Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Вторично-ионная масс-спектроскопия
IMS3F pbmf.JPG
Старая магнитная секторная SIMS, модель IMS 3f, сменившая модели 4f, 5f, 6f, 7f и совсем недавно, 7f-Auto, запущенные в 2013 году производителем CAMECA .
АкронимSIMS
КлассификацияМасс-спектрометрии
АналитыТвердые поверхности, тонкие пленки
Другие техники
СвязанныйМикрозонд бомбардировки быстрыми атомами

Масс-спектрометрия вторичных ионов ( ВИМС ) - это метод, используемый для анализа состава твердых поверхностей и тонких пленок путем распыления поверхности образца сфокусированным пучком первичных ионов, а также сбора и анализа выброшенных вторичных ионов. Отношения масса / заряд этих вторичных ионов измеряются с помощью масс-спектрометра.для определения элементного, изотопного или молекулярного состава поверхности на глубину от 1 до 2 нм. Из-за большого разброса вероятностей ионизации между элементами, распыленными из разных материалов, для достижения точных количественных результатов необходимо сравнение с хорошо откалиброванными стандартами. ВИМС - наиболее чувствительный метод анализа поверхности с пределами обнаружения элементов в диапазоне от частей на миллион до частей на миллиард.

История [ править ]

В 1910 году британский физик Дж. Дж. Томсон наблюдал выброс положительных ионов и нейтральных атомов с твердой поверхности, вызванный ионной бомбардировкой. [1] Усовершенствованная технология вакуумных насосов в 1940-х годах позволила Херцогу и Фибёку [2] провести первые экспериментальные эксперименты по ВИМС в 1949 году в Венском университете , Австрия. В середине 1950-х Хониг сконструировал прибор SIMS в RCA Laboratories в Принстоне, штат Нью-Джерси. [3] Затем, в начале 1960-х годов, независимо друг от друга были разработаны два инструмента SIMS. Один из них был американский проект, во главе с Liebel и Герцога, который был организован НАСА в GCA Corp, штат Массачусетс, для анализа лунных пород ,[4] другой - в Университете Париж-Юг в Орсе, автор Р. Кастен за докторскую диссертацию Г. Слодзяна. [5] Эти первые приборы были основаны на масс-спектрометре магнитного сектора с двойной фокусировкойи использовали аргон в качестве ионов первичного пучка. В 1970-е годы К. Виттмаак и К. Маги разработали инструменты SIMS, оснащенные квадрупольными масс-анализаторами . [6] [7] Примерно в то же время А. Беннингховен представил метод статической ВИМС , при котором плотность первичного ионного тока настолько мала, что для анализа поверхности требуется лишь незначительная часть (обычно 1%) первого поверхностного слоя. . [8] В приборах этого типа используются импульсные первичные источники ионов и времяпролетные масс-спектрометры. Они были разработаны Беннингховеном, Нихуисом и Стеффенсом из Мюнстерского университета , Германия, а также Charles Evans & Associates. Конструкция Castaing и Slodzian была разработана в 1960-х годах французской компанией CAMECA SAS и использовалась в материаловедении и науке о поверхности . [ необходима цитата ] Недавние разработки сосредоточены на новых типах первичных ионов, таких как C 60 + , ионизированные кластеры золота и висмута , [9]или пучки больших газовых кластерных ионов (например, Ar 700 + ). [10] чувствительны высокого разрешения иона микрозондовый (SHRIMP) является большой диаметр, двойной фокусировкой SIMS инструмент сектора на основе дизайна Liebl и Herzog, и произведенный австралийской Scientific Instruments в Канберре, Австралия . [ необходима цитата ]

Инструменты [ править ]

Схема типичного динамического инструмента SIMS. Ионы высокой энергии (обычно несколько кэВ) поставляются ионной пушкой (1 или 2) и фокусируются на целевом образце (3), который ионизирует и распыляет некоторые атомы с поверхности (4). Эти вторичные ионы затем собираются ионными линзами (5) и фильтруются в соответствии с атомной массой (6), затем проецируются на электронный умножитель (7, вверху), чашку Фарадея (7, внизу) или экран ПЗС (8).

