二次离子质谱基本规律和应用
二次离子质谱(SIMS)技术介绍(一)2024
二次离子质谱(SIMS)技术介绍（一）引言:二次离子质谱(SIMS)技术是一种可以分析物质表面组成和结构的先进技术。
它通过轰击样品表面的离子束，从而产生次级离子，然后利用质谱仪来分析并检测这些次级离子的质量和相对丰度。
本文将介绍SIMS技术的原理、仪器和应用。
正文：1. SIMS原理1.1 离子轰击过程1.1.1 离子束与样品的作用机制1.1.2 衰减效应对数据解析的影响1.1.3 电子对离子的俘获过程1.2 次级离子的产生与检测1.2.1 SIMS离子源的种类及特点1.2.2 二次离子产生的机制1.2.3 质谱仪的构成及原理2. SIMS仪器和操作2.1 SIMS仪器的主要组成2.1.1 离子源系统2.1.2 质谱分析系统2.1.3 控制与数据采集系统2.2 SIMS样品制备与操作要点2.2.1 样品的清洁与处理2.2.2 样品的固定与定位2.2.3 实验运行参数的选择与优化3. SIMS技术的应用领域3.1 材料科学与工程3.1.1 表面组成与化学状态分析 3.1.2 材料腐蚀与附着行为研究 3.1.3 材料表面改性与功能化研究 3.2 生命科学与生物医学3.2.1 细胞与组织样品的分析3.2.2 生物分子的分析与鉴定3.2.3 药物载体与药物释放研究 3.3 环境科学与地质学3.3.1 化学污染物的检测与追踪 3.3.2 地质样品的微观结构分析3.3.3 植物与土壤化学分析4. SIMS技术的优势与挑战4.1 优势4.1.1 高灵敏度与高分辨率4.1.2 可实现微区分析4.1.3 非破坏性测试4.2 挑战4.2.1 数据解析与定量分析问题4.2.2 多元素同时测量的复杂性4.2.3 低浓度元素和轻元素的分析难度5. 总结本文介绍了SIMS技术的原理、仪器和应用。
SIMS技术具有高灵敏度、高分辨率和非破坏性等优势，广泛应用于材料科学与工程、生命科学与生物医学、环境科学与地质学等领域。
然而，SIMS 技术在数据解析和多元素测量方面仍面临一些挑战。
二次离子质谱分析
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪主 要由五部分组成： 主真空室 样品架及送样系统 离子枪 二次离子分析器 离子流计数及数据 处理系统
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 二次离子质谱仪-离子枪
SIMS 基本工作原理
样品表面被高能聚焦的一 次离子轰击时，一次离子 注入被分析样品，把动能 传递给固体原子，通过层 叠碰撞，引起中性粒子和 带正负电荷的二次离子发 生溅射，根据溅射的二次 离子信号，对被轰击样品 的表面和内部元素分布特 征进行分析。
SIMS工作原理示意图
SIMS 入射离子与样品的相互作用
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 液态金属离子源
金属镓熔融（熔点： 29.8℃）后，依靠 表面张力覆盖在钨丝 的尖端，形成一个锥 体。液态镓在强静电 场的作用下发生场致 电离现象，形成离子 Ga+，然后被萃取电
极 引出并准直。
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 二次离子质谱仪-质谱分析器
➢ 二次离子分析早期采用磁质谱仪，其质量分辨率和检 测灵敏度高，但仪器复杂、成本高。
❖ 动力学级联碰撞模型
在高能一次离子作用下， 通过一系列双体碰撞后， 由样品内到达表面或接近 表面的反弹晶格原子获得 了具有逃逸固体所需的能 量和方向时，就会发生溅 射现象。
SIMS
入射离子与样品的相互作用
❖ 离子溅射 ➢ 描述溅射现象的主要参数是溅射阈能和溅射产
额。溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离 子所需的能量。
磁场分离 (m/z)
检测器记录
其中，z为电荷数，e为电子电荷，U为加速电压，m为 碎片质量，V为电子运动速度。
现代材料分析方法(8-SIMS)
Al+的流强随时间变化的曲线
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
Si的正二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
聚苯乙烯的二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
