次离子质谱SIMS.ppt

二次离子质谱 二次离子质谱 (Secondary Ion Mass Spectrometry 简称 SIMS) 一、简介 二、离子与表面的相互作用 三、溅射的基本规律 四、二次离子发射的基本规律 五、二次离子质谱分析技术 六、二次离子分析方法 七、二次离子质谱的研究新方向 八、总结 一、简介 SIMS是一种重要的材料成分分析方法，在微电子、 光 电子、材料科学、催化、薄膜和生物领域有广泛应用。 一次束：具有一定能量的离子 检测信息：产生的正、负二次离子的质量谱 (或m/e谱) SIMS的主要特点： 1. 具有很高的检测极限 对杂质检测限通常为ppm，甚至达ppb量级 2. 能分析化合物，得到其分子量及分子 结构的信息 3. 能检测包括氢在内的所有元素及同位素 4. 获取样品表层信息 5. 能进行微区成分的成象及深度剖面分析 SIMS的原理示意图 二、离子与表面的相互作用 离子束与表面的相互作用，用单个离子与表面 的作用来处理，通常： 一次束流密度 10-7A/cm2 溅射效果显著 非表层分析：微区扫描成象 深度剖面分析 3. 主要部分介绍 （1）离子源种类及参数 （2）二次离子分析系统种类： 磁质谱 四极质谱 (Quadrupole Mass Spectrometer) 飞行时间质谱 (Time of Flight Mass Spectrometer) 三种质谱计各占1/3的市场 磁质谱原理示意图 分辨率高；笨重、扫描速度慢 QMS原理示意图 结构简单、操作方便、扫速快； 质量范围小、质量歧视 TOF原理示意图 大质量范围； 高分辨、样品利用率高 （3）二次离子分析系统参数： 质量范围 质量分辨本领： M/(M)5%H 一般 M/(M)5%HM 即 (M)5%H1 流通率 经质量分离检测到的xn元素的离子数 从靶上发射的xn离子数 与发射后离子的采集、分析器的窗口和检测 器的接收效率有关。 质量歧视：不同质量数的离子流通率不同 噪声 动态范围 分析速度 六、二次离子分析方法 1. 定性分析 痕量杂质分析 2. 定量分析 检测到的离子流与样品成分间的关系 （1）基本公式 I (xn, t) = A Jp S(xn)f C(xn,t) = Ip S(xn)f C(xn,t) 其中C(xn,t)为分析时xn成分在表层中的体浓度， 常用百分浓度、ppm或ppb表示。 由于S的不确定性，使按公式进行定量分析失去实 际意义。 （2）实际定量分析方法 标样法：通用标样、专做标样 (离子注入标样) 利用大量经验积累或研究相对变化 3深度剖面分析 边剥离边分析，通过溅射速率将时间转化为深度。 可同时检测几种元素。 绝对分辨与相对分辨 弧坑效应电子门取样 4. 绝缘样品分析中的“中和”问题 绝对深度分辨与相对深度分辨 弧坑效应对SIMS深度剖析的影响 七、最新进展与热点 1. MCs+-SIMS： Cs+离子源的优点 可提高负二次离子产额 溅射产额高，可减少深度剖析的时间 MCs+有助于克服基体效应，实现多层结构定量分析 2. “ 后电离”技术 分析对象：溅射得到的中性粒子 优点：减小基体效应的影响 后电离的方法：激光、等离子体和电子 八、小结 1. 研究热点： 采用中性原子，再后电离，以提高二次离子产额， 减小不同元素二次离子产额之间的差别。 有机SIMS (利用产生的分子及分子碎片) 粒子诱导发射质谱 2. SIMS最主要的优缺点： 优点：检测灵敏度高 能分析化合物及有机大分子 缺点：定量差 识谱有一定难度 破坏性分析 理论不完整 SIMS优点： n一种“软电离”技术，适于不挥发的热不稳定的有 机大分子 n得到样品表层真实 信息 n分析全部元素（同 位素） n实现微区面成分分 析和深度剖析 n灵敏度很高，动态 范围很宽 Secondary Ion Mass Spectroscopy (SIMS) ： 利用质谱法分析初 级离子入射靶面后 ，溅射产生的二次 离子而获取材料表 面信息的一种方法 。 SIMS原理示意图： 影响二次离子产额的因素： n初级离子的能量 n入射角度 n原子序数 n晶格取向 nIs=Ipocf IS: secondary ion current Ip: primary ion current o:total sputter yield c: fractional concentration of an element : degree of ionzation f: mass spectrometer transmission by Helmut W. Werner SIMS二次离子质谱仪： (Charge neutralization) SIMS离子源： n热阴极电离型离子源 n双等离子体离子源 n液态金属场离子源 一次探束多样：Ar、Xe；O-、O2+；Cs+、Ga+ ；CF3+、C2F5+、C3F7+、SF5+、C60、gold cluster SIMS质量分析器： n四极质谱计（Quadrupole Mass Spectrometer） n双聚焦磁偏转（Double Focusing Magnetic Sector QMS ）质谱计 n飞行时间（Time of FlightTOF） 质谱计 代表性的商品化SIMS仪器： QuadrupoleQuadrupole Based SIMS Based SIMS n德国ATOMIKA 4600 n美国 (PHYSICAL ELECTRONIC） ADEPT 1010 Double Focusing Magnetic SIMSDouble Focusing Magnetic SIMS n法国CAMECA IMS 6f, 1270和NANO 50 n澳大利亚国立大学SHRIMP RG TOF (Time-of-Flight) - SIMSTOF (Time-of-Flight) - SIMS n德国ION-TOF GmbH TOF-SIMS IV n美国 (PHYSICAL ELECTRONIC） TRIFT III QuadrupoleQuadrupole Based SIMS Based SIMS Double Focusing Magnetic SIMSDouble Focusing Magnetic SIMS TOF (Time-of-Flight) - SIMSTOF (Time-of-Flight) - SIMS SIMS的发展离子探针 n又称离子微探针质量分析器（Ion Microprobe Mass AnalyzerIMMA）或扫描离子显微镜（SIM） SIMS的发展直接成像质量分析器 nDirector Imaging Mass Analyzer(DIMA)，又称成像质谱仪（ Imaging Mass SpectrometerIMS）或离子显微镜（IM） SIMS的发展静态SIMS和动态SIMS nStatic SIMS & Dynamic SIMS SIMS的发展SNMS nSputter Neutral Mass Spectroscopy SIMS局限性： n样品成分复杂时识 谱困难 n基体效应（Matrix Effect） n定量分析困难 SIMS应用示例（一）： Peter Sjvall et al. Analytical Chemistry, 2003,75: 3429-3434. 鉴别和定位生 物样品中的有 机分子 Imprint- Imaging TOF-SIMS SIMS应用示例（二） ：药物研究