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1、二次离子质谱(SIMS) Secondary Ion Mass Spectroscopy,质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子碎片，于磁场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。 其过程为可简单描述为：,离子源 轰击样品,带电荷的 碎片离子,电场加速(zeU) 获得动能(1/2mV2),磁场分离 (m/z),检测器记录,其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为碎片质量，V为电子运动速度。,质谱分析基本原理,质谱仪器一般具备以下几个部分：进样系统、离子源、质量分析器和检测器，除此之外，质谱仪需在高真空下进行工作（离子源：10-3 10-5 Pa ，质量分析器：10 -6 Pa
2、），因此还有真空系统？,质谱仪基本结构,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 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分析二次离子就得到二次离子质谱。,SIMS 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
3、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,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,离子溅射 描述溅射现象的主要参数是溅射阈能和溅射产额。溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离子所需的能量。 溅射产额决定接收到的二次离子的多少，它与入射离子能量、入射角度、原子序数均有一定的关系，并与靶材晶格取向有关。,SIMS 二次离子质谱仪,二次离子质谱仪主要由五部分组成
4、： 主真空室 样品架及送样系统 离子枪 二次离子分析器 离子流计数及数据处理系统,SIMS 二次离子质谱仪,二次离子质谱仪-离子枪 离子枪一般分为双等离子体离子源、金属表面直接加热离子源和液态金属离子源。 双等离子体离子源提供O2+、O-、Ar+和Xe+。亮度高，束斑可达1-2m，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Cs+。级联碰撞效应小，纵向分析时深度分辨率高。 液态金属离子源提供Ga+。束斑可聚焦很小，20-200nm，空间分辨率高。,SIMS 二次离子质谱仪,液态金属离子源 金属镓熔融（熔点： 29.8）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
5、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-质谱分析器 二次离子分析早期采用磁质谱仪，其质量分辨率和检测灵敏度高，但仪器复杂、成本高。 表面分析的静态SIMS中，几乎都采用四级杆质谱仪，没有磁场、结构简单、操作方便、成本低，可以采用能量很低的一次束轰击样品。 飞行时间质谱仪分析速度快、流通率高，可以测量高质量数的离子，常被用来检测样品表面的有机物沾污。,SIMS 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,飞行时间二次离子质谱仪,SIMS 主要功能,质谱分析 一次离子束扫描样品表面， 质谱仪同
6、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,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,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,成二次离子像,SIMS 主要功能,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,优点 1.检测极限可达ppm，甚至ppb量级； 2.能检测包括氢在内的所有元素及同位素； 3.分析化合物组分及分子结构； 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。,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 。,