二次離子質(zhì)譜

二次離子質(zhì)譜

1

二次離子質(zhì)譜(SecondaryIonMassSpectrometry簡稱SIMS)一、簡介二、離子與表面的相互作用三、濺射的基本規(guī)律四、二次離子發(fā)射的基本規(guī)律五、二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)六、二次離子分析方法七、二次離子質(zhì)譜的研究新方向八、總結(jié)二次離子質(zhì)譜2一、簡介SIMS是一種重要的材料成分分析方法，在微電子、

光電子、材料科學(xué)、催化、薄膜和生物領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。一次束：具有一定能量的離子檢測信息：產(chǎn)生的正、負(fù)二次離子的質(zhì)量譜(或m/e譜)SIMS的主要特點：1.具有很高的檢測極限對雜質(zhì)檢測限通常為ppm，甚至達ppb量級2.能分析化合物，得到其分子量及分子結(jié)構(gòu)的信息3.能檢測包括氫在內(nèi)的所有元素及同位素4.獲取樣品表層信息5.能進行微區(qū)成分的成象及深度剖面分析一、簡介3SIMS的原理示意圖SIMS的原理示意圖4二、離子與表面的相互作用離子束與表面的相互作用，用單個離子與表面的作用來處理，通常：一次束流密度<10－6A/cm2

一個離子與表面相互作用總截面<10nm2一個離子與表面相互作用引起各種過程弛豫時間

<10－12秒

一次離子

固體表層

發(fā)射出表面 背散射離子濺射原子、分子和原子團(中性、激發(fā)態(tài)或電離)反彈濺射 留在固體內(nèi) 離子注入 反彈注入 二、離子與表面的相互作用5離子與固體表面相互作用引起的重粒子發(fā)射過程離子與固體表面相互作用引起的重粒子發(fā)射過程6

濺射(Sputtering)現(xiàn)象：粒子獲得離開表面的動量，且其能量大于體內(nèi)結(jié)合能時產(chǎn)生二次發(fā)射，這種現(xiàn)象叫做濺射。其它效應(yīng)…

三、濺射的基本規(guī)律(實驗規(guī)律)1.研究濺射的重要性：SIMS的分析對象是濺射產(chǎn)物－正、負(fù)二次離子濺射的多種用途：在各種分析儀器中產(chǎn)生深度剖面清潔表面減薄樣品濺射鍍膜真空獲得(濺射離子泵)濺射(Sputtering)現(xiàn)象：粒子獲得離開表72.濺射產(chǎn)額(S)：

一個離子打到固體表面上平均濺射出的粒子數(shù)。與下列因素有關(guān)：(1)入射離子能量(2)一次離子入射角(3)入射離子原子序數(shù)(4)樣品原子序數(shù)(5)靶材料的晶格取向通常，當(dāng)入射離子能量在500eV-5keV時，濺射產(chǎn)額為1－10atom/ion。濺射產(chǎn)物90％為中性粒子。2.濺射產(chǎn)額(S)：83.濺射速率：單位時間濺射的厚度

其中z：濺射速率S:濺射產(chǎn)額Jp：一次束流密度Ip：束流強度M：靶原子原子量

ρ:靶材料的密度A：束斑面積4.特殊說明：Δ濺射產(chǎn)額與樣品表面關(guān)系甚大。

Δ對于多組分的靶，由于濺射產(chǎn)額的不同會發(fā)生

擇優(yōu)濺射，使表面組分不同于體內(nèi)。3.濺射速率：單位時間濺射的厚度9四、二次離子發(fā)射的基本規(guī)律1.發(fā)射離子的種類（1）純元素樣品Δ

一價正、負(fù)離子及其同位素(保持天然豐度比)

Δ多荷離子：在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)在一價離子質(zhì)量數(shù)的1/2、1/3處

