Spektrometria mas jonów wtórnych

Spektrometria mas jonów wtórnych (SIMS) to metoda fizyki powierzchni / chemii powierzchni , którą można wykorzystać do analizy składu próbki; jest to zatem szczególna forma spektrometrii mas .

Podobnie jak spektrometria mas wtórnych cząstek obojętnych (SNMS) , spektrometria rozpraszania wstecznego Rutherforda (RBS) i spektroskopia rozpraszania jonów niskoenergetycznych (LEIS ), SIMS jest jedną z technik wykorzystujących wiązkę jonów . Dzięki SIMS próbka jest bombardowana jonami pierwotnymi , które następnie uwalniają jony wtórne do analizy .

funkcjonalność

Próbka jest wykonana z jonów pierwotnych , które są atomowe lub molekularne ( O 2 + , Cs + , Ga + , Ar + , Bi + ) lub jonów klastrowych (SF 5 + , Au 3 + , Bi 3 + , Bi 2 3+ ) puszka, bombardowana energią 0,2–30 keV. W ten sposób powstają zarówno cząstki neutralne, jak i naładowane dodatnio lub ujemnie, jony wtórne. Cząstki obojętne, które stanowią ponad 90% emitowanego materiału, są tracone w SIMS do analizy. Naładowane cząstki są oddzielane za pomocą analizatorów masy (filtrów masy). Najczęstszym są kwadrupolowy analizator masowy The time-of-flight analizator masowy , a analizator masowy pole sektor . Dwie ostatnie osiągają masowe rozdzielczości . Dzięki temu można oddzielić np. jony Al + , BO + i C 2 H 3 + , chociaż wszystkie trzy mają masę nominalną 27 amu . Po przejściu przez analizator jony docierają do detektora lub grupy detektorów. Do oceny składu wykorzystywana jest intensywność sygnału jako miara ilości cząstek. Stosowane zwykle płytki mikrokanałowe lub powielacze elektronów są w stanie wykryć pojedyncze jony.

budowa

Dynamiczny schemat SIMS

Urządzenie SIMS składa się z:

1: działo jonowe,
2: jednostka, która przyspiesza jony i skupia je na próbce (i ewentualnie pulsuje wiązkę jonów),
3: komora wysokiej próżni z próbką i soczewką dla jonów wtórnych,
4: próbka,
5: filtr energii,
6: spektrometr mas
i jednostka detekcyjna: jak
  • 7: mnożnik elektronowy
  • lub 8: płyta kanałowa z ekranem fluorescencyjnym.

zaangażowanie

Mimo opisanego powyżej ubytku materiału SIMS jest bardzo czułą metodą analityczną (granica wykrywalności w zakresie ppm dla wszystkich pierwiastków), ale także metodą niszczącą materiał, ponieważ podczas pomiaru, oprócz usunięcia materiału, skład a morfologia próbki również poprzez wprowadzenie do próbki jonów pierwszorzędowych ulega zmianie.

SIMS mogą działać w różnych trybach. W trybie profilu głębokości skład próbki, zaczynając od powierzchni próbki, jest badany dogłębnie, z rozdzielczością głębokości rzędu kilku nanometrów osiąganą przy próbkowanej głębokości do kilku mikrometrów. W trybie obrazowania SIMS dostarcza informacji o rozmieszczeniu poprzecznym pierwiastków lub związków chemicznych na powierzchni próbki i pracuje w formie mikroskopu jonowego . Rozdzielczość poprzeczna w trybie obrazowania zależy od urządzenia, ale waha się od 50 nm do 1 µm. Łącząc te dwa tryby pracy, rozkłady można wyraźnie pokazać za pomocą obrazów 3D i ułatwić interpretację procesów na powierzchni i wewnątrz próbki do głębokości kilku µm. Jednym z głównych obszarów zastosowania obecnie SIMS jest analiza półprzewodników i cienkich warstw, a także badanie zanieczyszczeń organicznych na powierzchniach.

NanoSIMS

Tak zwany NanoSIMS stanowi dalszy rozwój tej metody.Oprócz własnej wysokiej rozdzielczości głębi SIMS, poprzeczne rozszerzenie wiązki jonów na próbce może być dalej zredukowane przez zastosowanie odpowiednich źródeł jonów. Dodatkowo zastosowano magnetyczny spektrometr mas, który pozwala na wysoką transmisję i jednocześnie wysoką rozdzielczość masową. Dzięki temu można uzyskać rozdzielczość przestrzenną do 30 nm przy zachowaniu wysokiej czułości i identyfikacji izotopowej. Możliwa jest również równoległa analiza ilościowa kilku liczb masowych (tj. kilku izotopów) z tej samej objętości. W badaniach energetycznych NanoSIMS pomaga scharakteryzować materiały nanostrukturalne o złożonym składzie, które są coraz ważniejszymi kandydatami do wytwarzania i przechowywania energii. W próbkach biologicznych można wyróżnić kombinacje izotopów 12 C 15 N i 13 C 14 N, co pozwala np. na zbadanie spożycia pokarmu czy aktywności biologicznej oraz określenie miejsca instalacji w komórce. Dalsze zastosowania NanoSIMS można znaleźć również w badaniach materiałowych, kosmologii i geologii, w tym do wysokorozdzielczych pomiarów pierwiastków śladowych, do określania wieku i dowodu pochodzenia na podstawie składu izotopowego.

