✖


Jump to content

Масс-спектрометрия вторичных ионов

Вторично-ионная масс-спектрометрия
Старая SIMS с магнитным сектором, модель IMS 3f, на смену пришли модели 4f, 5f, 6f, 7f и совсем недавно 7f-Auto, выпущенная в 2013 году производителем CAMECA .
Акроним ВИМС
Классификация Масс-спектрометрия
Аналиты Твердые поверхности, тонкие пленки
Другие методы
Связанный Бомбардировка быстрыми атомами
Микрозонд

Вторично-ионная масс-спектрометрия ( ВИМС ) — это метод, используемый для анализа состава твердых поверхностей и тонких пленок путем распыления поверхности образца сфокусированным лучом 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 больших различий в вероятностях ионизации среди элементов, распыленных из разных материалов, для достижения точных количественных результатов необходимо сравнение с хорошо откалиброванными стандартами. SIMS — наиболее чувствительный метод анализа поверхности, пределы обнаружения элементов которого варьируются от частей на миллион до частей на миллиард.

История

[ редактировать ]

В 1910 году британский физик Дж. Дж. Томсон наблюдал высвобождение положительных ионов и нейтральных атомов с поверхности твердого тела, вызванное ионной бомбардировкой. [1] Усовершенствованная технология вакуумных насосов в 1940-х годах позволила Герцогу и Фибеку провести первые прототипные эксперименты по SIMS. [2] в 1949 году в Венском университете , Австрия. В середине 1950-х годов Хониг сконструировал прибор SIMS в лабораториях RCA в Принстоне, штат Нью-Джерси. [3] Затем, в начале 1960-х годов, два инструмента SIMS были разработаны независимо. Одним из них был американский проект, возглавляемый Либелем и Херцогом и спонсируемый НАСА в корпорации GCA, штат Массачусетс, по анализу лунных пород . [4] другой - в Университете Париж-Юг в Орсе - Р. Кастеном для докторской диссертации Г. Слодзяна. [5] Эти первые инструменты были основаны на масс-спектрометре магнитного поля с двойной фокусировкой и использовали аргон в качестве ионов первичного пучка.

В 1970-е годы К. Виттмак и К. Маги разработали приборы ВИМС, оснащенные квадрупольными масс-анализаторами . [6] [7] Примерно в то же время А. Беннингховен представил метод статического ВИМС , при котором плотность тока первичных ионов настолько мала, что для анализа поверхности необходима лишь незначительная часть (обычно 1%) первого поверхностного слоя. [8] В приборах этого типа используются импульсные источники первичных ионов и времяпролетные масс-спектрометры , и они были разработаны Беннингховеном, Нихейсом и Штеффенсом в Мюнстерском университете , Германия , а также компанией Charles Evans & Associates. Конструкция Кастена и Слодзиана была разработана в 1960-х годах французской компанией CAMECA SAS и использовалась в материаловедении и науке о поверхности . [ нужна ссылка ] Недавние разработки сосредоточены на новых видах первичных ионов, таких как C 60. + , ионизированные кластеры золота и висмута , [9] или большие газовые кластерные ионные пучки (например, Ar 700 + ). [10] Чувствительный ионный микрозонд высокого разрешения ВИМС с двойной фокусировкой большого диаметра (SHRIMP) представляет собой секторный прибор , основанный на конструкции Либла и Герцога и производимый компанией Australian Scientific Instruments в Канберре, Австралия . [ нужна ссылка ]

Инструментарий

[ редактировать ]
Схема типичного динамического прибора ВИМС. Ионы высокой энергии (обычно несколько кэВ) подаются ионной пушкой (1 или 2) и фокусируются на мишени (3), которая ионизирует и распыляет некоторые атомы с поверхности (4). Эти вторичные ионы затем собираются ионными линзами (5) и фильтруются в соответствии с атомной массой (6), а затем проецируются на электронный умножитель (7, вверху), чашку Фарадея (7, внизу) или ПЗС-экран (8).

Масс-спектрометр вторичных ионов состоит из (1) первичной ионной пушки , генерирующей пучок первичных ионов , (2) столба первичных ионов, ускоряющего и фокусирующего луч на образце (а в некоторых устройствах - возможности разделения видов первичных ионов путем фильтр Вина или импульсный луч), (3) камера для образцов с высоким вакуумом , содержащая образец и линзу для извлечения вторичных ионов, (4) масс-анализатор, разделяющий ионы в соответствии с их отношением массы к заряду, и (5) детектор.

