電子探針分析（EPMA）是一種采用波譜儀（WDS）測量入射電子與試樣相互作用產生的特征X射線強度，從而確定相應元素含量的技術。EPMA在材料的定性、定量、元素線分析及面分析等方面應用廣泛。其中面分析能夠高效獲得待測元素在指定區(qū)域內的分布情況，因此越來越多的研究人員開始關注元素面分析的定量化結果，但面分析定量化結果經常出現偏離真實元素含量的現象，給分析帶來不利的影響。
金屬玻璃又稱為非晶合金，相對于晶態(tài)材料而言，非晶合金結構均勻且各向同性，這種獨特的結構避免了各種晶體缺陷，使金屬玻璃相比于晶態(tài)合金具有更優(yōu)良的特性。金屬玻璃的性能受成分組成的影響較大，因此研究其成分分析方法具有重要意義。鋯基非晶合金是一種典型的金屬玻璃。在電子探針面掃描測試中發(fā)現，使用系統(tǒng)默認的元素特征峰位和波長模式得到的元素面分布圖中，Zr元素和Al元素的含量與實際值偏離較大。研究人員研究了鋯基金屬玻璃元素面分析定量化的方法，找出了面掃描時元素含量不準確的原因，并提出了改進方法，研究結果不僅能為性能優(yōu)異的非晶合金提供準確的數據支撐，而且可為其他材料電子探針面分析的準確定量化測試提供理論基礎。
1 試驗方法
以鋯基金屬玻璃作為電子探針元素面分析定量化的研究對象，首先在待測試樣上進行多點定量分析，將得到的定量結果作為評估元素面分析定量化準確性的依據，然后研究分析模式、加速電壓，以及工作曲線對面分析結果的影響，分析定量結果出現差異的原因，并改進測試方案。最終通過狀態(tài)分析建立兩點法定量工作曲線，將面掃描結果和多點定量分析結果進行對比，從而確定該元素面分析定量化測試方法的可行性。
2 試驗結果
2.1 面分析定量化準確性的評估依據
利用場發(fā)射電子探針對鋯基金屬玻璃進行面分析，在系統(tǒng)默認測試條件（Element Table 模式）下得到的結果如圖1所示，加速電壓為15kV，束流為100nA。由圖1可知：Zr元素質量分數為43.47%，Cu元素質量分數為27.33%，Ni元素質量分數為5.11%，Al元素質量分數為1.71%。對圖1（a）選定區(qū)域（紅色圓形區(qū)域）進行定量點分析，取3次平均值得到Zr元素質量分數為65.66%，Cu元素質量分數為26.93%，Ni元素質量分數為3.90%，Al元素質量分數為3.42%（見表1）。
因此，雖然面掃描結果能夠很好地體現各元素分布的均勻性，但是Zr、Al元素的含量與點分析定量結果相差較大，原因可能為：在選取特征峰位時，系統(tǒng)默認選擇Element Table模式，可以嘗試采用Peak Search模式，尋找最佳峰位；在選擇加速電壓時，合金的有效激發(fā)電壓通常為15~20 kV及以上；在建立校正曲線時，需要進一步優(yōu)化系統(tǒng)自帶的標準靈敏度曲線。
2.2 不同分析模式的面分析定量化結果
使用Peak Search模式對鋯基金屬玻璃重新進行面分析，結果如圖2所示。由圖2可知：Zr元素質量分數為46.97%。該結果和Element Table模式下的面分析結果有差異，Zr元素質量分數測試結果仍然誤差較大。
2.3 不同加速電壓的面分析定量化結果
在Peak Search模式下，采用不同的加速電壓對選定區(qū)域進行定量點分析，結果如表2所示。由表2可知：不同加速電壓條件下的定量點分析結果基本一致。加速電壓為20 kV時的面分析結果如圖3所示，Zr 元素質量分數為58.45%，比加速電壓為15kV時的面分析結果誤差減小，準確性得到有效提升，但是仍然和定量點分析結果偏離較大。因此，進一步考慮優(yōu)化工作曲線，以提高面分析結果的準確性。
3 工作曲線的建立
在Peak Search模式，加速電壓為15kV條件下，Zr元素和Al元素的狀態(tài)分析結果如表3所示。根據狀態(tài)分析結果建立兩點法定量曲線，得到的面分析結果如表4所示，與表1進行對比，發(fā)現可以采用優(yōu)化工作曲線的方式提高面分析結果的準確性。雖然電子探針儀器自帶的標準靈敏度曲線可以將面分析的元素計數率轉化為質量百分數，但是自帶的標準靈敏度曲線未考慮試樣的特點，以及儀器參數的設置變化，僅為簡單的換算。
Zr 元素的標準靈敏度曲線公式如式（1）所示。
采用兩點法建立定量工作曲線，考慮試樣背底產生的影響及測試條件的變化，則c=4.39347×10−4，d=-2.45283。
儀器自帶的Al元素標準靈敏度曲線公式中，c=2.27957×10−4，d=0，采用兩點法建立工作曲線，則c=3.79121×10−4，d=-6.81470×10−2。使用系統(tǒng)自帶的標準靈敏度曲線轉化得到的Ni元素和Cu元素面分析結果和定量點分析結果較為吻合，因為在15kV加速電壓下，Ni元素和Cu元素能夠受到充分地激發(fā)，而Zr元素因電壓不足而未受到充分激發(fā)，導致計數率偏低，Al元素電壓過高導致吸收效應增強，從而計數率也偏低，因此在這4種元素的面分析結果中，Zr、Al元素的誤差較大。
4 結論
利用場發(fā)射電子探針分析技術對鋯基金屬玻璃進行面分析。研究了不同分析模式和加速電壓對面分析結果的影響。考慮到試樣背底的影響，進一步優(yōu)化了工作曲線，在Peak Search模式下，加速電壓15kV時，建立了兩點法定量曲線，得到了準確性較高的面分析結果。
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