在超高真空条件下，在清 洁的纯Si表面通入20 L的氧 气后得到的正、负离子谱， 并忽略了同位素及多荷离 子等成份。除了有硅、氧 各自的谱峰外，还有SimOn (m,n = 1, 2, 3……)原子团离 子发射。应当指出，用氧 离子作为入射离子或真空 中有氧的成分均可观察到 MemOn (Me为金属)
SIMS 二次离子质谱仪
定性分析Biblioteka SIMS定性分析的目的是根据所获取的二次离子
质量谱图正确地进行元素鉴定。样品在受离子照射时，
一般除一价离子外，还产生多价离子，原子团离子，
一次离子与基体生成的分子离子。带氢的离子和烃离 子。这些离子有时与其它谱相互干涉而影响质谱的正 确鉴定。
SIMS 二次离子质谱仪
溅射产额与元素的升 华热倒数的对比
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
溅射产额与晶格取向的关系
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
在100~1000 eV下，用Hg+垂直入射Mo和Fe的溅射粒子的角分布
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
= 60o时W靶的溅射粒子的角分布
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
是入射方向与
样品法向的夹角。
当 = 60o~ 70o时， 溅射产额最大， 但对不同的材料， 增大情况不同。
相对溅射产额与离子入射角度的关系
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
溅射产额与入射离子原子序数的关系
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
二次离子质谱ppt
通过采用先进的磁场和电场设计，实现对离子 束的精确控制，提高离子的聚焦度和加速效率 ，从而提高分辨率和灵敏度。
新型二次离子质谱仪器的发展
微型化仪器
随着微制造技术的发展，研制微型化的二次离子质谱仪器具有更大的潜力。这种仪器具有 更小的体积、更轻的重量和更低的功耗，可适用于各种实际应用场景。
多元素分析能力
发展能够同时分析多种元素的二次离子质谱仪器，可以实现对样品中多种元素的同时分析 ，提高分析效率。
在线实时分析仪器
研制在线实时分析的二次离子质谱仪器，可以实现对生产过程中样品的质量监控，提供更 及时、准确的分析结果。
二次离子质谱与其他分析技术的联用
01
与色谱技术联用
将二次离子质谱与色谱技术联用，可以实现复杂样品中不同组分的分
二次离子质谱是一种基于离子束分析的方法，通过在样品表 面注入高能离子束，激发样品中的原子或分子，使其电离并 产生二次离子。
这些二次离子通过质量分析器按其质荷比进行分离，最终得 到样品的元素组成和化学态信息。
二次离子质谱的技术分类
根据不同的激发源，二次离子质谱可分为激光诱导二次离 子质谱、粒子束诱导二次离子质谱、场诱导二次离子质谱 等。
04
二次离子质谱的技术发展及最新研究进展
提高分辨率和灵敏度的方法
1 2 3
优化仪器设计
通过改进仪器设计，如采用更高效的离子光学 系统和更精密的离子检测系统，可以提高二次 离子质谱的分辨率和灵敏度。
采用先进的离子源
采用新型的离子源，如激光烧蚀离子源、场离 子源等，可以获得更高质量的离子束，从而提 高分辨率和灵敏度。
03
二次离子质谱的发展历程
技术起源与早期发展 技术发展重要阶段 技术最新进展与趋势
二次离子质谱 质谱原理与技术 华南理工大学现代化学分析原理与技术 化学分离
第二节 二次离子质谱(SIMS)
二次离子质谱是利用质谱法,分析初级离子入 射靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面 信息的一种方法。二次离子质谱可以分析包括氢 在内的全部元素，并能给出同位素的信息，分析 化合物组分和分子结构。二次离子质谱具有很高 的灵敏度，可达到ppm甚至ppb的量级，还可以 进行微区成分成像和深度剖面分析 。
一、离子溅射与二次离子质谱
一定能量的离子打到固体表面会引起 表面原子、分子或原子团的二次发射，即 离子溅射。溅射的粒子一般以中性为主， 其中有一部分带有正、负电荷，这就是二 次离子。利用质量分析器接收分析二次离 子就得到二次离子质谱。
❖离子溅射
➢ 描述溅射现象的主要参数是溅射阈能和溅射产 额。溅射阈能指的是开始出现溅射时，初级离 子所需的能量。
离子源
①Electron Ionization (EI)源
++
:
: R2
+
: R3
++
: R4 :e
(M-R2)+
(M-R1)+
(M-R3)+
M+
Mass Spectrum