Δ原子團

（2）通氧后原子團及化合物

（3）有機物樣品分子離子、碎片離子(給出化合物分子量及分子結(jié)構(gòu)信息)四、二次離子發(fā)射的基本規(guī)律10硅的二次離子質(zhì)譜－－正譜圖硅的二次離子質(zhì)譜－－正譜圖11硅的二次離子質(zhì)譜－－負(fù)譜圖硅的二次離子質(zhì)譜－－負(fù)譜圖12Si(111)注O2表面二次離子質(zhì)譜－－正譜圖Si(111)注O2表面二次離子質(zhì)譜－－正譜圖13Si(111)注O2表面二次離子質(zhì)譜－－負(fù)譜圖Si(111)注O2表面二次離子質(zhì)譜－－負(fù)譜圖142．二次離子產(chǎn)額S＋或S－：一個一次離子平均打出的二次離子個數(shù)。（1）與樣品原子序數(shù)關(guān)系明顯的周期性關(guān)系S＋：電離能↗S＋↘S－：電子親和勢↗S－↘各種元素離子產(chǎn)額差異大，可達4個數(shù)量級（2）與化學(xué)環(huán)境關(guān)系被氧覆蓋前后：純元素二次離子產(chǎn)額增大2-3個數(shù)量級多荷離子和原子團則表現(xiàn)出不同的規(guī)律（3）基體效應(yīng)

同一元素的二次離子產(chǎn)額因其它成分的存在而改變。二次離子的發(fā)射與中性原子濺射不同，由于涉及電子轉(zhuǎn)移，因此與化學(xué)態(tài)密切相關(guān)，其它成分的存在影響了電子態(tài)。2．二次離子產(chǎn)額15（4）與入射離子種類關(guān)系惰性元素離子：Ar+,Xe+電負(fù)性離子：O2+,O－,F－,Cl－,I－電正性離子：Cs+電負(fù)性離子可大大提高正二次離子產(chǎn)額電正性離子可大大提高負(fù)二次離子產(chǎn)額它們隨靶原子序數(shù)變化規(guī)律不同，在實際應(yīng)用中可相互補充。（5）與一次離子能量關(guān)系與濺射規(guī)律基本相同（4）與入射離子種類關(guān)系163.二次離子能量分布

最可幾能量分布范圍：1-10eV與入射離子能量無關(guān)原子離子：峰寬，有長拖尾帶電原子團：能量分布窄，最可幾能量低，拖尾短利用上述性質(zhì)，采用能量過濾器，可濾掉低能原子團。3.二次離子能量分布174．理論模型（1）動力學(xué)模型－－說明惰性氣體離子在金屬靶上產(chǎn)生二次離子機理。根據(jù)級聯(lián)碰撞導(dǎo)致濺射機理，濺射的中性粒子一部分處于亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)，以中性粒子形式逸出表面，在表層外1nm范圍內(nèi)通過Auger去激發(fā)形成二次離子。（2）斷鍵模型－－由于化合物斷鍵形成正、負(fù)二次離子成功解釋：電負(fù)性強的元素為一次離子時，S＋↗電正性強的元素為一次離子時，S－↗（3）局部熱平衡模型在一次離子轟擊下，形成處于局部熱平衡的等離子體。利用在熱力學(xué)平衡下的關(guān)系式，從質(zhì)譜的離子流得到元素含量。但熱平衡等離子體的存在還未得到確認(rèn)。（4）原子價模型確定金屬氧化物的二次離子產(chǎn)額的經(jīng)驗公式。4．理論模型18二、二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)1

分析設(shè)備簡介2.主要工作模式（1）靜態(tài)SIMS－獲得真正表面單層信息

Δ使分析表面不受環(huán)境干擾－－超高真空條件下，使氣體分子打到表面形成一個單層的時間長達幾小時，甚至幾天。通常分析：1×10-6帕靜態(tài)SIMS：1×10-8帕

