二次离子质谱二次离子质谱(SIMS) Secondary Ion Mass Spectroscopy 质质谱谱分分析析是是将将样样品品转转化化为为运运动动的的带带电电气气态态离离子子碎碎片片，于于磁场中按质荷比磁场中按质荷比(m/z)(m/z)大小分离并记录的分析方法。大小分离并记录的分析方法。其过程为可简单描述为：其过程为可简单描述为：离子源离子源轰击样品轰击样品带电荷的带电荷的碎片离子碎片离子电场加速电场加速(zeU) 获得动能获得动能(1/2mV2)磁场分离磁场分离(m/z)检测器记录检测器记录 其中，其中，z z为电荷数，为电荷数，e e为电子电荷，为电子电荷，U U为加速电压，为加速电压，m m为碎为碎片质量，片质量，V V为电子运动速度。为电子运动速度。质谱分析质谱分析基本原理基本原理质谱仪器一般具备以下几质谱仪器一般具备以下几个部分：个部分：进样系统进样系统、离子离子源源、质量分析器质量分析器和和检测器检测器，除此之外，质谱仪需在高除此之外，质谱仪需在高真空下进行工作（离子源：真空下进行工作（离子源：1010-3 -3 1010-5 -5 PaPa ，质量分析质量分析器：器：10 10 -6 -6 PaPa），因此还有），因此还有真空系统真空系统？质谱仪质谱仪基本结构基本结构质谱仪基本结构1.大量氧会烧坏离子源的灯丝；2.用作加速离子的几千伏高压引起放电；3. 引起额外的离子分子反应，改变裂解模型，使谱图复杂化。二次离子质谱分析二次离子质谱分析v二次离子质谱二次离子质谱 一定能量的离子打到固体表面会引起表面原一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、分子或原子团的二次发射，即离子溅射。溅子、分子或原子团的二次发射，即离子溅射。溅射的粒子一般以中性为主，其中有一部分带有正、射的粒子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷，这就是二次离子。利用质量分析器接收负电荷，这就是二次离子。利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱。分析二次离子就得到二次离子质谱。 SIMS 基本工作原理基本工作原理 样品表面被高能聚焦的一次离子轰击时，一次离子注入被分析样品，把动能传递给固体原子，通过层叠碰撞，引起中性粒子和带正负电荷的二次离子发生溅射，根据溅射的二次离子信号，对被轰击样品的表面和内部元素分布特征进行分析。 SIMS工作原理示意图SIMS 入射离子与样品的相互作用入射离子与样品的相互作用 v动力学级联碰撞模型动力学级联碰撞模型 在高能一次离子作用下，通过一系列双体碰撞后，由样品内到达表面或接近表面的反弹晶格原子获得了具有逃逸固体所需的能量和方向时，就会发生溅射现象。SIMS 入射离子与样品的相互作用入射离子与样品的相互作用 v离子溅射离子溅射描描述述溅溅射射现现象象的的主主要要参参数数是是溅溅射射阈阈能能和和溅溅射射产产额额。溅溅射射阈阈能能指指的的是是开开始始出出现现溅溅射射时时，初初级级离离子所需的能量。子所需的能量。溅溅射射产产额额决决定定接接收收到到的的二二次次离离子子的的多多少少，它它与与入入射射离离子子能能量量、入入射射角角度度、原原子子序序数数均均有有一一定定的关系，并与的关系，并与靶材晶格取向靶材晶格取向有关。有关。 