EI 源的特点： 1.电离效率高,灵敏度高； 2.应用最广，标准质谱图基本都是采用EI源得到的； 3.稳定，操作方便，电子流强度可精密控制； 4.结构简单，控温方便；
43
29 15
57
71 85 99 113 142
m/z
质谱分析特点
（1）应用范围广。测定样品可以是无机物，也可以是 有机物。应用上可做化合物的结构分析、测定原子量与 相对分子量、同位素分析、生产过程监测、环境监测、 热力学与反应动力学、空间探测等。被分析的样品可以 是气体和液体，也可以是固体。
二次离子质谱仪(SIMS)分析技术及其在半导体产业中的应用
二次离子质谱仪（SIMS）分析技术及其在半导体产业中的应用作者：昌鹏来源：《科学导报·学术》2020年第28期摘要：二次离子质谱仪（SIMS）是一种成熟的应用广泛的表面分析技术，具有高灵敏度（ppm-ppb）和高分辨率。
本文介绍了SIMS基本原理和分类及其在半导体产业中材料分析、掺杂和杂质沾污等方面的应用。
关键词：SIMS;半导体;表面分析;材料分析1 前言SIMS作为一种成熟的表面分析技术已经发展了半个世纪，最初主要是用在半导体产业的工艺研发、模拟和失效分析等，在近二、三十年来得到迅速发展，并逐渐推广到应用于金属、多层膜、有机物等各个领域。
SIMS具有很高的微量元素检测灵敏度，达到ppm-ppb量级。
其检测范围广，可以完成所有元素的定性分析，并能检测同位素和化合物。
SIMS具有高的深度分辨率，通过逐层剥离实现各成分的纵向分析，深度分辨率最高能到一个原子层。
半导体材料通过微量掺杂改变导电性质和载流子类型，并且特征尺寸降到亚微米乃至纳米量级。
上述特点使SIMS在半导体生产中的材料分析、掺杂和杂质沾污等方面得到广泛应用。
2 SIMS基本原理SIMS是溅射和质谱仪的结合，可识别样品中的元素，因此是许多分析方案的首选测试手段。
作为半定量的手段，在SIMS质谱图中二次离子的峰值并不能直接反应样品中元素的浓度。
SIMS原理示意图如图1所示。
能量在250 eV到30 keV的离子束轰击样品表面即可产生溅射现象。
一次离子进入基体后会产生大量高强度但存在时间短促的碰撞级联，基体中的原子发生位置迁移。
接近表面的原子得到足够能量会离开样品表面，称为溅射原子。
溅射原子会以原子或分子团的形式离开表面并带上正电或负电，经过电场和磁场的筛选和偏转输入到质谱仪，由此SIMS可以得到样品表面的元素组成和分布。
图1 SIMS原理示意图3 SIMS仪器类型SIMS机台主要部分包括离子源、一次电镜、二次电镜、样品交换室、质谱仪、信号探测器等，整个腔体处于高真空状态之下。
二次离子质谱
叠，使识谱和定量分析产生一定的困难。
表面分析技术
25
SIMS 二次离子发射规律
发射离子的类型
在超高真空条件下，在清洁的纯Si表面通 入20 L的氧气后得到的正、负离子谱，并 忽略了同位素及多荷离子等成份。除了有 硅、氧各自的谱峰外，还有SimOn (m,n = 1, 2, 3……)原子团离子发射。应当指出 ，用氧离子作为入射离子或真空中有氧的 成分均可观察到MemOn (Me为金属)
热阴极电离型离子源电离率高，但发射区域大，聚束困难、能量分散和 角度分散较大。
热阴极电离型离子源示意图 表面分析技术
12
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪-离子枪
双等离子体离子源亮度高，束斑可
达1-2 m经过Wein过滤器可用于离 子探针和成像分析。
液态金属场离子源可以得到束斑为 0.2-0.5 m ，束流为0.5 nA的离子 束，束斑最小可达到50 nA。
二次离子质谱(SIMS) Secondary Ion Mass Spectroscopy
表面分析技术
1
SIMS
引言
二次离子质谱是利用质谱法分析初级离子入射靶 面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面信息的一 种方法。二次离子质谱可以分析包括氢在内的全部元
素，并能给出同位素的信息，分析化合物组分和分子
0.007 0.01 0.0025 0.005 0.012 0.06 0.017 -
0.01 0.02 0.0001 0.00025 0.004 0.0009 0.0007 0.007 0.0015 0.013 0.00038 0.00081
0.0025 0.02 0.008 0.002 0.018 0.03 0.007 0.001 0.0012 0.0085 0.06 0.015 0.006 0.0008 0.0014 0.058 0.045
二次离子质谱