Δ

在分析過程中，表面單分子層壽命長達幾小時。

二、二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)19SIMS設(shè)備示意圖SIMS設(shè)備示意圖20高真空靜態(tài)SIMS設(shè)備外觀高真空靜態(tài)SIMS設(shè)備外觀21SIMS設(shè)備中的離子槍SIMS設(shè)備中的離子槍22TOF－SIMS系統(tǒng)示意圖TOF－SIMS系統(tǒng)示意圖23TOF－SIMS系統(tǒng)外觀圖TOF－SIMS系統(tǒng)外觀圖24實驗條件：一次離子能量<5keV一次離子束流密度<nA/cm2在低的一次束流密度下，為提高靈敏度，采用：

一次束大束斑＋離子計數(shù)＋高傳輸率分析器（2）動態(tài)SIMS－－離子微探針一次束流密度J>10-7A/cm2

濺射效果顯著非表層分析：微區(qū)掃描成象深度剖面分析實驗條件：253.主要部分介紹

（1）離子源種類及參數(shù)（2）二次離子分析系統(tǒng)種類：

Δ

磁質(zhì)譜

Δ

四極質(zhì)譜(QuadrupoleMassSpectrometer)

Δ飛行時間質(zhì)譜(TimeofFlightMassSpectrometer)

三種質(zhì)譜計各占1/3的市場3.主要部分介紹26磁質(zhì)譜原理示意圖分辨率高；笨重、掃描速度慢磁質(zhì)譜原理示意圖分辨率高；笨重、掃描速度慢27QMS原理示意圖結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、掃速快；質(zhì)量范圍小、質(zhì)量歧視QMS原理示意圖結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、掃速快；28TOF原理示意圖大質(zhì)量范圍；高分辨、樣品利用率高TOF原理示意圖大質(zhì)量范圍；29（3）二次離子分析系統(tǒng)參數(shù)：

Δ

質(zhì)量范圍

Δ

質(zhì)量分辨本領(lǐng)：M/(ΔM)5%H一般M/(ΔM)5%H＝M即(ΔM)5%H＝1

Δ

流通率經(jīng)質(zhì)量分離檢測到的xn元素的離子數(shù)從靶上發(fā)射的xn離子數(shù)與發(fā)射后離子的采集、分析器的窗口和檢測器的接收效率有關(guān)。

質(zhì)量歧視：不同質(zhì)量數(shù)的離子流通率不同

Δ

噪聲

Δ

動態(tài)范圍

Δ

分析速度（3）二次離子分析系統(tǒng)參數(shù)：30六、二次離子分析方法

1.定性分析痕量雜質(zhì)分析

2.定量分析檢測到的離子流與樣品成分間的關(guān)系（1）基本公式I±(xn,t)=AJpS±(xn)fC(xn,t)=IpS±(xn)fC(xn,t)其中C(xn,t)為分析時xn成分在表層中的體濃度，常用百分濃度、ppm或ppb表示。由于S±的不確定性，使按公式進行定量分析失去實際意義。六、二次離子分析方法31（2）實際定量分析方法標(biāo)樣法：通用標(biāo)樣、專做標(biāo)樣(離子注入標(biāo)樣)利用大量經(jīng)驗積累或研究相對變化3．深度剖面分析邊剝離邊分析，通過濺射速率將時間轉(zhuǎn)化為深度?？赏瑫r檢測幾種元素。絕對分辨與相對分辨弧坑效應(yīng)－電子門取樣4.絕緣樣品分析中的“中和”問題（2）實際定量分析方法32絕對深度分辨與相對深度分辨絕對深度分辨與相對深度分辨33弧坑效應(yīng)對SIMS深度剖析的影響弧坑效應(yīng)對SIMS深度剖析的影響34七、最新進展與熱點