Масс-спектрометр вторичных ионов состоит из (1) первичной ионной пушки, генерирующей первичный ионный пучок , (2) колонки первичных ионов, ускоряющей и фокусирующей пучок на образце (а в некоторых устройствах есть возможность разделить первичные ионные частицы с помощью Фильтр Вина или импульсный луч), (3) высоковакуумная камера для образца, содержащая образец и линза для извлечения вторичных ионов, (4) масс-анализатор, разделяющий ионы в соответствии с их отношением массы к заряду, и (5) детектор.

Вакуум [ править ]

ВИМС требует высокого вакуума с давлением ниже 10 -4 Па (примерно 10 -6 мбар или торр ). Это необходимо для обеспечения того, чтобы вторичные ионы не сталкивались с фоновыми газами на пути к детектору (т.е. длина свободного пробега молекул газа внутри детектора должна быть большой по сравнению с размером прибора), а также ограничивает поверхностное загрязнение. путем адсорбции частиц фоновых газов во время измерения.

Первичный ионный источник [ править ]

Используются три типа ионных пушек . В одном из них ионы газообразных элементов обычно генерируются дуоплазматронами или электронной ионизацией , например, благородные газы ( 40 Ar + , Xe + ), кислород ( 16 O - , 16 O 2 + , 16 O 2 - ) или даже ионизируются. молекулы, такие как SF 5 + (образованный из SF 6 ) или C 60 + ( фуллерен). Этот тип ионной пушки прост в эксплуатации и генерирует грубо сфокусированные, но сильноточные ионные пучки. Источник второго типа, источник поверхностной ионизации , генерирует первичные ионы 133 Cs + . [11] Атомы цезия испаряются через пористую вольфрамовую пробку и ионизируются во время испарения. В зависимости от конструкции пистолета можно получить точную фокусировку или высокий ток. Третий тип источника, ионно-жидкая пушка (LMIG), работает с металлами или металлическими сплавами, которые являются жидкими при комнатной температуре или немного выше. Жидкий металл покрывает вольфрамовый наконечник и испускает ионы под действием сильного электрического поля. Пока галлийИсточник может работать с элементарным галлием, недавно разработанные источники для золота , индия и висмута используют сплавы, которые понижают их температуру плавления . LMIG обеспечивает сильно сфокусированный ионный пучок (<50 нм) умеренной интенсивности и, кроме того, способен генерировать короткие импульсные ионные пучки. Поэтому он обычно используется в статических устройствах SIMS.

Выбор типа ионов и ионной пушки, соответственно, зависит от требуемого тока (импульсный или непрерывный), требуемых размеров пучка первичных ионов и от анализируемого образца. Первичные ионы кислорода часто используются для исследования электроположительных элементов из-за увеличения вероятности генерации положительных вторичных ионов, в то время как первичные ионы цезия часто используются при исследовании электроотрицательных элементов. Для коротких импульсных ионных пучков в статической ВИМС для анализа чаще всего используются LMIG; их можно комбинировать либо с кислородной пушкой, либо с цезиевой пушкой во время профилирования элементарной глубины, или с источником кластерных ионов C 60 + или газовым кластером во время молекулярного профилирования по глубине.

Анализатор массы [ править ]

В зависимости от типа SIMS доступны три основных анализатора: секторный, квадрупольный и времяпролетный. В масс-спектрометре с секторным полем используется комбинация электростатического анализатора и магнитного анализатора для разделения вторичных ионов по их соотношению массы к заряду. Анализатор квадрупольный масс отделяет массы от резонансных электрических полей, которые позволяют только выбранные массы , чтобы пройти. Время полета анализатора массразделяет ионы на бесполевом дрейфе в соответствии с их скоростью. Поскольку все ионы обладают одинаковой кинетической энергией, скорость и, следовательно, время полета зависят от массы. Это требует импульсной генерации вторичных ионов с использованием импульсной первичной ионной пушки или импульсной экстракции вторичных ионов. Это единственный тип анализатора, способный обнаруживать все генерируемые вторичные ионы одновременно, и стандартный анализатор для статических инструментов SIMS.

