Войти
 Старый магнитный секторный ВИМС, модель IMS 3f, на смену моделям 4f, 5f, 6f, 7f и совсем недавно 7f-Auto, запущенный в 2013 году производителем CAMECA. | |
| Акроним | SIMS |
|---|---|
| Классификация | Масс-спектрометрия |
| Аналиты | Твердые поверхности, тонкие пленки |
| Другие методы | |
| Сопутствующие | Бомбардировка быстрыми атомами. Микрозонд |
Масс-спектрометрия вторичных ионов (SIMS ) - используемый метод для анализа состава твердых поверхностей и тонких пленок путем распыления поверхности образца сфокусированным первичным ионным пучком и сбор и анализ выброшенных вторичных ионов. Отношения масса / заряд этих вторичных ионов измеряются с помощью масс-спектрометра для определения элементного, изотопного или молекулярного состава поверхности на глубине от 1 до 2 нм. Из-за большого разброса вероятностей ионизации между различными материалами ВИМС обычно считается качественным методом, хотя количественный анализ возможен с использованием стандартов. ВИМС - наиболее чувствительный метод анализа поверхности с пределами обнаружения элементов в диапазоне от частей на миллион до частей на миллиард.
В 1910 году Британский физик Дж.. J. Thomson наблюдал высвобождение положительных ионов и нейтральных атомов с твердой поверхности, вызванное ионной бомбардировкой. Усовершенствованная технология вакуумного насоса в 1940-х годах позволила Херцогу и Фибеку в 1949 году провести первые экспериментальные эксперименты по SIMS в Венском университете , Австрия. В середине 1950-х Хониг сконструировал прибор SIMS в RCA Laboratories в Принстоне, штат Нью-Джерси. Затем, в начале 1960-х годов, независимо друг от друга были разработаны два инструмента SIMS. Один из них был американским проектом под руководством Либеля и Херцога, который спонсировался НАСА в GCA Corp, Массачусетс, по анализу лунных пород, другой - в Парижском университете. -Суд в Орсе Р. Кастенга для кандидатской диссертации Г. Слодзяна. Эти первые приборы были основаны на магнитном масс-спектрометре с секторным полем с двойной фокусировкой и использовали аргон в качестве ионов первичного пучка. В 1970-е годы К. Виттмаак и К. Маги разработали инструменты SIMS, оснащенные квадрупольными масс-анализаторами. Примерно в то же время А. Беннингховен представил метод статической ВИМС, в котором плотность первичного ионного тока настолько мала, что для анализа поверхности требуется лишь незначительная часть (обычно 1%) первого поверхностного слоя.. В приборах этого типа используются импульсные источники первичных ионов и времяпролетные масс-спектрометры, которые были разработаны Беннингховеном, Нихуисом и Стеффенсом в Университете Мюнстера, Германия а также Charles Evans Associates. Конструкция Кастенга и Слодзиана была разработана в 1960-х годах французской компанией CAMECA S.A.S. и использовалась в материаловедении и науке о поверхности. Недавние разработки сосредоточены на новых типах первичных ионов, таких как C60, ионизированных кластерах золота и висмута или пучках больших газовых кластерных ионов (например, Ar 700). чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения (SHRIMP) представляет собой секторный инструмент SIMS с большим диаметром и двойной фокусировкой, созданный на основе конструкции Либла и Херцога и произведенный Австралийскими научными инструментами в Канберра, Австралия.
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 луч на образце. (и в некоторых устройствах возможность отделить первичные виды ионов с помощью фильтра Вина или импульсного пучка), (3) высокая вакуумная камера для образца, содержащая образец, и экстракция вторичных ионов линза, (4) масс-анализатор, разделяющий ионы в соответствии с их отношением массы к заряду, и (5) детектор.
