二次離子質(zhì)譜分析.ppt

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，于磁場(chǎng)中按質(zhì)荷比(m/z)大小分離并記錄的分析方法。 其過(guò)程為可簡(jiǎn)單描述為：,離子源 轟擊樣品,帶電荷的 碎片離子,電場(chǎng)加速(zeU) 獲得動(dòng)能(1/2mV2),磁場(chǎng)分離 (m/z),檢測(cè)器記錄,其中，z為電荷數(shù)，e為電子電荷，U為加速電壓，m為碎片質(zhì)量，V為電子運(yùn)動(dòng)速度。,質(zhì)譜分析基本原理,質(zhì)譜儀器一般具備以下幾個(gè)部分：進(jìn)樣系統(tǒng)、離子源、質(zhì)量分析器和檢測(cè)器，除此之外，質(zhì)譜儀需在高真空下進(jìn)行工作（離子源：10-3 10-5 Pa ，質(zhì)量分析器：10 -6 Pa），因此還有真空系統(tǒng)？,質(zhì)譜儀基本結(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 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)量分析器接收分析二次離子就得到二次離子質(zhì)譜。,SIMS 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，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,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,離子濺射 描述濺射現(xiàn)象的主要參數(shù)是濺射閾能和濺射產(chǎn)額。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。 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、入射角度、原子序數(shù)均有一定的關(guān)系，并與靶材晶格取向有關(guān)。,SIMS 二次離子質(zhì)譜儀,二次離子質(zhì)譜儀主要由五部分組成： 主真空室 樣品架及送樣系統(tǒng) 離子槍 二次離子分析器 離子流計(jì)數(shù)及數(shù)據(jù)處理系統(tǒng),SIMS 二次離子質(zhì)譜儀,二次離子質(zhì)譜儀-離子槍 離子槍一般分為雙等離子體離子源、金屬表面直接加熱離子源和液態(tài)金屬離子源。 雙等離子體離子源提供O2+、O-、Ar+和Xe+。亮度高，束斑可達(dá)1-2m，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Cs+。級(jí)聯(lián)碰撞效應(yīng)小，縱向分析時(shí)深度分辨率高。 液態(tài)金屬離子源提供Ga+。束斑可聚焦很小，20-200nm，空間分辨率高。,SIMS 二次離子質(zhì)譜儀,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-質(zhì)譜分析器 二次離子分析早期采用磁質(zhì)譜儀，其質(zhì)量分辨率和檢測(cè)靈敏度高，但儀器復(fù)雜、成本高。 表面分析的靜態(tài)SIMS中，幾乎都采用四級(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，可以采用能量很低的一次束轟擊樣品。 飛行時(shí)間質(zhì)譜儀分析速度快、流通率高，可以測(cè)量高質(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。,SIMS 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,飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀,SIMS 主要功能,質(zhì)譜分析 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,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,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,成二次離子像,SIMS 主要功能,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,SIMS 主要特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn) 1.檢測(cè)極限可達(dá)ppm，甚至ppb量級(jí)； 2.能檢測(cè)包括氫在內(nèi)的所有元素