Espectroscopia de rayos X de dispersión de energía

La espectroscopia de rayos X de energía dispersiva ( EDS , EDX , EDXS o XEDS ), a veces llamada análisis de rayos X de energía dispersiva ( EDXA o EDAX ) o microanálisis de rayos X de energía dispersiva ( EDXMA ), es una técnica analítica utilizada para el análisis elemental o la caracterización química de una muestra . Se basa en la interacción de una fuente de excitación de rayos X con la muestra. Sus capacidades de caracterización se deben en gran parte al principio fundamental de que cada elemento tiene una estructura atómica única que permite un conjunto único de picos en su espectro de emisión electromagnética ^{[ 2 ]} (que es el principio principal de la espectroscopia ). Las posiciones de los picos se predicen mediante la ley de Moseley con una precisión mucho mejor que la resolución experimental de un instrumento EDX típico.

Para estimular la emisión de rayos X característicos de una muestra, se enfoca un haz de electrones o rayos X sobre la muestra estudiada. En reposo, un átomo dentro de la muestra contiene electrones en estado fundamental (o no excitados) en niveles de energía discretos o capas electrónicas ligadas al núcleo. El haz incidente puede excitar un electrón en una capa interna, expulsándolo de la capa y creando un hueco electrónico donde se encontraba. Un electrón de una capa externa de mayor energía llena entonces el hueco, y la diferencia de energía entre la capa de mayor energía y la de menor energía puede liberarse en forma de rayos X. El número y la energía de los rayos X emitidos por una muestra se pueden medir con un espectrómetro de energía dispersiva (EDS). Dado que las energías de los rayos X son características de la diferencia de energía entre las dos capas y de la estructura atómica del elemento emisor, el EDS permite medir la composición elemental de la muestra. ^{[ 2 ]}

Los cuatro componentes principales de la configuración EDS son:

1. la fuente de excitación (haz de electrones o haz de rayos X)
2. el detector de rayos X
3. el procesador de impulsos
4. el analizador.

Electron beam excitation is used in electron microscopes, scanning electron microscopes (SEM) and scanning transmission electron microscopes (STEM). X-ray beam excitation is used in X-ray fluorescence (XRF) spectrometers. A detector is used to convert X-ray energy into voltage signals; this information is sent to a pulse processor, which measures the signals and passes them onto an analyzer for data display and analysis. The most common detector used to be a Si(Li) detector cooled to cryogenic temperatures with liquid nitrogen. Now, newer systems are often equipped with silicon drift detectors (SDD) with Peltier cooling systems.

The excess energy of the electron that migrates to an inner shell to fill the newly created hole can result in more than the emission of an X-ray.^[3] Often, instead of X-ray emission, the excess energy is transferred to a third electron from a further outer shell, prompting its ejection. This ejected species is called an Auger electron, and the method for its analysis is known as Auger electron spectroscopy (AES).^[3]

X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is another close relative of EDS, utilizing ejected electrons in a manner similar to that of AES. Information on the quantity and kinetic energy of ejected electrons is used to determine the binding energy of these now-liberated electrons, which is element-specific and allows chemical characterization of a sample.

EDS is often contrasted with its spectroscopic counterpart, wavelength dispersive X-ray spectroscopy (WDS). WDS differs from EDS in that it uses the diffraction of X-rays on special crystals to separate its raw data into spectral components (wavelengths). WDS has a much finer spectral resolution than EDS. WDS also avoids the problems associated with artifacts in EDS (false peaks, noise from the amplifiers, and microphonics).

A high-energy beam of charged particles such as electrons or protons can be used to excite a sample rather than X-rays. This is called particle-induced X-ray emission or PIXE.

