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【儀器網(wǎng) 使用手冊(cè)】二次離子質(zhì)譜是一種非常靈敏的表面成份精密分析儀器，它是通過高能量的一次離子束轟擊樣品表面，使樣品表面的分析吸收能量而從表面發(fā)生濺射產(chǎn)生二次粒子，通過質(zhì)量分析器收集、分析這些二次離子，就可以得到關(guān)于樣品表面信息的圖譜。它利用電子光學(xué)方法把惰性氣體等初級(jí)離子加速并聚焦成細(xì)小的高能離子束轟擊樣品表面，使之激發(fā)和濺射二次離子，經(jīng)過加速和質(zhì)譜分析，分析區(qū)域可降低到1-2μm直徑和5nm的深度，正是適合表面成分分析的功能，它是表面分析的典型手段之一。
應(yīng)用離子照射樣品產(chǎn)生二次離子的基礎(chǔ)研究工作初是R.H.斯隆(1938)和R.F.K.赫佐格(1949)等人進(jìn)行的。1962 年R.卡斯塔因和G.斯洛贊在質(zhì)譜法和離子顯微技術(shù)基礎(chǔ)上研制成了直接成像式離子質(zhì)量分析器。1967 年H.利布爾在電子探針概念的基礎(chǔ)上，用離子束代替電子束，以質(zhì)譜儀代替X 射線分光計(jì)研制成掃描式離子探針質(zhì)量顯微分析儀。
二次離子質(zhì)譜(SIMS)比其他表面微區(qū)分析方法更靈敏。由于應(yīng)用了中性原子、液態(tài)金屬離子、多原子離子和激光一次束，后電離技術(shù)，離子反射型飛行時(shí)間質(zhì)量分析器，離子延遲探測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)等，使得新型的IWHI的一次束能量提高到MeV，束斑至亞μm，質(zhì)量分辨率達(dá)到15000，橫向和縱向分辨率小于0.5μm和5nm，探測(cè)限為ng/g，能給出二維和三維圖像信息。SIMS已發(fā)展為一種重要的材料成分分析方法，在微電子、光電子、材料科學(xué)、催化、薄膜和生物領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。
離子探針的原理是利用能量為1～20KeV的離子束照射在固體表面上，激發(fā)出正、負(fù)離子(濺射)，利用質(zhì)譜儀對(duì)這些離子進(jìn)行分析，測(cè)量離子的質(zhì)荷比和強(qiáng)度，從而確定固體表面所含元素的種類和數(shù)量。
被加速的一次離子束照射到固體表面上，打出二次離子和中性粒子等，這個(gè)現(xiàn)象稱作濺射。濺射過程可以看成是單個(gè)入射離子和組成固體的原子之間獨(dú)立的、一連串的碰撞所產(chǎn)生的。左圖說明入射的一次離子與固體表面的碰撞情況。
入射離子一部分與表面發(fā)生彈性或非彈性碰撞后改變運(yùn)動(dòng)方向，飛向真空，這叫作一次離子散射；另外有一部分離子在單次碰撞中將其能量直接交給表面原子，并將表面原子逐出表面，使之以很高能量發(fā)射出去，這叫作反彈濺射；然而在表面上大量發(fā)生的是一次離子進(jìn)入固體表面，并通過一系列的級(jí)聯(lián)碰撞而將其能量消耗在晶格上，后注入到一定深度(通常為幾個(gè)原子層)。固體原子受到碰撞，一旦獲得足夠的能量就會(huì)離開晶格點(diǎn)陣，并再次與其它原子碰撞，使離開晶格的原子增加，其中一部分影響到表面，當(dāng)這些受到影響的表面或近表面的原子具有逸出固體表面所需的能量和方向時(shí)，它們就按一定的能量分布和角度分布發(fā)射出去。通常只有2-3個(gè)原子層中的原子可以逃逸出來，因此二次離子的發(fā)射深度在1nm左右。可見，來自發(fā)射區(qū)的發(fā)射粒子無疑代表著固體近表面區(qū)的信息，這正是SISM能進(jìn)行表面分析的基礎(chǔ)。
一次離子照射到固體表面引起濺射的產(chǎn)物種類很多，其中二次離子只占總濺射產(chǎn)物的很小一部分(約占0.01-1%)。影響濺射產(chǎn)額的因素很多，一般來說，入射離子原子序數(shù)愈大，即入射離子愈重，濺射產(chǎn)額愈高；入射離子能量愈大，濺射產(chǎn)額也增高，但當(dāng)入射離子能量很高時(shí)，它射入晶格的深度加大將造成深層原子不能逸出表面，濺射產(chǎn)額反而下降。
SIMS的基本原理：(1)利用聚焦的一次離子束在樣品上穩(wěn)定的進(jìn)行轟擊，一次離子可能穿透固體樣品表面的一些原子層深入到一定深度，在穿透過程中發(fā)生一系列彈性和非彈性碰撞。一次離子將其部分能量傳遞給晶格原子，這些原子中有一部分向表面運(yùn)動(dòng)，并把能量的一部分傳遞給表面粒子使之發(fā)射，這種過程稱為粒子濺射。在一次離子束轟擊樣品時(shí)，還有可能發(fā)生另外一些物理和化學(xué)過程：一次離子進(jìn)入晶格，引起晶格畸變；在具有吸附層覆蓋的表面上引起化學(xué)反應(yīng)等等。濺射粒子大部分為中性原子和分子，小部分為帶正、負(fù)電荷的原子、分子和分子碎片；(2)電離的二次粒子(濺射的原子、分子和原子團(tuán)等)按質(zhì)荷比實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜分離；(3)收集經(jīng)過質(zhì)譜分離的二次離子，可以得知樣品表面和本體的元素組成和分布。在分析過程中，質(zhì)量分析器不但可以提供對(duì)應(yīng)于每一時(shí)刻的新鮮表面的多元素分析數(shù)據(jù)，而且還可以提供表面某一元素分布的二次離子圖像。
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