二次离子质谱(SIMS)基本原理及其应用*********************************************摘要：二次离子质谱( Secondary-ion mass spectrometry，SIMS) 是一种固体原位微区分析技术，具有高分辨率、高精度、高灵敏等特征，广泛应用于地球化学、天体化学、半导体工业、生物等研究中。
本文主要阐明了SIMS 技术的原理、仪器类型，简要介绍了其主要应用，分析了其特点。
关键词：二次离子质谱；同位素分析；表面分析；深度剖析二次离子质谱仪(Secondary-ion mass spectrometry，SIMS)也称离子探针，是一种使用离子束轰击的方式使样品电离，进而分析样品元素同位素组成和丰度的仪器，是一种高空间分辨率、高精度、高灵敏度的分析方法。
检出限一般为ppm-ppb级，空间分辨率可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。
被广泛应用于化学、物理学、生物学、材料科学、电子等领域。
1.SIMS分析技术一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、分子或原子团的二次发射，即离子溅射。
溅射的粒子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷，这就是二次离子。
利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱[1,2]。
图1[2]是二次离子质谱工作原理图。
图1 二次离子质谱工作原理图离子探针实际上就是固体质谱仪，它由两部分组成：主离子源和二次离子质+、Cs+、Ga+……从离子源引出的谱分析仪。
常见的主离子源有Ar＋、Xe＋、O-、O2带电离子如Cs+、或Ga+等被加速至keV～MeV能量，被聚焦后轰击样品表面。
高能离子进入样品后，一部分入射离子被大角度反弹出射，即发生背散射，而另一部分则可以深入到多个原子层，与晶格原子发生弹性或非弹性碰撞。
这一过程中，离子所带能量部分或全部转移至样品原子，使其发生晶格移位、激发或引起化学反应。
经过一系列的级联碰撞，表面的原子或原子团就有可能吸收能量而从表面出射，这一过程称为离子溅射。
二次离子质谱分析
二次离子质谱分析二次离子质谱分析（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种重要的表面分析技术，广泛应用于材料科学、物理、生物和医学等领域。
本文将着重介绍SIMS的原理、仪器构造和应用，并对其未来发展进行展望。
SIMS是一种通过研究材料表面相互作用的二次离子，来了解该材料的元素组成、结构和表面性质的技术。
SIMS的基本原理是将高能的离子束轰击材料表面，使得表面原子发生溅射，形成二次离子。
这些二次离子通过质谱仪进行分析，从而得到材料表面的元素组成和含量信息。
SIMS 可提供对表面元素的定性和定量分析，还可以研究材料的表面性质，如晶体结构、电荷分布和元素的分布情况等。
SIMS的仪器构造主要包括离子源、样品台、质谱仪和探测器。
离子源一般采用离子枪或离子束源，能提供高能量的离子束进行轰击。
样品台用于固定和定位待测样品，并提供精确的样品位置控制。
质谱仪则用于对二次离子进行质量分析，一般采用磁扇形质谱仪或飞行时间质谱仪。
探测器用于接收并测量二次离子流，例如多极器或多道离子计。
SIMS广泛应用于材料科学中的薄膜、电子器件、金属合金、陶瓷等材料的研究。
它可以提供材料表面的成分分布、晶格结构和界面特性等信息，对材料的制备和性能有重要的指导作用。
在微电子领域，SIMS可用于杂质和缺陷的分析、离子注入的监测和控制等。
此外，SIMS还可应用于生物和医学领域，如细胞成分分析、药物代谢研究和生物材料表面改性等。
随着科学技术的不断发展，SIMS技术也在不断创新和进步。
目前的研究重点主要集中在以下几个方面。
首先，提高离子源的稳定性和能量分辨率，以获得更准确、可靠的数据。
其次，改善样品处理技术，提高分析的空间分辨率，使得可以对微小区域进行分析。
此外，发展新的离子探测器和质谱仪，以扩大SIMS的应用范围和提高分析能力。
最后，将SIMS与其他表面分析技术相结合，如原子力显微镜（AFM）和扫描隧道显微镜（STM），以获得更全面的表面信息。
二次离子质谱分析
二次离子质谱分析二次离子质谱分析（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种表面分析技术，通过使用离子束轰击样品表面，然后分析从样品表面解离飞出的离子，从而获取样品表面成分和结构信息。
它因其高灵敏度、高空间分辨率和多元素分析能力而被广泛应用于材料科学、生物医学、半导体工业等领域。
二次离子质谱分析的基本原理是通过将刺激源（通常为离子束）引入样品，使样品表面发生化学和物理变化。