1.MCs+-SIMS：Cs+離子源的優(yōu)點Δ可提高負(fù)二次離子產(chǎn)額Δ濺射產(chǎn)額高，可減少深度剖析的時間ΔMCs+有助于克服基體效應(yīng)，實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)定量分析2.“后電離”技術(shù)分析對象：濺射得到的中性粒子優(yōu)點：減小基體效應(yīng)的影響后電離的方法：激光、等離子體和電子七、最新進展與熱點35八、小結(jié)1.研究熱點：Δ采用中性原子，再后電離，以提高二次離子產(chǎn)額，減小不同元素二次離子產(chǎn)額之間的差別。Δ有機SIMS(利用產(chǎn)生的分子及分子碎片)Δ粒子誘導(dǎo)發(fā)射質(zhì)譜2.SIMS最主要的優(yōu)缺點：優(yōu)點：檢測靈敏度高能分析化合物及有機大分子缺點：定量差識譜有一定難度破壞性分析理論不完整八、小結(jié)36SIMS—優(yōu)點：一種“軟電離”技術(shù)，適于不揮發(fā)的熱不穩(wěn)定的有機大分子得到樣品表層真實信息分析全部元素（同位素）實現(xiàn)微區(qū)面成分分析和深度剖析靈敏度很高，動態(tài)范圍很寬SIMS—優(yōu)點：一種“軟電離”技術(shù)，適于不揮發(fā)的熱不穩(wěn)定的有37SecondaryIonMassSpectroscopy

(SIMS)：利用質(zhì)譜法分析初級離子入射靶面后，濺射產(chǎn)生的二次離子而獲取材料表面信息的一種方法。SecondaryIonMassSpectroscop38SIMS—原理示意圖：SIMS—原理示意圖：39影響二次離子產(chǎn)額的因素：初級離子的能量入射角度原子序數(shù)晶格取向Is=IpγocαfIS:secondaryioncurrent

Ip:primaryioncurrent

γo:totalsputteryield

c:fractionalconcentrationofanelement

α:degreeofionzationf:massspectrometertransmission

byHelmutW.Werner影響二次離子產(chǎn)額的因素：初級離子的能量Is=Ipγocαf40SIMS—二次離子質(zhì)譜儀：(Chargeneutralization)SIMS—二次離子質(zhì)譜儀：(Chargeneutraliz41SIMS—離子源：熱陰極電離型離子源雙等離子體離子源液態(tài)金屬場離子源一次探束多樣：Ar＋、Xe＋…；O-、O2+…；Cs+、Ga+…；CF3+、C2F5+、C3F7+、SF5+·、C60、goldcluster……SIMS—離子源：熱陰極電離型離子源一次探束多樣：Ar＋、X42SIMS—質(zhì)量分析器：四極質(zhì)譜計（QuadrupoleMassSpectrometer）雙聚焦磁偏轉(zhuǎn)（DoubleFocusingMagneticSector—QMS）質(zhì)譜計飛行時間（TimeofFlight—TOF）質(zhì)譜計SIMS—質(zhì)量分析器：四極質(zhì)譜計（QuadrupoleMa43代表性的商品化SIMS儀器：