Вакуум

[ редактировать ]

SIMS требует высокого вакуума с давлением ниже 10. −4 Па (около 10 −6 мбар или торр ). Это необходимо для того, чтобы гарантировать, что вторичные ионы не сталкиваются с фоновыми газами на пути к детектору (т. е. средняя длина свободного пробега молекул газа внутри детектора должна быть больше по сравнению с размером прибора), а также ограничивает загрязнение поверхности. за счет адсорбции частиц фонового газа во время измерения.

Первичный источник ионов

[ редактировать ]

три типа ионных пушек Используются . В одном из них ионы газообразных элементов обычно генерируются с помощью дуоплазматронов или путем электронной ионизации , например благородных газов ( 40 С + , Машина + ), кислород ( 16 ТО − , 16 Около 2 + , 16 Около 2 − ), или даже ионизированные молекулы, такие как SF 5 + (полученный из SF 6 ) или C 60 + ( фуллерен ). Ионная пушка этого типа проста в эксплуатации и генерирует грубо сфокусированные, но сильноточные ионные пучки. Второй тип источника, источник поверхностной ионизации , генерирует 133 Cs + первичные ионы. [11] Атомы цезия испаряются через пористую вольфрамовую пробку и ионизируются во время испарения. В зависимости от конструкции пистолета можно получить точную фокусировку или большой ток. Третий тип источника, ионная пушка жидкого металла (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 воздействием интенсивного электрического поля. Хотя источник галлия может работать с элементарным галлием, недавно разработанные источники золота , индия и висмута используют сплавы, которые понижают их температуру плавления . LMIG обеспечивает плотно сфокусированный ионный пучок (<50 нм) умеренной интенсивности и, кроме того, способен генерировать короткие импульсные ионные пучки. Поэтому он обычно используется в статических SIMS-устройствах.

Выбор вида ионов и ионной пушки соответственно зависит от требуемого тока (импульсного или непрерывного), требуемых размеров первичного ионного пучка и образца, который необходимо анализировать. Первичные ионы кислорода часто используются для исследования электроположительных элементов из-за увеличения вероятности образования положительных вторичных ионов, а первичные ионы цезия часто используются при исследовании электроотрицательных элементов. Для анализа коротких импульсных ионных пучков в статических ВИМС чаще всего используются LMIG; их можно комбинировать либо с кислородной пушкой, либо с цезиевой пушкой при профилировании элементарной глубины, либо с C 60. + или источник газовых кластерных ионов во время профилирования молекулярной глубины.

Масс-анализатор

[ редактировать ]

В зависимости от типа ВИМС доступны три основных анализатора: секторный, квадрупольный и времяпролетный. Секторный масс-спектрометр использует комбинацию электростатического анализатора и магнитного анализатора для разделения вторичных ионов по отношению их массы к заряду. Квадрупольный масс-анализатор разделяет массы резонансными электрическими полями, которые пропускают только выбранные массы. Времяпролетный масс-анализатор разделяет ионы по бесполевой траектории дрейфа в зависимости от их скорости. Поскольку все ионы обладают одинаковой кинетической энергией, скорость и, следовательно, время полета варьируются в зависимости от массы. Для этого требуется импульсная генерация вторичных ионов с использованием либо импульсной первичной ионной пушки, либо импульсной экстракции вторичных ионов. Это единственный тип анализатора, способный одновременно обнаруживать все генерируемые вторичные ионы и являющийся стандартным анализатором для статических приборов SIMS.

Детектор

[ редактировать ]

Чашка Фарадея измеряет ионный ток, попадающий на металлическую чашку, и иногда используется для сигналов сильноточных вторичных ионов. При использовании электронного умножителя удар одного иона запускает электронный каскад, в результате чего образуется импульс мощностью 10 8 электронов, что регистрируется непосредственно. Микроканальный пластинчатый детектор аналогичен электронному умножителю с более низким коэффициентом усиления, но с преимуществом обнаружения с боковым разрешением. Обычно его комбинируют с флуоресцентным экраном, а сигналы регистрируют либо CCD-камерой, либо детектором флуоресценции.

Пределы обнаружения и деградация образцов

[ редактировать ]

Пределы обнаружения большинства микроэлементов составляют от 10 12 и 10 16 атомов на кубический сантиметр , [12] в зависимости от типа используемого оборудования, используемого первичного ионного пучка, аналитической зоны и других факторов. С помощью этого метода можно получить результаты даже на таких небольших образцах, как отдельные пыльцевые зерна и микроокаменелости. [13]

Количество кратеров на поверхности, создаваемых этим 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, вылетающих из образца.

Статический и динамический режимы

[ редактировать ]

В области анализа поверхности принято различать статические ВИМС и динамические ВИМС . Статическое ВИМС — это процесс анализа поверхностного атомного монослоя или поверхностного молекулярного анализа, обычно с использованием импульсного ионного луча и времяпролетного масс-спектрометра, тогда как динамическое ВИМС — это процесс объемного анализа, тесно связанный с процессом распыления с использованием пучок первичных ионов постоянного тока и магнитный секторный или квадрупольный масс-спектрометр.