Детектор [ править ]

Фарадея измеряет ток ионов металла удара чашки, и иногда используется для высоких текущих ионных сигналов вторичных. В электронном умножителе удар одного иона запускает каскад электронов, в результате чего непосредственно регистрируется импульс из 10 8 электронов. Детектор микроканальной пластины аналогичен электронный умножитель, с меньшим коэффициентом усиления , но с тем преимуществом, в поперечном направлении разрешенного обнаружения. Обычно он совмещен с флуоресцентным экраном, и сигналы регистрируются либо с помощью CCD-камеры, либо с помощью детектора флуоресценции.

Пределы обнаружения и деградация образца [ править ]

Пределы обнаружения для большинства микроэлементов составляют от 10 до 12 и 10 16 атомов на кубический сантиметр , [12] в зависимости от типа используемого аппаратуры, первичного пучка ионов и используемого аналитической области, а также других факторов. С помощью этого метода можно получить результаты с помощью таких небольших образцов, как отдельные пыльцевые зерна и микрофоссилии. [13]

Количество кратеров на поверхности, создаваемых процессом, зависит от силы тока (импульсного или непрерывного) и размеров первичного ионного пучка. Хотя для анализа химического состава материала используются только заряженные вторичные ионы, испускаемые с поверхности материала в процессе распыления, они составляют небольшую часть частиц, испускаемых из образца.

Статические и динамические режимы [ править ]

В области анализа поверхности принято различать статическую ВИМС и динамическую ВИМС . Статическая ВИМС - это процесс, связанный с анализом поверхностного атомного монослоя или поверхностным молекулярным анализом, обычно с использованием импульсного ионного пучка и времяпролетного масс-спектрометра, в то время как динамический ВИМС - это процесс объемного анализа, тесно связанный с процессом распыления , с использованием первичный ионный пучок постоянного тока и магнитный секторный или квадрупольный масс-спектрометр.

Приложения [ править ]

Прибор COSIMA на борту Rosetta был первым [14] прибором, который определил состав кометной пыли in situ с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов во время сближения космического аппарата с кометой 67P / Чурюмова – Герасименко в 2014–2016 гг .

ВИМС используется для обеспечения качества в полупроводниковой промышленности [15], а также для определения характеристик природных образцов с этой планеты и других. [16] В последнее время этот метод применяется в ядерной криминалистике.

См. Также [ править ]

  • Наносимы

Цитаты [ править ]

