二次離子質(zhì)譜分析

1、二次離子質(zhì)譜二次離子質(zhì)譜(SIMS) Secondary Ion Mass Spectroscopy 質(zhì)譜分析是將樣品轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的帶電氣態(tài)離子碎片，于質(zhì)譜分析是將樣品轉(zhuǎn)化為運(yùn)動(dòng)的帶電氣態(tài)離子碎片，于磁場(chǎng)中按質(zhì)荷比磁場(chǎng)中按質(zhì)荷比(m/z)(m/z)大小分離并記錄的分析方法。大小分離并記錄的分析方法。其過(guò)程為可簡(jiǎn)單描述為：其過(guò)程為可簡(jiǎn)單描述為：離子源離子源轟擊樣品轟擊樣品帶電荷的帶電荷的碎片離子碎片離子電場(chǎng)加速電場(chǎng)加速(zeU) 獲得動(dòng)能獲得動(dòng)能(1/2mV2)磁場(chǎng)分離磁場(chǎng)分離(m/z)檢測(cè)器記錄檢測(cè)器記錄 其中，其中，z z為電荷數(shù)，為電荷數(shù)，e e為電子電荷，為電子電荷，U U為加速電壓，為加

2、速電壓，m m為碎為碎片質(zhì)量，片質(zhì)量，V V為電子運(yùn)動(dòng)速度。為電子運(yùn)動(dòng)速度。質(zhì)譜分析質(zhì)譜分析基本原理基本原理質(zhì)譜儀器一般具備以下幾質(zhì)譜儀器一般具備以下幾個(gè)部分：個(gè)部分：進(jìn)樣系統(tǒng)進(jìn)樣系統(tǒng)、離子離子源源、質(zhì)量分析器質(zhì)量分析器和和檢測(cè)器檢測(cè)器，除此之外，質(zhì)譜儀需在高除此之外，質(zhì)譜儀需在高真空下進(jìn)行工作（離子源：真空下進(jìn)行工作（離子源：1010-3 -3 1010-5 -5 PaPa ，質(zhì)量分析質(zhì)量分析器：器：10 10 -6 -6 PaPa），因此還有），因此還有真空系統(tǒng)真空系統(tǒng)？質(zhì)譜儀質(zhì)譜儀基本結(jié)構(gòu)基本結(jié)構(gòu)質(zhì)譜儀基本結(jié)構(gòu)1.大量氧會(huì)燒壞離子源的燈絲；2.用作加速離子的幾千伏高壓引起放電；3. 引起

3、額外的離子分子反應(yīng)，改變裂解模型，使譜圖復(fù)雜化。二次離子質(zhì)譜分析二次離子質(zhì)譜分析v二次離子質(zhì)譜二次離子質(zhì)譜 一定能量的離子打到固體表面會(huì)引起表面原子、一定能量的離子打到固體表面會(huì)引起表面原子、分子或原子團(tuán)的二次發(fā)射，即離子濺射。濺射的分子或原子團(tuán)的二次發(fā)射，即離子濺射。濺射的粒子一般以中性為主，其中有一部分帶有正、負(fù)粒子一般以中性為主，其中有一部分帶有正、負(fù)電荷，這就是二次離子。利用質(zhì)量分析器接收分電荷，這就是二次離子。利用質(zhì)量分析器接收分析二次離子就得到二次離子質(zhì)譜。析二次離子就得到二次離子質(zhì)譜。 SIMS 基本工作原理基本工作原理 樣品表面被高能聚焦的一次離子轟擊時(shí)，一次離子注入被分析樣品

4、，把動(dòng)能傳遞給固體原子，通過(guò)層疊碰撞，引起中性粒子和帶正負(fù)電荷的二次離子發(fā)生濺射，根據(jù)濺射的二次離子信號(hào)，對(duì)被轟擊樣品的表面和內(nèi)部元素分布特征進(jìn)行分析。 SIMS工作原理示意圖SIMS 入射離子與樣品的相互作用入射離子與樣品的相互作用 v動(dòng)力學(xué)級(jí)聯(lián)碰撞模型動(dòng)力學(xué)級(jí)聯(lián)碰撞模型 在高能一次離子作用下，通過(guò)一系列雙體碰撞后，由樣品內(nèi)到達(dá)表面或接近表面的反彈晶格原子獲得了具有逃逸固體所需的能量和方向時(shí)，就會(huì)發(fā)生濺射現(xiàn)象。SIMS 入射離子與樣品的相互作用入射離子與樣品的相互作用 v離子濺射離子濺射 描述濺射現(xiàn)象的主要參數(shù)是描述濺射現(xiàn)象的主要參數(shù)是濺射閾能濺射閾能和和濺射產(chǎn)濺射產(chǎn)額額。濺射閾能指的是開(kāi)始