QuadrupoleBasedSIMS德國ATOMIKA4600美國Φ(PHYSICALELECTRONIC）ADEPT–1010

DoubleFocusingMagneticSIMS法國CAMECAIMS6f,1270和NANO50澳大利亞國立大學(xué)SHRIMPRG

TOF(Time-of-Flight)-SIMS德國ION-TOFGmbH

TOF-SIMSIV美國Φ(PHYSICALELECTRONIC）TRIFTIII代表性的商品化SIMS儀器：

Quadrupo44QuadrupoleBasedSIMSQuadrupoleBasedSIMS45DoubleFocusingMagneticSIMSDoubleFocusingMagneticSIMS46TOF(Time-of-Flight)-SIMSTOF(Time-of-Flight)-SIMS47SIMS的發(fā)展—離子探針又稱離子微探針質(zhì)量分析器（IonMicroprobeMassAnalyzer—IMMA）或掃描離子顯微鏡（SIM）SIMS的發(fā)展—離子探針又稱離子微探針質(zhì)量分析器（IonM48SIMS的發(fā)展—直接成像質(zhì)量分析器DirectorImagingMassAnalyzer(DIMA)，又稱成像質(zhì)譜儀（ImagingMassSpectrometer—IMS）或離子顯微鏡（IM）SIMS的發(fā)展—直接成像質(zhì)量分析器DirectorImag49SIMS的發(fā)展—靜態(tài)SIMS和動態(tài)SIMSStaticSIMS&DynamicSIMSSIMS的發(fā)展—靜態(tài)SIMS和動態(tài)SIMSStaticSI50SIMS的發(fā)展—SNMSSputterNeutralMassSpectroscopySIMS的發(fā)展—SNMSSputterNeutralMa51SIMS—局限性：樣品成分復(fù)雜時識譜困難基體效應(yīng)（MatrixEffect）定量分析困難SIMS—局限性：樣品成分復(fù)雜時識譜困難52SIMS應(yīng)用示例（一）：PeterSj?valletal.AnalyticalChemistry,2019,75:3429-3434.鑒別和定位生物樣品中的有機分子Imprint-ImagingTOF-SIMSSIMS應(yīng)用示例（一）：PeterSj?valleta53SIMS應(yīng)用示例（二）：藥物研究AnnaM.Beluetal.,Biomaterials,2019,24:3635-3653.SIMS應(yīng)用示例（二）：藥物研究AnnaM.Belue54SIMS還應(yīng)用于：半導(dǎo)體及微電子領(lǐng)域：基體表面痕量雜質(zhì)分析環(huán)境領(lǐng)域：大氣中微粒成分分析地球及天體科學(xué)：地質(zhì)樣品納米科學(xué)：納米材料的結(jié)構(gòu)……化學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)、材料科學(xué)、微電子、光電、冶金、地質(zhì)、礦物、醫(yī)藥等領(lǐng)域SIMS還應(yīng)用于：半導(dǎo)體及微電子領(lǐng)域：基體表面痕量雜質(zhì)分析55謝謝你的閱讀知識就是財富豐富你的人生謝謝你的閱讀知識就是財富56二次離子質(zhì)譜

二次離子質(zhì)譜

57

二次離子質(zhì)譜(SecondaryIonMassSpectrometry簡稱SIMS)一、簡介二、離子與表面的相互作用三、濺射的基本規(guī)律四、二次離子發(fā)射的基本規(guī)律五、二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)六、二次離子分析方法七、二次離子質(zhì)譜的研究新方向八、總結(jié)二次離子質(zhì)譜58一、簡介SIMS是一種重要的材料成分分析方法，在微電子、

光電子、材料科學(xué)、催化、薄膜和生物領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。一次束：具有一定能量的離子檢測信息：產(chǎn)生的正、負(fù)二次離子的質(zhì)量譜(或m/e譜)SIMS的主要特點：1.具有很高的檢測極限對雜質(zhì)檢測限通常為ppm，甚至達ppb量級2.能分析化合物，得到其分子量及分子結(jié)構(gòu)的信息3.能檢測包括氫在內(nèi)的所有元素及同位素4.獲取樣品表層信息5.能進行微區(qū)成分的成象及深度剖面分析一、簡介59SIMS的原理示意圖SIMS的原理示意圖60二、離子與表面的相互作用離子束與表面的相互作用，用單個離子與表面的作用來處理，通常：一次束流密度<10－6A/cm2

一個離子與表面相互作用總截面<10nm2一個離子與表面相互作用引起各種過程弛豫時間

<10－12秒

一次離子

固體表層

發(fā)射出表面 背散射離子濺射原子、分子和原子團(中性、激發(fā)態(tài)或電離)反彈濺射 留在固體內(nèi) 離子注入 反彈注入 二、離子與表面的相互作用61離子與固體表面相互作用引起的重粒子發(fā)射過程離子與固體表面相互作用引起的重粒子發(fā)射過程62

濺射(Sputtering)現(xiàn)象：粒子獲得離開表面的動量，且其能量大于體內(nèi)結(jié)合能時產(chǎn)生二次發(fā)射，這種現(xiàn)象叫做濺射。其它效應(yīng)…