  1. Перейти ↑ Thomson, JJ (1910). «Лучи положительного электричества» . Фил. Mag . 20 (118): 752–767. DOI : 10.1080 / 14786441008636962 .
  2. ^ Herzog, РФК, Viehboeck, F. (1949). «Ионный источник для масс-спектрографии». Phys. Ред . 76 (6): 855–856. Bibcode : 1949PhRv ... 76..855H . DOI : 10.1103 / PhysRev.76.855 .CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ Хониг, RE (1958). «Распыление поверхностей пучками положительных ионов малой энергии». J. Appl. Phys . 29 (3): 549–555. Bibcode : 1958JAP .... 29..549H . DOI : 10.1063 / 1.1723219 .
  4. ^ Liebl, HJ (1967). «Ионный микрозондовый масс-анализатор». J. Appl. Phys . 38 (13): 5277–5280. Bibcode : 1967JAP .... 38.5277L . DOI : 10.1063 / 1.1709314 .
  5. ^ Кастны, R. & Slodzian, GJ (1962). "Optique corpusculaire - premiers essais de microanalyse par eionique secondaire". Микроскопия . 1 : 395–399.
  6. ^ Wittmaack, К. (1975). «Предравновесное изменение выхода вторичных ионов». Int. J. Mass Spectrom. Ion Phys . 17 (1): 39–50. Bibcode : 1975IJMSI..17 ... 39W . DOI : 10.1016 / 0020-7381 (75) 80005-2 .
  7. ^ Маги, CW; Хониг, Ричард Э. (1978). «Квадрупольный масс-спектрометр вторичных ионов для проектирования профилей глубины и оценки рабочих характеристик». Обзор научных инструментов . 49 (4): 477–485. Bibcode : 1978RScI ... 49..477M . DOI : 10.1063 / 1.1135438 . PMID 18699129 . 
  8. ^ Benninghoven, А (1969). «Анализ субмонослоев серебра методом вторичной ионной эмиссии». Physica Status Solidi . 34 (2): K169–171. Bibcode : 1969PSSBR..34..169B . DOI : 10.1002 / pssb.19690340267 .
  9. ^ С. Хофманн (2004). «Профилирование по глубине распыления для анализа тонких пленок». Фил. Пер. R. Soc. Лондон. . 362 (1814): 55–75. Bibcode : 2004RSPTA.362 ... 55H . DOI : 10,1098 / rsta.2003.1304 . PMID 15306276 . 
  10. ^ С. Ниномия; К. Ичики; Х. Ямада; Ю. Наката; Т. Секи; Т. Аоки; Дж. Мацуо (2009). «Точная и быстрая масс-спектрометрия вторичных ионов полимерных материалов с большими пучками кластерных ионов Ar». Rapid Commun. Масс-спектрометрия . 23 (11): 1601–1606. Bibcode : 2009RCMS ... 23.1601N . DOI : 10.1002 / rcm.4046 . PMID 19399762 . 
  11. ^ "Система ионно-цезиевого пистолета для установок CAMECA SIMS" . http://www.peabody-scientific.com/ . Проверено 8 ноября 2013 года . Внешняя ссылка в |publisher=( помощь )
  12. ^ «Пределы обнаружения SIMS выбранных элементов в Si и SiO 2 при нормальных условиях профилирования глубины» (PDF) . Аналитическая группа Эванса. 4 мая 2007 . Проверено 22 ноября 2007 .
  13. ^ Кауфман, AJ; Сяо, С. (2003). «Высокие уровни CO 2 в протерозойской атмосфере, оцененные на основе анализа отдельных микрофоссилий». Природа . 425 (6955): 279–282. Bibcode : 2003Natur.425..279K . DOI : 10,1038 / природа01902 . PMID 13679912 . 
  14. ^ C. Engrand; Дж. Кисель; Ф. Р. Крюгер; П. Мартин; Дж. Силен; Л. Тиркелл; Р. Томас; К. Вармуза (2006). «Хемометрическая оценка данных времяпролетной масс-спектрометрии вторичных ионов минералов в рамках будущих анализов кометного материала in situ с помощью COSIMA на борту ROSETTA». Быстрые коммуникации в масс-спектрометрии . 20 (8): 1361–1368. Bibcode : 2006RCMS ... 20.1361E . DOI : 10.1002 / rcm.2448 . PMID 16555371 . 
  15. ^ «Тестирование и характеристика» . Люцидеон . Проверено 28 февраля 2017 .
  16. ^ "NERC Ion Mirco-Probe Facility" . Эдинбургский университет: Школа наук о Земле . Проверено 28 февраля 2017 .

Общая библиография [ править ]

  • Беннингховен, А., Рюденауэр, Ф.Г., Вернер, Х.В., Масс-спектрометрия вторичных ионов: основные концепции, инструментальные аспекты, приложения и тенденции , Wiley, New York, 1987 (1227 страниц), ISBN 0-471-51945-6 
  • Викерман, Дж. К., Браун, А., Рид, Н. М., Масс-спектрометрия вторичных ионов: принципы и приложения , Clarendon Press, Oxford, 1989 (341 страница), ISBN 0-19-855625-X 
  • Уилсон, Р.Г., Стиви, Ф.А., Маги, К.В., Масс-спектрометрия вторичных ионов: Практическое руководство по профилированию глубины и анализу объемных примесей , John Wiley & Sons, Нью-Йорк, 1989, ISBN 0-471-51945-6 
  • Викерман, Дж. К., Бриггс, Д., ToF-SIMS: анализ поверхности с помощью масс-спектрометрии », IM Publications, Chichester UK и SurfaceSpectra, Манчестер, Великобритания, 2001 г. (789 страниц), ISBN 1-901019-03-9 
  • Буберт, Х., Дженетт, Х., «Анализ поверхности и тонких пленок: Сборник принципов, приборов и приложений» , стр. 86–121, Wiley-VCH, Weinheim, Германия, 2002, ISBN 3-527-30458- 4 

Внешние ссылки [ править ]

  • Учебные страницы по теории и инструментарию SIMS