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          中級(jí)會(huì)員 | 第10年

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          TOF-SIMS飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀離子源的選擇

          時(shí)間:2024/8/29閱讀:399
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          TOF-SIMS(Time of Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)飛行時(shí)間二次離子質(zhì)譜儀的基本組件包括一次離子束,和用于樣品深度剖析的離子束。主離子束被脈沖化以供飛行時(shí)間質(zhì)譜儀進(jìn)行分析使用。鉍基液態(tài)金屬離子槍(LMIGs)是商業(yè)ToF-SIMS中常用的離子源。與金等其他LMIG源相比,鉍基離子源可以在較低的溫度下工作,并能產(chǎn)生用于分析的離子簇(例如Bi3+)。這些離子束可以緊密聚焦,以實(shí)現(xiàn)高空間分辨率(<200nm),并在測(cè)量過程中表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性。

          亞表面分析可通過在雙束模式操作來實(shí)現(xiàn),包括交替使用用于分析的主離子束和用于刻蝕樣品的低能量(通常在100eV和20keV之間)高電流的第二離子束。通過使用兩束,LMIG用于分析的優(yōu)勢(shì)與具有高深度分辨率的均勻蝕刻能力相結(jié)合。1簇離子特別適用于有機(jī)和軟材料的深度剖面分析,因?yàn)樗鼈儾粫?huì)深入材料內(nèi)部,從而保留了表面下的結(jié)構(gòu)。2,3圖A展示了氬簇離子撞擊表面時(shí)的分子動(dòng)力學(xué)模擬快照。隨著簇尺寸的增大,損傷逐漸局限于材料表面。4,5多種多原子離子已被測(cè)試并應(yīng)用于軟材料的深度分析,包括SF5+和C602+,6,7并且氬簇離子已被證明是軟材料量化深度剖面分析的z佳選擇。8,9氬氣簇離子源提供了調(diào)節(jié)簇大小和原子能量比的可能性,以提高二次離子信號(hào)強(qiáng)度和深度分辨率。8,10-13這些功能現(xiàn)在可在商業(yè)TOF-SMIS系統(tǒng)中使用。Ter-lier等人將Cs+、C602+和Ar1500+的性能進(jìn)行了比較,以評(píng)估它們?cè)趫A柱形樣品(如定向塊狀共聚物薄膜)中的深度剖面分析能力。作者發(fā)現(xiàn),相較于Cs+,使用多原子簇離子可以更加均勻地進(jìn)行深度剖面分析。14另一項(xiàng)研究使用Ar2000+對(duì)含有多達(dá)50層聚苯乙烯(PS)和聚乙烯吡咯烷酮交替層的多層膜進(jìn)行深度預(yù)排分析,層的厚度為40-370nm不等。通過使用Ar2000+進(jìn)行刻蝕,能夠清楚地分辨出層結(jié)構(gòu),即使是50層樣品且總深度超過15微米的情況,如圖B所示。9另一項(xiàng)研究通過刻蝕穿過多層真空沉積的有機(jī)抗氧化穩(wěn)定劑來比較多原子氬簇(Ar2000+和Ar2500+)和C602+的深度分辨率,發(fā)現(xiàn)氬簇產(chǎn)生的蝕刻更加均勻,深度分辨率更好,半高全寬(fwhm)為5nm3。


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          圖A.用Arn(n = 18、250、1000和2500)集束彈丸轟擊后3 ps時(shí)時(shí)間演化快照的橫截面和放大側(cè)視圖的分子動(dòng)力學(xué)模擬。
          圖B. Ar2000+簇離子ToF-SIMS深度剖面實(shí)驗(yàn)的假彩色圖像。樣品由50層交替的聚苯乙烯和聚乙烯軟熱解酮組成,其中每層厚度約為300 nm,樣品總厚度為15 μm。

          深度分辨率取決于材料、簇大小、束流電流和束能。一般來說,與X射線和中子反射率(NR)相比,ToF-SIMS的深度分辨率較低。根據(jù)樣品化學(xué)性質(zhì)和濺射槍類型,可以通過樣品冷卻和旋轉(zhuǎn)來提高深度分辨率。對(duì)真空沉積的交替有機(jī)多層結(jié)構(gòu)(厚層約50nm、薄層約3nm抗氧化層)進(jìn)行了研究,并發(fā)現(xiàn)這些抗氧化層在ToF-SIMS中易于區(qū)分。Sj?vall等人證明,當(dāng)使用C602+進(jìn)行深度剖面分析時(shí),為了分辨樣品中的薄“三角"層,必須對(duì)樣品進(jìn)行冷卻(至-80°C)或旋轉(zhuǎn)(頻率為14Hz)。如果沒有樣品旋轉(zhuǎn)或足夠的冷卻,深度分辨率會(huì)顯著下降,并且觀察到隨著深度的增加,濺射產(chǎn)額會(huì)降低。15然而,隨后的研究采用了氬簇離子(這是一種常用于聚合物深度剖析的源),發(fā)現(xiàn)無需旋轉(zhuǎn)或冷卻,可清晰地分辨出δ層。四家獨(dú)立工作的實(shí)驗(yàn)室能夠使用氬離子束進(jìn)行深度分析,清晰地分辨出每個(gè)δ層,其位置差異最大可達(dá)3納米。

          ToF-SIMS儀器的其他組件包括靜電反射鏡、真空系統(tǒng)和電子中和槍。需要一個(gè)真空環(huán)境(< 108mbar),通過去除揮發(fā)性成分來防止表面污染,增加二次離子的平均自由程,并實(shí)現(xiàn)高壓而不擊穿或放電。6電子轟擊槍用于在分析過程中中和或最小化表面電荷,電子轟擊槍與交流初級(jí)束脈沖周期性(約1:10占空比)工作。

           
           
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