SIMS требует высокого вакуума с давлением ниже 10 Па (примерно 10 мбар или торр. ). Это необходимо для того, чтобы вторичные ионы не сталкивались с фоновыми газами на пути к детектору (т.е. средний свободный пробег молекул газа внутри детектора должен быть большим по сравнению с размером прибора). а также предотвращает поверхностное загрязнение из-за адсорбции частиц фонового газа во время измерения.
Используются три типа ионных пушек. В одном ионы газообразных элементов обычно генерируются дуоплазматронами или ионизацией электронами, например благородными газами (Ar, Xe ), кислородом (O, O 2, O 2) или даже ионизированные молекулы, такие как SF 5 (генерируемые из SF6 ) 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 Cs. Атомы цезия испаряются через пористую вольфрамовую пробку и ионизируются во время испарения. В зависимости от конструкции пистолета можно получить точную фокусировку или высокий ток. Источник третьего типа, ионно-ионный пистолет с жидким металлом (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. В то время как источник галлия может работать с элементарным галлием, недавно разработанные источники для золота, индия и висмута используют сплавы, которые снижают их точки плавления. LMIG обеспечивает сильно сфокусированный ионный пучок (<50 nm) with moderate intensity and is additionally able to generate short pulsed ion beams. It is therefore commonly used in static SIMS devices.
Выбор типа ионов и ионной пушки, соответственно, зависит от требуемого тока (импульсный или непрерывный), требуемых размеров пучка первичных ионов и от образца, который должен быть Первичные ионы кислорода часто используются для исследования электроположительных элементов из-за увеличения вероятности генерации положительных вторичных ионов, тогда как первичные ионы цезия часто используются при исследовании электроотрицательных элементов. Для коротких импульсных ионных пучков в статической ВИМС используются LMIG. чаще всего используются для анализа; 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 кластерным ионным источником во время анализа молекулярной глубины.>Масс-анализатор
В зависимости от типа SIMS доступны три основных анализатора: секторный, квадрупольный и времяпролетный. В масс-спектрометре секторного поля используется комбинация электростатического ана Лайзер и магнитный анализатор для разделения вторичных ионов по отношению их массы к заряду. Квадрупольный масс-анализатор разделяет массы с помощью резонансных электрических полей, которые пропускают только выбранные массы. Времяпролетный масс-анализатор разделяет ионы на бесполевом пути дрейфа 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.
A чашка Фарадея измеряет ионный ток, попадающий в металлическую чашку, и иногда используется для сигналов сильноточных вторичных ионов. В электронном умножителе удар одиночного иона запускает электронный каскад, в результате чего возникает импульс из 10 электронов, который записывается напрямую. Микроканальный пластинчатый детектор аналогичен электронному умножителю, с более низким коэффициентом усиления, но с преимуществом обнаружения с латеральным разрешением. Обычно он совмещен с флуоресцентным экраном , а сигналы регистрируются либо с помощью CCD-камеры, либо с помощью детектора флуоресценции.
Пределы обнаружения для большинства микроэлементов составляют от 10 до 10 атомов на кубический сантиметр, в зависимости от типа используемого оборудования, первичного иона луч, используемый и аналитическая площадь, и другие факторы. Такие маленькие образцы, как отдельные пыльцевые зерна и микрофоссилий, могут дать результаты с помощью этого метода.
Количество кратеров на поверхности, создаваемых процессом, зависит от 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 представляют собой небольшую часть частиц, испускаемых из образца.
В области анализа поверхности принято различать статический SIMS и динамический SIMS. 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, связанный с объемным анализом, тесно связанный с распылением . с использованием первичного ионного пучка постоянного тока и магнитного секторного или квадрупольного масс-спектрометра.
Прибор COSIMA на борту Rosetta был первым прибором для определения состава кометной пыли in situ с помощью масс-спектрометрии вторичных ионов во время сближения космического корабля в 2014–2016 гг. к комете 67P / Чурюмов – Герасименко.
ВИМС используется для обеспечения качества в полупроводниковой промышленности и для определения характеристик природных образцов с этой планеты и других. В последнее время этот метод применяется в ядерной криминалистике.