Динамическая вторичная ионная масс-спектрометрия (DSIMS) — мощный инструмент для характеристики поверхностей, включая элементный, молекулярный и изотопный состав, и может использоваться для изучения структуры тонких пленок , состава полимеров и химии поверхности катализаторов . DSIMS была разработана Джоном Б. Фенном и Коичи Танакой в ​​начале 1980-х годов. DSIMS в основном используется в полупроводниковой промышленности .

Приложения

[ редактировать ]

Прибор COSIMA на борту Rosetta был первым [14] прибор для определения состава кометной пыли in situ с помощью вторично-ионной масс-спектрометрии во время близких сближений космического корабля с кометой 67P/Чурюмова-Герасименко в 2014–2016 гг .

SIMS используется в целях обеспечения качества в полупроводниковой промышленности. [15] и для характеристики природных образцов с этой планеты и других. [16] Совсем недавно этот метод стал применяться в ядерной судебной экспертизе, а наноразмерная версия SIMS, получившая название NanoSIMS, была применена к фармацевтическим исследованиям. [17]

SIMS можно использовать в криминалистике для снятия отпечатков пальцев. Поскольку SIMS является вакуумным методом, необходимо определить порядок его использования наряду с другими методами анализа отпечатков пальцев. Это связано с тем, что масса отпечатка пальца значительно уменьшается после воздействия условий вакуума. [18]

См. также

[ редактировать ]

Цитаты

[ редактировать ]
  1. ^ Томсон, Джей-Джей (1910). «Лучи положительного электричества» . Фил. Маг . 20 (118): 752–767. дои : 10.1080/14786441008636962 .
  2. ^ Херцог, РФК, Вихбек, Ф. (1949). «Источник ионов для масс-спектрографии». Физ. Преподобный . 76 (6): 855–856. Бибкод : 1949PhRv...76..855H . дои : 10.1103/PhysRev.76.855 . {{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
  3. ^ Хониг, Р.Э. (1958). «Распыление поверхностей пучками положительных ионов низкой энергии». Дж. Прил. Физ . 29 (3): 549–555. Бибкод : 1958JAP....29..549H . дои : 10.1063/1.1723219 .
  4. ^ Либл, HJ (1967). «Ионный микрозондовый масс-анализатор». Дж. Прил. Физ . 38 (13): 5277–5280. Бибкод : 1967JAP....38.5277L . дои : 10.1063/1.1709314 .
  5. ^ Кастан, Р. и Слодзиан, Г.Дж. (1962). «Пускулярная оптика - первые попытки микроанализа методом вторичной ионной эмиссии». Микроскопия . 1 :395–399.
  6. ^ Виттмак, К. (1975). «Предравновесное изменение выхода вторичных ионов». Межд. Дж. Масс-спектр. Ионная физика . 17 (1): 39–50. Бибкод : 1975IJMSI..17...39W . дои : 10.1016/0020-7381(75)80005-2 .
  7. ^ Маги, CW; Хониг, Ричард Э. (1978). «Вторичный ионный квадрупольный масс-спектрометр для разработки профиля глубины и оценки характеристик». Обзор научных инструментов . 49 (4): 477–485. Бибкод : 1978RScI...49..477M . дои : 10.1063/1.1135438 . ПМИД   18699129 .
  8. ^ Беннингховен, А. (1969). «Анализ субмонослоев серебра методом вторичной ионной эмиссии». Физический статус Solidi . 34 (2): К169–171. Бибкод : 1969ПССБР..34..169Б . дои : 10.1002/pssb.19690340267 .
  9. ^ С. Хофманн (2004). «Профилирование глубины распыления для анализа тонких пленок». Фил. Пер. Р. Сок. Лонд. А. ​ 362 (1814): 55–75. Бибкод : 2004RSPTA.362...55H . дои : 10.1098/rsta.2003.1304 . ПМИД   15306276 . S2CID   25704967 .
  10. ^ С. Ниномия; К. Ичики; Х. Ямада; Ю. Наката; Т. Секи; Т. Аоки; Дж. Мацуо (2009). «Точное и быстрое определение глубины профиля полимерных материалов масс-спектрометрией вторичных ионов с помощью пучков больших кластерных ионов Ar». Быстрая коммуникация. Масс-спектр . 23 (11): 1601–1606. Бибкод : 2009RCMS...23.1601N . дои : 10.1002/rcm.4046 . ПМИД   19399762 .
  11. ^ «Система ионной пушки цезия для установок CAMECA SIMS» . www.peabody-scientific.com/ . Проверено 8 ноября 2013 г.
  12. ^ «Пределы обнаружения SIMS выбранных элементов в Si и SiO 2 при нормальных условиях профилирования глубины» (PDF) . Аналитическая группа Эванса. 4 мая 2007 года . Проверено 22 ноября 2007 г.
  13. ^ Кауфман, Эй Джей; Сяо, С. (2003). «Высокие уровни CO 2 в протерозойской атмосфере оценены на основе анализа отдельных микрокаменелостей». Природа . 425 (6955): 279–282. Бибкод : 2003Natur.425..279K . дои : 10.1038/nature01902 . ПМИД   13679912 . S2CID   4414329 .
  14. ^ К. Энгранд; Ж. Киссель; Ф. Р. Крюгер; П. Мартин; Ж. Силен; Л. Тиркелл; Р. Томас; К. Вармуза (2006). «Хемометрическая оценка данных времяпролетной вторичной ионной масс-спектрометрии минералов в рамках будущего анализа кометного материала in situ с помощью COSIMA на борту ROSETTA». Быстрая связь в масс-спектрометрии . 20 (8): 1361–1368. Бибкод : 2006RCMS...20.1361E . дои : 10.1002/rcm.2448 . ПМИД   16555371 .
  15. ^ «Тестирование и характеристика» . Люсидеон . Проверено 28 февраля 2017 г.
  16. ^ «НЭРК Ионно-Микрозондовый Комплекс» . Эдинбургский университет: Школа геонаук . Проверено 28 февраля 2017 г.
  17. ^ Сюздак, Гэри (сентябрь 2023 г.). «Субклеточная количественная визуализация метаболитов на уровне органелл» . Природный метаболизм . 5 (9): 1446–1448. дои : 10.1038/s42255-023-00882-z . ISSN   2522-5812 .
  18. ^ Брайт, Николас Дж.; Уилсон, Терри Р.; Дрисколл, Дэниел Дж.; Редди, Субраял М.; Уэбб, Роджер П.; Блей, Стивен; Уорд, Нил И.; Киркби, Карен Дж.; Бейли, Мелани Дж. (10 июля 2013 г.). «Химические изменения, проявляемые скрытыми отпечатками пальцев после воздействия вакуума» . Международная судебно-медицинская экспертиза . 230 (1–3): 81–86. doi : 10.1016/j.forsciint.2013.03.047 . ISSN   0379-0738 . ПМИД   23622791 .

