA领导的Osiris-Rex任务刚刚离开Bennu，预计将在2023年后期返回。研究这些碳质软管将帮助指导未来的对这些回报样品的调查，并帮助这些返回样品，并帮助这些返回样品，并帮助这些返回样品。美国完善了未来分析的技术。

软骨陨石由两个组成部分 - 软骨和CAI组成。软骨构成主要材料，而钙铝夹杂物不太常见。

据信是由独特的熔融液滴形成的软骨，是在太阳星云中或在早期小行星上的影响过程中形成的。这些通常由富含镁的橄榄石或富含镁岩的橄榄石组成。

钙铝夹杂物甚至比软管早得更早，并且根据其铅同位素的历史可追溯至45.67亿年。

这些由高度难治性的矿物相组成，包括刚果，尖晶石，钙钛矿，hibonite和melilite，这些矿物质是热力学计算出的，这些矿物质是从烟囱气中凝结的。

CAI和软骨代表了小行星，行星和最终行星的基础。了解其复杂的形成历史和随后的任何重做，对于解决早期星球的形成历史至关重要。

CL和ED的组合对CAI的表征和分析有何好处？

通常，使用反向散射的电子成像和EDS对CAI纹理进行表征。化学图（本质上是它们的生长模式）反映了它们在早期太阳系中的形成以及随后通过恒星环境的任何变化和运输。

我们从MIL090010 CO3碳质软管研究的CAI被确定为由尖晶石，Hibonite，Melilite和Pyroxene和pyroxene钙组成。CL成像揭示了反映这种复杂的结晶和交替序列的微妙分区模式。

在这项研究中分析了软骨的未过滤Cl图像。

耦合EDS和CL使我们对这种谷物的历史有深入的看法 - 仅通过一种技术无法解决。

当我们查看EDS频谱图像开始分析数据时，它在氧气线周围显示带宽，并揭示了大量的组成信息。

为了更详细地探讨这一点，我们在样品表面上绘制了EDS数据。例如，我们在样品中绘制了铝，钙和镁的绘制，将它们堆叠到复合图像中，以查看这些元素的存在以及数量。

EDS MAP MAP元素定量结果显示（红色）镁，（绿色）钙和（蓝色）铝。

这种方法揭示了许多钙优势，铝显性区域和镁优势区域。

不幸的是，仅EDS并没有提供很多细微的信息。为了解决这个问题，我们在样品中以共获得光谱图像查看了CL。

我们立即意识到，某些光谱是特定矿物质独有的。例如，尖晶石具有与晶体中其铬态度相关的非常有特征性的CL发射光谱。

这是最容易识别的CL光谱，并为我们提供了一个识别样品表面独特光谱的起点，我们使用了多线性最小二乘拟合来定位和量化样品表面上的这些矿物质。

使用这种方法，我们能够识别和映射钙辉石，这些钙辉石倾向于在其他材料上涂上或外壳。亚博网站下载进一步的研究表明，Melilite和Hibonite颗粒的两个阶段倾向于在标本北部形成核心。

