HMOTNOSTNÍ SPEKTROMETRIE SEKUNDÁRNÍCH IONTŮ (SIMS)
Metoda SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry) je hmotnostní spektrometrií atomárních a molekulárních iontů, které jsou emitovány při bombardování povrchu pevné látky energetickými primárními částicemi (ionty nebo atomy).
Proces, při kterém dochází k emisi atomárních a molekulárních částic v důsledku bombardování povrchu vzorku ionty, se nazývá odprašování. Většina odprašovaných částic je v neutrálním stavu. Pouze asi 1% je emitováno jako ionty. Analýza těchto sekundárních iontů hmotnostním spektrometrem (Obr.1) je základem metody SIMS.
Iontové odprašování
Iontové odprašování je eroze povrchu pevné látky při bombardování energetickými ionty (Obr.2). Vedle jednotlivých atomů terče jsou emitovány (odprašovány) i víceatomární částice (klastry, molekuly), elektrony a světelné záření. Jedná se o rychlý nerovnovážný netermální proces.
K emisi částic dochází již v prvních okamžicích srážkové kaskády, kdy velká část atomů terče je ještě v klidu (po ~ 100 fs po dopadu projektilu). Další vyražené atomy pokračují v pohybu uvnitř terčíku, dokud nejsou zpomaleny a nakonec zastaveny po srážkách s ostatními atomy. Primární iont se může od atomů terčíku odrazit a vyletět z pevné látky (zpětný rozptyl) anebo může být po mnoha srážkách zabrzděn v určité hloubce a zabudován uvnitř terčíku, t.j. dojde k jeho implantaci. Série srážek v pevné látce iniciovaná primárním iontem se nazývá srážková kaskáda. Důsledkem vzniku a odeznění srážkové kaskády je přemísťění atomů vzorku (většinou o malé vzdálenosti ~ 1-10 nm a v průměru isotropně do všech směrů).
Jak bylo dříve uvedeno, při iontovém odprašování jsou z terče emitovány atomy, molekuly, klastry, elektrony ionty a i. Pro metodu SIMS jsou však důležité ty odprašované částice, které jsou emitovány jako kladné nebo záporné ionty. Proto je klíčovým teoretickým parametrem metody iontový výtěžek β+ pro kladné, resp. β- pro záporné ionty, který je definován jako poměr počtu emitovaných sekundárních iontů a počtu všech emitovaných částic, tj. jedná se o pravděpodobnost ionizace odprašovaných částic.
Obr.3. Příklad spektra SIMS.
U metody SIMS existují čtyři základní režimy měření poskytující různé chemické a strukturní informace o povrchu pevné látky:
- Snímání spektra v širokém oboru hmotností poskytuje základní kvalitativní přehled o přítomnosti prvků na povrchu. Analýza rozpadových řad molekulárních iontů v hmotnostních spektrech může poskytnout informaci o struktuře složitých molekul adsorbovaných na povrchu.
- Objemová koncentrační analýza je zaměřená na dosažení maximální citlivosti. Toto je však doprovázeno zhoršením hloubkového a laterálního rozlišení.
- Hloubková koncentrační analýza (nejčastější režim měření) je užívána k měření koncentrace předem vybraných prvků jako funkce hloubky.
- Zobrazovací režim je používán na určení plošného rozložení předem vybraných prvků. V kombinaci s hloubkovým profilováním lze získat třírozměrnou chemickou informaci o rozložení vybraných prvků ve vzorku.
Přístroje SIMS
Nezbytnými částmi každého spektrometru sekundárních iontů jsou: zdroj primárních iontů, (s hmotnostním filtrem), iontová optika pro extrakci sekundárních iontů, energetický filtr, hmotnostní analyzátor a detektor iontů. Tyto části jsou umístěny ve vakuové komoře. Jednotlivé komponenty standardních, resp. komerčně vyráběných, spektrometrů SIMS jsou ilustrovány na přístroji sektorově-magnetickém s dvojitou fokusací (Obr. 4) a na přístroji typu TOF (Time Of Flight) SIMS (Obr. 5).
Obr.4. Dynamický sektorově-magnetický SIMS s dvojitou fokusací, který umožňuje zobrazovací režimy iontového mikroskopu i mikrosondy. 1. Duoplazmatron, 2. Iontový zdroj césia, 3. Hmotnostní filtr, 4. Apertury, elektrostatické čočky, 5. Vychylovací destičky, 6. Vakuová propust, 7. Vzorek, 8. Extrakční (imerzní) čočka, 9. Dynamické emitanční destičky, 10. Elektrostatické čočky (tři polohy pro tři různá zvětšení iontového obrazu), 11. Kontrastní clona, 12. Elektrostatický filtr, 13. Výstupní štěrbina filtru, 14. Čočka hmotnostního analyzátoru, 15. Magnetický sektor, 16. Výstupní štěrbina, 17. Projekční čočky, 18. Polohování svazku, 19. Elektrostatický sektor, 20. Faradayova klícka, 21. Elektronový násobič, 22. Kanálovací destička s fluorescenčním stínítkem.
Obr.5. Kombinovaný spektrometr TOF SIMS/Laser-SNMS . 1. Elektronově srážkový iontový zdroj, 2. Pulzovací kondenzátor, 3. Faraday-ova klícka, 4. Shlukovací kondenzátor, 5. Apertura, vychylování, unipotenciální čočka, 6. Vzorek, 7. Excimerový laser, 8. Křemenná čočka, 9. Extrakční čočka, 10. Volná (bez přítomnosti elektro-magnetického pole) letová dráha, 11. Reflektron, 12. Detektor (kanálovací destičky).
Jak již bylo uvedeno, metoda SIMS má různé možnosti využití. Hlavními přednostmi metody jsou vysoká citlivost, převyšující o několik řádů většinu ostatních metod povrchové analýzy, schopnost detekce všech prvků, možnost provádět izotopickou analýzu, velké plošné rozlišení a možnost zjišťovat koncentrační hloubkové profily prvků. Nevýhodou může být např. její destruktivnost a obtížnost kvantifikace dat. Největším uživatelem metody SIMS je mikroelektronický průmysl (výroba polovodičů, optoelektronických součástek, atd.), je však rovněž hojně využívána v geologii a v materiálovém výzkumu. Rychle narůstá počet měření a aplikací v biologii a ve farmakologii.
Naše aparatura pro SIMS.
Copyright (c) 2004 KEVF. All rights reserved.