三、濺射的基本規(guī)律(實驗規(guī)律)1.研究濺射的重要性：SIMS的分析對象是濺射產(chǎn)物－正、負(fù)二次離子濺射的多種用途：在各種分析儀器中產(chǎn)生深度剖面清潔表面減薄樣品濺射鍍膜真空獲得(濺射離子泵)濺射(Sputtering)現(xiàn)象：粒子獲得離開表632.濺射產(chǎn)額(S)：

一個離子打到固體表面上平均濺射出的粒子數(shù)。與下列因素有關(guān)：(1)入射離子能量(2)一次離子入射角(3)入射離子原子序數(shù)(4)樣品原子序數(shù)(5)靶材料的晶格取向通常，當(dāng)入射離子能量在500eV-5keV時，濺射產(chǎn)額為1－10atom/ion。濺射產(chǎn)物90％為中性粒子。2.濺射產(chǎn)額(S)：643.濺射速率：單位時間濺射的厚度

其中z：濺射速率S:濺射產(chǎn)額Jp：一次束流密度Ip：束流強度M：靶原子原子量

ρ:靶材料的密度A：束斑面積4.特殊說明：Δ濺射產(chǎn)額與樣品表面關(guān)系甚大。

Δ對于多組分的靶，由于濺射產(chǎn)額的不同會發(fā)生

擇優(yōu)濺射，使表面組分不同于體內(nèi)。3.濺射速率：單位時間濺射的厚度65四、二次離子發(fā)射的基本規(guī)律1.發(fā)射離子的種類（1）純元素樣品Δ

一價正、負(fù)離子及其同位素(保持天然豐度比)

Δ多荷離子：在質(zhì)譜圖上出現(xiàn)在一價離子質(zhì)量數(shù)的1/2、1/3處

Δ原子團

（2）通氧后原子團及化合物

（3）有機物樣品分子離子、碎片離子(給出化合物分子量及分子結(jié)構(gòu)信息)四、二次離子發(fā)射的基本規(guī)律66硅的二次離子質(zhì)譜－－正譜圖硅的二次離子質(zhì)譜－－正譜圖67硅的二次離子質(zhì)譜－－負(fù)譜圖硅的二次離子質(zhì)譜－－負(fù)譜圖68Si(111)注O2表面二次離子質(zhì)譜－－正譜圖Si(111)注O2表面二次離子質(zhì)譜－－正譜圖69Si(111)注O2表面二次離子質(zhì)譜－－負(fù)譜圖Si(111)注O2表面二次離子質(zhì)譜－－負(fù)譜圖702．二次離子產(chǎn)額S＋或S－：一個一次離子平均打出的二次離子個數(shù)。（1）與樣品原子序數(shù)關(guān)系明顯的周期性關(guān)系S＋：電離能↗S＋↘S－：電子親和勢↗S－↘各種元素離子產(chǎn)額差異大，可達4個數(shù)量級（2）與化學(xué)環(huán)境關(guān)系被氧覆蓋前后：純元素二次離子產(chǎn)額增大2-3個數(shù)量級多荷離子和原子團則表現(xiàn)出不同的規(guī)律（3）基體效應(yīng)

同一元素的二次離子產(chǎn)額因其它成分的存在而改變。二次離子的發(fā)射與中性原子濺射不同，由于涉及電子轉(zhuǎn)移，因此與化學(xué)態(tài)密切相關(guān)，其它成分的存在影響了電子態(tài)。2．二次離子產(chǎn)額71（4）與入射離子種類關(guān)系惰性元素離子：Ar+,Xe+電負(fù)性離子：O2+,O－,F－,Cl－,I－電正性離子：Cs+電負(fù)性離子可大大提高正二次離子產(chǎn)額電正性離子可大大提高負(fù)二次離子產(chǎn)額它們隨靶原子序數(shù)變化規(guī)律不同，在實際應(yīng)用中可相互補充。（5）與一次離子能量關(guān)系與濺射規(guī)律基本相同（4）與入射離子種類關(guān)系723.二次離子能量分布