当使用定量元素来验证标识样品中矿物的CL光谱时，我们注意到并非所有的Melilite晶粒都相等。

CL光谱图像使用参考光谱显示（绿色）尖晶石，（洋红色）hibonite，（蓝色）Melilite和（橙色）钙化辉石制成的矿物图。

在构图上，代表Melilite的两个点似乎在EDS下几乎等效，但是对CL光谱的研究显示，来自所研究的一个斑点的460 nm处有明显的峰值。

使用许多方法来尝试绘制该峰的影响并更好地理解其作用。我们查看了峰值的位置，并研究了与周围区域背景的差异，以消除背景的影响。

这样做表明，峰值最普遍，朝着hibonite颗粒的内部。我们还发现了在606 nm左右的另一个峰值，在Melilite和Pyroxene区域往往更为普遍。

这些元素似乎表现出很大的影响，在样品表面上往往会有所不同。我们能够将这些材料识别为hibonite材料中的梅利特岩和铁中亚博网站下载的samarium夹杂物。

您是如何确认CL图像成功检测到这些微量元素的？

为了确保我们正确地检测到铁，我们将结果与EDS铁图进行了比较，然后通过自己的测量再次确认了这一点。

我们得出的结论是，CL频谱图像正在检测痕量元素，因为我们知道CL可能会受到较低元素的影响 - 零件的零件级别。

我们正在积极建立一个CL光谱库，以协助诸如此类的验证，以便当研究人员发现某些东西时，他们可以使用库来识别这些材料以及它们所处的阶段或条件。亚博网站下载

EDS和CL在研究诸如晶粒边界之类的特定特征方面有多么有用？

CL是研究晶粒边界的绝佳技术 - 在ED中无法实现这一目标。EDS对元素量化和元素识别具有很高的信心，但是CL提供了获得更多细微的信息，例如晶粒边界的机会。

CL和ED的比较证明了Cl检测到的晶界。

例如，真实的颜色CL图像在EDS图像中不可见的Melilite区域揭示了更微妙的。

我们注意到CAI中的两个领域 - 一个域，一个域更丰富，一个域，一个是富含大尖晶石的域。富含Hibonite的结构域似乎具有结晶的Hibonite颗粒，而富含尖晶石的结构域则表现出Hibonite，Spinel，甚至一些小的香肠的增长。

这特别有趣，因为似乎基于形成的微观结构的主要结晶有一个控制。

我们注意到，在hibonite中分区的发展与热改变或变质的一致，随后的变化过多地打印了hibonite晶粒。

这一切都是由Melilite承受的，两个Melilite组合物似乎与原代晶粒有关，或者与纤维岩相对于富含尖晶石的化学成分的hibonite。

在南部领域，我们还看到次要的钙岩结晶，将Melilite覆盖。这是北部领域缺乏的，这表明原发性化学控制了相位的阶段和导致的改变产物。所有这些材料都被薄薄的钙辉石层覆盖。

结合这两种技术不仅提供了有关结晶或生长序列以及这些不同阶段的改变的信息，而且还使我们能够看到微妙的分区模式和晶界，从而产生只有一种技术就不会明显的见解。

EDS准确，量化可检测和鉴定标本中的元素物种和成分。但是，使用此技术未观察到缺陷，晶界和微量元素。CL揭示了局部电荷重组特性。

晶界稍微改变了可通过CL检测到的重组动力学，因此我们可以使用它来识别不同的晶界和纹理特征。可以通过发射光谱识别材料，因为特定相（例如尖晶石）具有可用于识别这些阶段的独特CL特征。

痕量元件也可以在超低浓度下确定 - 比使用EDS检测到的元素要低得多。

EDS和CL光谱成像相结合提供了减少样品剂量，简化工作流程并提供完美像素相关的潜力。

这是一项非常好的技术，用于鉴定CAI等物质中的结晶序列中的复杂分区模式，这些序列在早期太阳系中具有显着且持久的历史。

您打算将这些数据用于什么，这将如何为未来的研究提供信息？

我们将使用这些数据来指导后续或将来的分析，例如，通过传输电子显微镜查看这些生长域的纳米级特征。它还可以用来指导稳定同位素的未来约会分析，例如氧同位素或放射性同位素，例如铝或镁。

这也将有助于加深我们对这种谷物的形成历史的理解，使我们能够将其与太阳星云中形成的区域联系起来以及不同领域反映的热力学事件。

关于乔纳森·李

乔纳森·李（Jonathan Lee）在2018年获得了佛罗里达州中部大学物理学博士学位，研究了使用连续和时间分辨的阴极发光（CL）技术，研究高能量辐射对宽和狭窄的带隙半导体材料的影响。亚博网站下载最近，他一直在与加坦（Gatan）合作，是一名应用程序科学家，为加坦（Gatan）的世界一流CL产品产品提供了支持。他以这种能力证明了CL在多种应用中的能力，包括用于故障分析的缺陷映射，光子学的能量摩托图和地质（和外观）标本中的矿物图。

关于Gatan，Inc。

Gatan，Inc。是全球领先的仪器和软件制造商，用于增强和扩展电子显微镜的操作和性能。与几乎所有电子显微镜模型完全兼容的Gatan产品涵盖了研究过程的整个范围 - 从样品制备和操纵到成像和分析。Gatan品牌名称在整个全球科学界都得到认可和尊重，并且已经拥有高质量产品和领先技术的代名词已有50多年了。加坦总部位于美国加利福尼亚州普莱森顿。有关更多信息，请访问：www.gatan.com。

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