SIMS 二次离子质谱仪二次离子质谱仪 二次离子质谱仪主二次离子质谱仪主要由五部分组成：要由五部分组成：主真空室主真空室样品架及送样系统样品架及送样系统离子枪离子枪二次离子分析器二次离子分析器离子流计数及数据离子流计数及数据处理系统处理系统SIMS 二次离子质谱仪二次离子质谱仪 v二次离子质谱仪二次离子质谱仪-离子枪离子枪 离子枪一般分为离子枪一般分为双等离子体离子源、金属表面直接双等离子体离子源、金属表面直接加热离子源和液态金属离子源加热离子源和液态金属离子源。双等离子体离子源提供双等离子体离子源提供O O2 2+ +、O O- -、ArAr+ +和和XeXe+ +。亮度高，束亮度高，束斑可达斑可达1-21-2 m m，可用于离子探针和成像分析。，可用于离子探针和成像分析。金属表面直接加热离子源提供金属表面直接加热离子源提供CsCs+ +。级联碰撞效应小，。级联碰撞效应小，纵向分析时深度分辨率高。纵向分析时深度分辨率高。液液态态金金属属离离子子源源提提供供GaGa+ +。束束斑斑可可聚聚焦焦很很小小，20-20020-200n nm m，空间分辨率高。，空间分辨率高。SIMS 二次离子质谱仪二次离子质谱仪 v液态金属离子源液态金属离子源金属镓熔融（熔点：）后，依靠表面张力覆盖在钨丝的尖端，形成一个锥体。液态镓在强静电场的作用下发生场致电离现象，形成离子Ga+，然后被萃取电极引出并准直。SIMS 二次离子质谱仪二次离子质谱仪 v二次离子质谱仪二次离子质谱仪-质谱分析器质谱分析器二次离子分析早期采用二次离子分析早期采用磁质谱磁质谱仪仪，其质量分辨率和检其质量分辨率和检测灵敏度高，测灵敏度高，但仪器复杂、成本高。但仪器复杂、成本高。表面分析的静态表面分析的静态SIMS中，几乎都采用中，几乎都采用四级杆质谱仪四级杆质谱仪，没有磁场、结构简单、操作方便、成本低没有磁场、结构简单、操作方便、成本低，可以采用，可以采用能量很低的一次束轰击样品能量很低的一次束轰击样品。飞行时间质谱飞行时间质谱仪仪分析速度快、流通率高，可以测量高分析速度快、流通率高，可以测量高质量数的离子，质量数的离子，常被用来检测样品表面的有机物沾污常被用来检测样品表面的有机物沾污。 SIMS 二次离子质谱仪二次离子质谱仪 双聚焦磁二次离子质谱仪双聚焦磁二次离子质谱仪SIMS 二次离子质谱仪二次离子质谱仪 飞行时间二次离子质谱仪飞行时间二次离子质谱仪SIMS 主要功能主要功能 v质谱质谱分析分析 一次离子束扫描样品表面， 质谱仪同时扫描质量范围，按荷质比收集各种二次粒子，得出二次粒子的质谱图。通过分析，可以得到样品受检测区的元素组成信息以及各种元素的相对强度。 SIMS 主要功能主要功能 v深度剖面分析深度剖面分析 逐层剥离表面的原子层，提取溅射坑中央的二次离子信号。质谱仪同步监测一种或数种被分析元素，收集这些元素的二次离子强度，即可形成二次离强度-样品深度的深度剖析图，就可以得到各种成分的深度分布信息。硅样品深度剖析元素组分分析SIMS 主要功能主要功能 v成二次离子像成二次离子像 1.离子显微镜模式 2.离子探针模式两种模式下SlMS成像功能优劣的简单比较SIMS 主要功能主要功能 v成二次离子像成二次离子像SIMS 主要功能主要功能 v有机物分析有机物分析 静态SIMS是一种软电离分析技术，在有机物特别是不蒸发、热不稳定有机物分析方面的应用近来得到迅速的发展。 沉积在Ag上的维生素B12的静态SIMS SIMS 主要特点主要特点 v优点优点极限可达ppm，甚至ppb量级；5.能进行微区成分的成象及深度剖面分析。v缺点缺点1.定量差，识谱有一定难度；2.需要平整的表面进行分析；3.属破坏性分析技术 。