最可幾能量分布范圍：1-10eV與入射離子能量無關(guān)原子離子：峰寬，有長拖尾帶電原子團：能量分布窄，最可幾能量低，拖尾短利用上述性質(zhì)，采用能量過濾器，可濾掉低能原子團。3.二次離子能量分布734．理論模型（1）動力學(xué)模型－－說明惰性氣體離子在金屬靶上產(chǎn)生二次離子機理。根據(jù)級聯(lián)碰撞導(dǎo)致濺射機理，濺射的中性粒子一部分處于亞穩(wěn)激發(fā)態(tài)，以中性粒子形式逸出表面，在表層外1nm范圍內(nèi)通過Auger去激發(fā)形成二次離子。（2）斷鍵模型－－由于化合物斷鍵形成正、負(fù)二次離子成功解釋：電負(fù)性強的元素為一次離子時，S＋↗電正性強的元素為一次離子時，S－↗（3）局部熱平衡模型在一次離子轟擊下，形成處于局部熱平衡的等離子體。利用在熱力學(xué)平衡下的關(guān)系式，從質(zhì)譜的離子流得到元素含量。但熱平衡等離子體的存在還未得到確認(rèn)。（4）原子價模型確定金屬氧化物的二次離子產(chǎn)額的經(jīng)驗公式。4．理論模型74二、二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)1

分析設(shè)備簡介2.主要工作模式（1）靜態(tài)SIMS－獲得真正表面單層信息

Δ使分析表面不受環(huán)境干擾－－超高真空條件下，使氣體分子打到表面形成一個單層的時間長達幾小時，甚至幾天。通常分析：1×10-6帕靜態(tài)SIMS：1×10-8帕

Δ

在分析過程中，表面單分子層壽命長達幾小時。

二、二次離子質(zhì)譜分析技術(shù)75SIMS設(shè)備示意圖SIMS設(shè)備示意圖76高真空靜態(tài)SIMS設(shè)備外觀高真空靜態(tài)SIMS設(shè)備外觀77SIMS設(shè)備中的離子槍SIMS設(shè)備中的離子槍78TOF－SIMS系統(tǒng)示意圖TOF－SIMS系統(tǒng)示意圖79TOF－SIMS系統(tǒng)外觀圖TOF－SIMS系統(tǒng)外觀圖80實驗條件：一次離子能量<5keV一次離子束流密度<nA/cm2在低的一次束流密度下，為提高靈敏度，采用：

一次束大束斑＋離子計數(shù)＋高傳輸率分析器（2）動態(tài)SIMS－－離子微探針一次束流密度J>10-7A/cm2

濺射效果顯著非表層分析：微區(qū)掃描成象深度剖面分析實驗條件：813.主要部分介紹

（1）離子源種類及參數(shù)（2）二次離子分析系統(tǒng)種類：

Δ

磁質(zhì)譜

Δ

四極質(zhì)譜(QuadrupoleMassSpectrometer)

Δ飛行時間質(zhì)譜(TimeofFlightMassSpectrometer)

三種質(zhì)譜計各占1/3的市場3.主要部分介紹82磁質(zhì)譜原理示意圖分辨率高；笨重、掃描速度慢磁質(zhì)譜原理示意圖分辨率高；笨重、掃描速度慢83QMS原理示意圖結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、掃速快；質(zhì)量范圍小、質(zhì)量歧視QMS原理示意圖結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、掃速快；84TOF原理示意圖大質(zhì)量范圍；高分辨、樣品利用率高TOF原理示意圖大質(zhì)量范圍；85（3）二次離子分析系統(tǒng)參數(shù)：

Δ

質(zhì)量范圍

Δ

質(zhì)量分辨本領(lǐng)：M/(ΔM)5%H一般M/(ΔM)5%H＝M即(ΔM)5%H＝1

Δ

流通率經(jīng)質(zhì)量分離檢測到的xn元素的離子數(shù)從靶上發(fā)射的xn離子數(shù)與發(fā)射后離子的采集、分析器的窗口和檢測器的接收效率有關(guān)。