Общая библиография

[ редактировать ]
  • Беннингховен А., Рюденауэр Ф.Г., Вернер Х.В., Масс-спектрометрия вторичных ионов: основные концепции, инструментальные аспекты, приложения и тенденции , Wiley, Нью-Йорк, 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, Оксфорд, 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 по глубине и объемному анализу 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, Вайнхайм, Германия, 2002 г., ISBN   3-527-30458-4
[ редактировать ]
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Secondary_ion_mass_spectrometry&oldid=1227820860"
Arc.Ask3.Ru: конец переведенного документа.
Arc.Ask3.Ru
Номер скриншота №: d46637d6cd1fc78defb9f35f8722e59c__1717794660
URL1:https://arc.ask3.ru/arc/aa/d4/9c/d46637d6cd1fc78defb9f35f8722e59c.html
Заголовок, (Title) документа по адресу, URL1:
Secondary ion mass spectrometry - Wikipedia
Данный printscreen веб страницы (снимок веб страницы, скриншот веб страницы), визуально-программная копия документа расположенного по адресу URL1 и сохраненная в файл, имеет: квалифицированную, усовершенствованную (подтверждены: метки времени, валидность сертификата), открепленную ЭЦП (приложена к данному файлу), что может быть использовано для подтверждения содержания и факта существования документа в этот момент времени. Права на данный скриншот принадлежат администрации Ask3.ru, использование в качестве доказательства только с письменного разрешения правообладателя скриншота. Администрация Ask3.ru не несет ответственности за информацию размещенную на данном скриншоте. Права на прочие зарегистрированные элементы любого права, изображенные на снимках принадлежат их владельцам. Качество перевода предоставляется как есть. Любые претензии, иски не могут быть предъявлены. Если вы не согласны с любым пунктом перечисленным выше, вы не можете использовать данный сайт и информация размещенную на нем (сайте/странице), немедленно покиньте данный сайт. В случае нарушения любого пункта перечисленного выше, штраф 55! (Пятьдесят пять факториал, Денежную единицу (имеющую самостоятельную стоимость) можете выбрать самостоятельно, выплаичвается товарами в течение 7 дней с момента нарушения.)