《现代分析技术》SIMS.ppt

* 二次离子质谱 (Secondary Ion Mass Spectrometry 简称 SIMS) 一、简介 二、离子与表面的相互作用 三、溅射的基本规律 四、二次离子发射的基本规律 五、二次离子质谱分析技术 六、二次离子分析方法 七、二次离子质谱的研究新方向 八、总结 一、简介 SIMS是一种重要的材料成分分析方法，在微电子、 光 电子、材料科学、催化、薄膜和生物领域有广泛应用。 一次束：具有一定能量的离子 检测信息：产生的正、负二次离子的质量谱 (或m/e谱) SIMS的主要特点： 1. 具有很高的检测极限 对杂质检测限通常为ppm，甚至达ppb量级 2. 能分析化合物，得到其分子量及分子 结构的信息 3. 能检测包括氢在内的所有元素及同位素 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 SIMS的原理示意图 二、离子与表面的相互作用 离子束与表面的相互作用，用单个离子与表面 的作用来处理，通常： 一次束流密度 10－6A/cm2 一个离子与表面相互作用总截面 10nm2 一个离子与表面相互作用引起各种过程弛豫时间 10－12秒 一次离子 固体表层 发射出表面 背散射离子 溅射原子、分子和原子团 (中性、激发态或电离) 反弹溅射 留在固体内 离子注入 反弹注入 离子与固体表面相互作用引起的重粒子发射过程 溅射 (Sputtering)现象：粒子获得离开表面的动量，且其能量大于体内结合能时产生二次发射，这种现象叫做溅射。 其它效应… 三、溅射的基本规律 (实验规律) 1. 研究溅射的重要性： SIMS的分析对象是溅射产物－正、负二次离子 溅射的多种用途： 在各种分析仪器中产生深度剖面 清洁表面 减薄样品 溅射镀膜 真空获得(溅射离子泵) 2. 溅射产额 (S)： 一个离子打到固体表面上平均溅射出的粒子数。 与下列因素有关： (1) 入射离子能量 (2) 一次离子入射角 (3) 入射离子原子序数 (4) 样品原子序数 (5) 靶材料的晶格取向 通常，当入射离子能量在500eV-5keV时， 溅射产额为1－10 atom/ion。 溅射产物90％为中性粒子。 3. 溅射速率：单位时间溅射的厚度 其中 z：溅射速率 S: 溅射产额 Jp：一次束流密度 Ip：束流强度 M：靶原子原子量 ρ: 靶材料的密度 A：束斑面积 4. 特殊说明： Δ 溅射产额与样品表面关系甚大。 Δ 对于多组分的靶，由于溅射产额的不同会发生 择优溅射，使表面组分不同于体内。 四、二次离子发射的基本规律 1. 发射离子的种类 （1）纯元素样品 Δ 一价正、负离子及其同位素(保持天然丰度比) Δ 多荷离子：在质谱图上出现在一价离子质量数 的1/2、1/3处 Δ原子团 （2）通氧后 原子团及化合物 （3）有机物样品 分子离子、碎片离子 (给出化合物分子量及分子结构信息) 硅的二次离子质谱－－正谱图 硅的二次离子质谱－－负谱图 Si(111)注O2表面二次离子质谱