historia

źródło świeżego ciekłego metalu jonów

Technologia sięga JJ Thomsona , który zaobserwował emisję dodatnio naładowanych jonów wtórnych, gdy powierzchnia była bombardowana jonami w 1910 roku. W 1949 Franz Viehböck i Richard Herzog (RFK Herzog, Uniwersytet Wiedeński) zbudowali pierwszy prototyp SIMS z analizą spektrometryczną jonów wtórnych. Dalsze ulepszenia w optyce jonowej zostały wprowadzone przez RFK Herzog i Helmut Liebl, a kolejny prototyp powstał w RCA Laboratories w USA. SIMS został opracowany w Paryżu przez Georgesa Słodziana i Raimonda Castainga w 1960 roku (Uniwersytet Paris-South). W 1968 roku doprowadziło to do powstania dostępnego na rynku urządzenia firmy Cameca (IMS-300), która jest obecnie jednym z najważniejszych międzynarodowych komercyjnych producentów SIMS. W GCA Corporation Liebl i Herzog niezależnie opracowali urządzenie dla NASA do analizy skał księżycowych. W efekcie w Applied Research Laboratories (ARL) powstał analizator masy mikroprobów jonowych (IMMA), który wszedł na rynek w 1967 roku. Oba urządzenia wykorzystywały jony argonu i spektrometr masowy z sektorem magnetycznym. W latach 70. K. Wittmaack i C. Magee opracowali SIMS z kwadrupolowymi spektrometrami masowymi. Na tej podstawie powstało urządzenie opracowane na Uniwersytecie w Chicago przez Riccardo Levi-Settiego w latach 70. (UC-HRL SIMS) Levi-Setti był również jednym z pierwszych, który wykorzystał techniki emisji polowej do generowania jonów ( skoncentrowana wiązka jonów ) ( także J. Orloff, L. Swanson). Na początku lat 80. źródła jonów ciekłych metali (LMIS) z galem przyniosły znacznie lepszą rozdzielczość SIMS (źródła punktowe poprzez jonizację polową metali z ostrych końcówek). Pierwsze urządzenia ze źródłem jonów ciekłego metalu wykonali R. Seliger i in. Zbudowany w 1978 roku.

Statyczne SIMS zostały opracowane od 1969 roku na Uniwersytecie w Münster przez Alfreda Benninghovena i in. który zbadał tylko cienkie warstwy powierzchniowe próbki przy minimalnym zniszczeniu próbki.

literatura

  • Heinz Düsterhöft , Miklos Riedel, Bettina-Kirsten Düsterhöft: Wprowadzenie do spektrometrii masowej jonów wtórnych (SIMS). Zeszyty do nauki Teubnera, 2001
  • A. Benninghoven, FG Rüdenauer, HW Werner Spektrometria mas wtórnych jonów: podstawowe pojęcia, aspekty instrumentalne, zastosowania i trendy , Wiley, Nowy Jork, 1987

Indywidualne dowody

  1. ↑ Nowo opracowana mikrosonda jonowa nanosymów otwiera nowe okno w kosmos.Informacja prasowa Instytutu Chemii Maxa Plancka ( Memento z 5 stycznia 2011 r. w archiwum internetowym )
  2. ↑ [1] , Sebastian Behrens i in. Łączenie filogenezy drobnoustrojów z aktywnością metaboliczną na poziomie pojedynczej komórki za pomocą ulepszonego znakowania pierwiastków katalizowanego osadzania reporterowego, hybrydyzacji fluorescencji in situ (EL-FISH) i nanoSIMS
  3. ↑ Promienie dodatniej elektryczności Thomsona , Philosophical Magazine, 20, 1910, 252
  4. ↑ Herzog, Viehböck Źródło jonów do spektrometrii masowej , Physical Review, tom 76, 1949, 855L. Viehböck był doktorantem Herzoga.
  5. ↑ RE Honey Sputtering powierzchni za pomocą dodatnich wiązek jonów o niskiej energii , J. Appl. Fiz. 29, 1958, 549-555
  6. ↑ Castaing, Słodzian Optique corpusculaire - premiery esais de micro analysis par emisja ionique secondaire , J. Microscopie 1, 1962, 395-399, to samo: Compte Rendus Acad. Sci., 255, 1962, 1893. Słodzian był absolwentem Castainga.
  7. ↑ Liebl Ion analizator masy mikrosondy , J. Appl. fiz., 38, 1967, 5277-5280
  8. ↑ HRL oznacza Hughes Research Laboratories w Malibu (Kalifornia), UC dla University of Chicago
  9. ↑ WH Escovitz, TR Fox, R. Levi-Setti Skaningowy transmisyjny mikroskop jonowy z polowym źródłem jonów , Proceedings of the National Academy of Sciences (USA), 72 (5), 1975, 1826
  10. ↑ R. Seliger, JW Ward, V. Wang, RL Kubena Skanująca sonda jonowa o wysokiej intensywności z submikrometrową wielkością plamki , Appl. Fiz. Łotysz. 34 (5), 1979, 310