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    二次离子质谱SIMS:原理与基本概念
    来源: 时间:2024-12-03 09:16:07 浏览:1087次

    二次离子质谱SIMS:原理与基本概念

     

    二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS)是一种高灵敏度的表面分析技术,广泛应用于材料科学、半导体制造、地质学和生物学等领域SIMS通过高能量的一次离子束轰击样品表面,使样品表面的原子或分子溅射出二次离子,然后通过质谱仪分析这些二次离子,从而获得样品表面的化学成分信息。

    一、基本原理

    1. 一次离子束轰击

    一次离子:一次离子通常是一些高能量的离子束,如氧离子、铯离子、氩离子等,这些一次离子的能量一般在几百电子伏特(eV)到几十千电子伏特(keV)之间。

    轰击过程:一次离子束在高真空条件下聚焦于样品表面,轰击样品表面的原子或分子;轰击过程中,一次离子与样品表面的原子发生弹性碰撞和非弹性碰撞,传递能量给样品表面的原子。

    2. 二次离子的产生

    弹性碰撞:一次离子与样品表面的原子发生弹性碰撞,传递动能给样品表面的原子,使其获得足够的能量从表面溅射出来。

    非弹性碰撞:一次离子与样品表面的原子发生非弹性碰撞,传递部分能量给样品表面的原子,使其发生电离,形成二次离子。

    二次离子:二次离子可以是正离子或负离子,包括单原子离子、分子离子和簇离子;二次离子的产额通常非常低,但在特定条件下(如使用氧离子或铯离子作为一次离子)可以显著提高。

    3. 质谱分析

    质量分析器:产生的二次离子被提取到质量分析器中,通过电场和磁场的作用,按照质荷比(m/z)进行分离。

    检测器:分离后的二次离子被检测器检测,生成质谱图;质谱图显示了不同质荷比的离子强度,从而提供了样品表面的化学成分信息。

    二、SIMS的基本概念

    1. 动态SIMS与静态SIMS

    动态SIMS:使用高能量、高电流的一次离子束,快速磨蚀样品表面,产生大量的二次离子动态SIMS主要用于深度剖析,可以提供样品纵向分布的信息,但对表面分子信息的保留较少。

    静态SIMS:使用低能量、低电流的一次离子束,缓慢磨蚀样品表面,产生少量的二次离子静态SIMS主要用于表面化学状态的分析,可以提供高分辨率的表面信息,适用于有机涂层、聚合物和生物样品的分析。

    2. 溅射产额

    定义:溅射产额是指单位时间内从样品表面溅射出来的原子或分子的数量。

    影响因素:溅射产额受一次离子的能量、入射角度、样品材料性质等因素的影响。例如,氧离子作为一次离子可以显著提高正离子的产额,而铯离子可以提高负离子的产额。

    3. 定量分析

    标准样品:为了进行定量分析,通常需要使用已知成分的标准样品进行校准。

    校正曲线:通过测量标准样品的二次离子强度,建立二次离子强度与样品成分之间的校正曲线,从而推算未知样品的成分。

    三、应用

    1. 材料科学SIMS可以检测样品中的微量元素,如半导体材料中的掺杂元素通过动态SIMS,可以分析样品的纵向分布,揭示不同深度的元素组成。

    2. 半导体制造SIMS可以精确测量半导体材料中的掺杂元素浓度,确保器件性能SIMS可以检测生产过程中的污染物,保证工艺的纯净度。

    3. 地质学SIMS可以分析矿物中的同位素组成,用于地球化学和年代学研究SIMS可以检测岩石和矿物中的微量元素,揭示地质过程。

    4. 生物学SIMS可以分析生物细胞的化学成分,揭示细胞的代谢过程和结构SIMS可以检测药物在细胞中的分布,评估药物的效果和安全性。

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    12条评论
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    全部 3小时前 四川
    文字是人类用符号记录表达信息以传之久远的方式和工具。现代文字大多是记录语言的工具。人类往往先有口头的语言后产生书面文字,很多小语种,有语言但没有文字。文字的不同体现了国家和民族的书面表达的方式和思维不同。文字使人类进入有历史记录的文明社会。
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