質(zhì)量歧視：不同質(zhì)量數(shù)的離子流通率不同

Δ

噪聲

Δ

動態(tài)范圍

Δ

分析速度（3）二次離子分析系統(tǒng)參數(shù)：86六、二次離子分析方法

1.定性分析痕量雜質(zhì)分析

2.定量分析檢測到的離子流與樣品成分間的關(guān)系（1）基本公式I±(xn,t)=AJpS±(xn)fC(xn,t)=IpS±(xn)fC(xn,t)其中C(xn,t)為分析時xn成分在表層中的體濃度，常用百分濃度、ppm或ppb表示。由于S±的不確定性，使按公式進行定量分析失去實際意義。六、二次離子分析方法87（2）實際定量分析方法標(biāo)樣法：通用標(biāo)樣、專做標(biāo)樣(離子注入標(biāo)樣)利用大量經(jīng)驗積累或研究相對變化3．深度剖面分析邊剝離邊分析，通過濺射速率將時間轉(zhuǎn)化為深度。可同時檢測幾種元素。絕對分辨與相對分辨弧坑效應(yīng)－電子門取樣4.絕緣樣品分析中的“中和”問題（2）實際定量分析方法88絕對深度分辨與相對深度分辨絕對深度分辨與相對深度分辨89弧坑效應(yīng)對SIMS深度剖析的影響弧坑效應(yīng)對SIMS深度剖析的影響90七、最新進展與熱點

1.MCs+-SIMS：Cs+離子源的優(yōu)點Δ可提高負(fù)二次離子產(chǎn)額Δ濺射產(chǎn)額高，可減少深度剖析的時間ΔMCs+有助于克服基體效應(yīng)，實現(xiàn)多層結(jié)構(gòu)定量分析2.“后電離”技術(shù)分析對象：濺射得到的中性粒子優(yōu)點：減小基體效應(yīng)的影響后電離的方法：激光、等離子體和電子七、最新進展與熱點91八、小結(jié)1.研究熱點：Δ采用中性原子，再后電離，以提高二次離子產(chǎn)額，減小不同元素二次離子產(chǎn)額之間的差別。Δ有機SIMS(利用產(chǎn)生的分子及分子碎片)Δ粒子誘導(dǎo)發(fā)射質(zhì)譜2.SIMS最主要的優(yōu)缺點：優(yōu)點：檢測靈敏度高能分析化合物及有機大分子缺點：定量差識譜有一定難度破壞性分析理論不完整八、小結(jié)92SIMS—優(yōu)點：一種“軟電離”技術(shù)，適于不揮發(fā)的熱不穩(wěn)定的有機大分子得到樣品表層真實信息分析全部元素（同位素）實現(xiàn)微區(qū)面成分分析和深度剖析靈敏度很高，動態(tài)范圍很寬SIMS—優(yōu)點：一種“軟電離”技術(shù)，適于不揮發(fā)的熱不穩(wěn)定的有93SecondaryIonMassSpectroscopy

(SIMS)：利用質(zhì)譜法分析初級離子入射靶面后，濺射產(chǎn)生的二次離子而獲取材料表面信息的一種方法。SecondaryIonMassSpectroscop94SIMS—原理示意圖：SIMS—原理示意圖：95影響二次離子產(chǎn)額的因素：初級離子的能量入射角度原子序數(shù)晶格取向Is=IpγocαfIS:secondaryioncurrent

Ip:primaryioncurrent

γo:totalsputteryield

c:fractionalconcentrationofanelement

α:degreeofionzationf:massspectrometertransmission

byHelmutW.Werner影響二次離子產(chǎn)額的因素：初級離子的能量Is=Ipγocαf96SIMS—二次離子質(zhì)譜儀：(Chargeneutralization)SIMS—二次離子質(zhì)譜儀：(Chargeneutraliz97SIMS—離子源：熱陰極電離型離子源雙等離子體離子源液態(tài)金屬場離子源一次探束多樣：Ar＋、Xe＋…；O-、O2+…；Cs+、Ga+…；CF3+