5、出現(xiàn)濺射時(shí)，初級(jí)離。濺射閾能指的是開(kāi)始出現(xiàn)濺射時(shí)，初級(jí)離子所需的能量。子所需的能量。 濺射產(chǎn)額決定接收到的二次離子的多少，它與濺射產(chǎn)額決定接收到的二次離子的多少，它與入射離子能量入射離子能量、入射角度入射角度、原子序數(shù)原子序數(shù)均有一定均有一定的關(guān)系，并與的關(guān)系，并與靶材晶格取向靶材晶格取向有關(guān)。有關(guān)。 SIMS 二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀 二次離子質(zhì)譜儀主二次離子質(zhì)譜儀主要由五部分組成：要由五部分組成：主真空室主真空室樣品架及送樣系統(tǒng)樣品架及送樣系統(tǒng)離子槍離子槍二次離子分析器二次離子分析器離子流計(jì)數(shù)及數(shù)據(jù)離子流計(jì)數(shù)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)處理系統(tǒng)SIMS 二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀 v二次離子質(zhì)譜儀

6、二次離子質(zhì)譜儀-離子槍離子槍 離子槍一般分為離子槍一般分為雙等離子體離子源、金屬表面直接雙等離子體離子源、金屬表面直接加熱離子源和液態(tài)金屬離子源加熱離子源和液態(tài)金屬離子源。 雙等離子體離子源提供雙等離子體離子源提供O O2 2+ +、O O- -、ArAr+ +和和XeXe+ +。亮度高，束亮度高，束斑可達(dá)斑可達(dá)1-21-2 m m，可用于離子探針和成像分析。，可用于離子探針和成像分析。 金屬表面直接加熱離子源提供金屬表面直接加熱離子源提供CsCs+ +。級(jí)聯(lián)碰撞效應(yīng)小，。級(jí)聯(lián)碰撞效應(yīng)小，縱向分析時(shí)深度分辨率高?？v向分析時(shí)深度分辨率高。 液態(tài)金屬離子源提供液態(tài)金屬離子源提供GaGa+ +。束斑

7、可聚焦很小，。束斑可聚焦很小，20-20020-200n nm m，空間分辨率高?？臻g分辨率高。SIMS 二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀 v液態(tài)金屬離子源液態(tài)金屬離子源金屬鎵熔融（熔點(diǎn)：29.8）后，依靠表面張力覆蓋在鎢絲的尖端，形成一個(gè)錐體。液態(tài)鎵在強(qiáng)靜電場(chǎng)的作用下發(fā)生場(chǎng)致電離現(xiàn)象，形成離子Ga+，然后被萃取電極引出并準(zhǔn)直。SIMS 二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀 v二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀-質(zhì)譜分析器質(zhì)譜分析器 二次離子分析早期采用二次離子分析早期采用磁質(zhì)譜磁質(zhì)譜儀儀，其質(zhì)量分辨率和檢其質(zhì)量分辨率和檢測(cè)靈敏度高，測(cè)靈敏度高，但儀器復(fù)雜、成本高。但儀器復(fù)雜、成本高。 表面分析的靜態(tài)表面分析的

8、靜態(tài)SIMS中，幾乎都采用中，幾乎都采用四級(jí)桿質(zhì)譜儀四級(jí)桿質(zhì)譜儀，沒(méi)有磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低沒(méi)有磁場(chǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、成本低，可以采用，可以采用能量很低的一次束轟擊樣品能量很低的一次束轟擊樣品。 飛行時(shí)間質(zhì)譜飛行時(shí)間質(zhì)譜儀儀分析速度快、流通率高，可以測(cè)量高分析速度快、流通率高，可以測(cè)量高質(zhì)量數(shù)的離子，質(zhì)量數(shù)的離子，常被用來(lái)檢測(cè)樣品表面的有機(jī)物沾污常被用來(lái)檢測(cè)樣品表面的有機(jī)物沾污。 SIMS 二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀 雙聚焦磁二次離子質(zhì)譜儀雙聚焦磁二次離子質(zhì)譜儀SIMS 二次離子質(zhì)譜儀二次離子質(zhì)譜儀 飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀SIMS 主要功能主要功能 v質(zhì)譜

9、質(zhì)譜分析分析 一次離子束掃描樣品表面， 質(zhì)譜儀同時(shí)掃描質(zhì)量范圍，按荷質(zhì)比收集各種二次粒子，得出二次粒子的質(zhì)譜圖。通過(guò)分析，可以得到樣品受檢測(cè)區(qū)的元素組成信息以及各種元素的相對(duì)強(qiáng)度。 SIMS 主要功能主要功能 v深度剖面分析深度剖面分析 逐層剝離表面的原子層，提取濺射坑中央的二次離子信號(hào)。質(zhì)譜儀同步監(jiān)測(cè)一種或數(shù)種被分析元素，收集這些元素的二次離子強(qiáng)度，即可形成二次離強(qiáng)度-樣品深度的深度剖析圖，就可以得到各種成分的深度分布信息。硅樣品深度剖析元素組分分析SIMS 主要功能主要功能 v成二次離子像成二次離子像 1.離子顯微鏡模式 2.離子探針模式兩種模式下SlMS成像功能優(yōu)劣的簡(jiǎn)單比較SIMS 主要功能主要功能 v成二次離子像成二次離子像SIMS 主要功能主要功能 v有機(jī)物分析有機(jī)物分析 靜態(tài)SIMS是一種軟電離分析技術(shù)，在有機(jī)物特別是不蒸發(fā)、熱不穩(wěn)定有機(jī)物分析方面的應(yīng)用近來(lái)得到迅速的發(fā)展。 沉積在Ag上的維生素B12的靜態(tài)SIMS SI