La espectroscopia de energía dispersiva de rayos X (EDS) permite determinar los elementos químicos presentes en una muestra y estimar su abundancia relativa. También ayuda a medir el espesor de recubrimientos multicapa metálicos y a analizar diversas aleaciones. La precisión de este análisis cuantitativo de la composición de la muestra se ve afectada por varios factores. Muchos elementos presentan picos de emisión de rayos X superpuestos (por ejemplo, Ti K _β y VK _α , Mn K _β y Fe K _α ). La precisión de la composición medida también depende de la naturaleza de la muestra. Los rayos X se generan por cualquier átomo de la muestra que se excita lo suficiente con el haz incidente. Estos rayos X se emiten en todas las direcciones (isotrópicamente), por lo que no todos escapan de la muestra. La probabilidad de que un rayo X escape de la muestra y, por lo tanto, pueda detectarse y medirse, depende de su energía y de la composición, cantidad y densidad del material que debe atravesar para llegar al detector. Debido a este efecto de absorción de rayos X y efectos similares, la estimación precisa de la composición de la muestra a partir del espectro de emisión de rayos X medido requiere la aplicación de procedimientos de corrección cuantitativa, que a veces se denominan correcciones de matriz. ^{[ 2 ]}

Existe una tendencia hacia un detector EDS más novedoso, denominado detector de deriva de silicio (SDD). El SDD consta de un chip de silicio de alta resistividad donde los electrones se dirigen a un pequeño ánodo colector. La ventaja reside en la capacitancia extremadamente baja de este ánodo, lo que permite tiempos de procesamiento más cortos y un rendimiento muy alto. Entre los beneficios del SDD se incluyen: ^{[ 4 ]}

1. Altas tasas de conteo y procesamiento,
2. Mejor resolución que los detectores Si(Li) tradicionales a altas tasas de conteo,
3. Menor tiempo muerto (tiempo dedicado al procesamiento del evento de rayos X),
4. Capacidades analíticas más rápidas y mapas de rayos X o datos de partículas más precisos recopilados en segundos.
5. Capacidad para almacenarse y utilizarse a temperaturas relativamente altas, eliminando la necesidad de refrigeración con nitrógeno líquido .

Debido a que la capacitancia del chip SDD es independiente del área activa del detector, se pueden utilizar chips SDD mucho más grandes (40  mm² ^o más). Esto permite una tasa de conteo aún mayor. Otras ventajas de los chips de gran área incluyen:

1. Minimizar la corriente del haz SEM permite optimizar la obtención de imágenes en condiciones analíticas,
2. Daño reducido a la muestra ^{[ 5 ]} y
3. Menor interacción del haz y mejor resolución espacial para mapas de alta velocidad.

Where the X-ray energies of interest are in excess of ~ 30 keV, traditional silicon-based technologies suffer from poor quantum efficiency due to a reduction in the detector stopping power. Detectors produced from high density semiconductors such as cadmium telluride (CdTe) and cadmium zinc telluride (CdZnTe) have improved efficiency at higher X-ray energies and are capable of room temperature operation. Single element systems, and more recently pixelated imaging detectors such as the high energy X-ray imaging technology (HEXITEC) system, are capable of achieving energy resolutions of the order of 1% at 100 keV.

In recent years, a different type of EDS detector, based upon a superconducting microcalorimeter, has also become commercially available. This new technology combines the simultaneous detection capabilities of EDS with the high spectral resolution of WDS. The EDS microcalorimeter consists of two components: an absorber, and a superconducting transition-edge sensor (TES) thermometer. The former absorbs X-rays emitted from the sample and converts this energy into heat; the latter measures the subsequent change in temperature due to the influx of heat. The EDS microcalorimeter has historically suffered from a number of drawbacks, including low count rates and small detector areas. The count rate is hampered by its reliance on the time constant of the calorimeter's electrical circuit. The detector area must be small in order to keep the heat capacity small and maximize thermal sensitivity (resolution). However, the count rate and detector area have been improved by the implementation of arrays of hundreds of superconducting EDS microcalorimeters, and the importance of this technology is growing.

• Electron probe microanalysis
• Elemental mapping
• Scanning electron microscopy
• Transmission electron microscopy
• Wavelength-dispersive X-ray spectroscopy
• X-ray microtomography
• X-ray spectroscopy

• MICROANALYST.NET – Information portal with X-ray microanalysis and EDX contents
• Learn how to do EDS in an SEM – an interactive learning environment provided by Microscopy Australia