随后，离开样品表面的次级离子（Secondary Ion，SI）会被聚焦进入质谱仪，并分析这些次级离子的质量谱图。
通常SIMS可分为静态SIMS和动态SIMS两种模式，其中静态SIMS主要用于表面成分定性分析，动态SIMS则可用于表面成分定量分析。
静态SIMS利用氩离子束降低样品表面分辨率，以减小损伤。
此时，离子束进入样品表面后，分子内部化学键断裂并释放出次级离子。
这些次级离子根据质量谱仪质量通道的大小而被聚焦到不同位置，产生质量谱图。
通过分析质量谱图，可以确定离子的质荷比以及来自不同化合物的离子种类，从而确定样品的表面成分。
动态SIMS则更多地关注于离子中的质量谱，使用更高的峰值离子束密度和更短的离子脉冲宽度，提高分析灵敏度，适用于更细微的表面成分分析。
动态SIMS对表面质谱的分析较为广泛，对脂肪酸、生物分子和光取向材料等领域具有重要的应用。
二次离子质谱分析的应用非常广泛。
在材料科学领域，SIMS可以分析杂质元素的存在和定量、表面微区元素分析等。
在生物医学领域，SIMS可以用于生物分子的定性和定量分析，如蛋白质组学、代谢组学等。
在半导体工业中，SIMS则可用于芯片质量控制、材料研究等。
虽然SIMS具有高空间分辨率和高分析灵敏度等优点，但也存在一些局限性。
首先，由于离子束轰击会引起样品表面的膨胀和溅射现象，因此在分析过程中可能会发生破坏或变形。
其次，SIMS对非导电材料的分析存在困难，因为非导电材料表面通常需要特殊处理，例如金属涂层，以提供导电性。
二次离子质谱仪
二次离子质谱仪原理简介二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS）又称离子探针（Ion Microprobe），是一种利用高能离子束轰击样品产生二次离子并进行质谱测定的仪器，可以对固体或薄膜样品进行高精度的微区原位元素和同位素分析。
由于地学样品的复杂性和对精度的苛刻要求，在本领域内一般使用定量精度最高的大型磁式离子探针。
该类型的商业化仪器目前主要有法国Cameca公司生产的 IMS1270-1300系列和澳大利亚ASI公司的SHRIMP系列。
最近十年来，两家公司相继升级各自产品，在灵敏度、分辨率及分析精度等方面指标取得了较大的提升，元素检出限达到ppm-ppb级，空间分辨率最高可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。
目前，大型离子探针可分析元素周期表中除稀有气体外的几乎全部元素及其同位素，涉及的研究领域包括地球早期历史与古老地壳演化、造山带构造演化、岩石圈演化与地球深部动力学、天体化学与比较行星学、全球变化与环境、超大型矿床形成机制等。
因而国内各大研究机构纷纷引进大型离子探针（北京离子探针中心的SHRIMP II 和 SHRIMPIIe-MC、中科院地质与地球物理研究所的 Cameca IMS-1280、Cameca IMS-1280HR和NanoSIMS 50L、中科院广州地球化学研究所的 Cameca IMS-1280HR、中核集团核工业北京地质研究院的 IMS-1280HR），大大提高了国内微区分析的能力。
本实验室配备了Cameca公司生产的IMS1280离子探针和其升级型号 IMS1280HR。
两台仪器的基本原理及设计相同，升级型号IMS1280HR主要在磁场设计上有所改进，具有更高的质量分辨率和传输效率。
该型仪器从功能上可分为四部分，如图一所示：一次离子产生及聚焦光路（黄色部分）、二次离子产生及传输光路（蓝色部分）、双聚焦质谱仪（粉色部分）和信号接收系统（紫色部分）。
二次离子质谱仪_标准样品_解释说明
二次离子质谱仪标准样品解释说明1. 引言1.1 概述二次离子质谱仪是一种重要的分析工具，能够对物质的组成及其所含元素进行高精度和高灵敏度的定量和定性分析。
本文将介绍二次离子质谱仪的原理、应用领域以及发展历史，并重点讨论了标准样品在二次离子质谱仪中的作用。
1.2 文章结构本文共分为五个部分来阐述。
首先，我们将在引言部分概述文章的目的和结构。
其次，介绍二次离子质谱仪的原理、应用领域以及其发展历史。
然后，着重讨论了标准样品在二次离子质谱仪中的作用，包括定义、制备方法以及对仪器校准和性能评估的重要性。
接下来，我们将详细介绍二次离子质谱仪标准样品的分类方式及其应用案例，并针对可能存在的挑战提供解决方案。
最后，在结论部分总结文章要点，并展望未来二次离子质谱仪发展方向。
1.3 目的本文旨在解释说明二次离子质谱仪及其标准样品的重要性。
通过对二次离子质谱仪的原理、应用领域以及发展历史进行介绍，读者可以了解到该技术的基本概念和特点。
同时，我们将重点讨论标准样品在二次离子质谱仪中的作用，包括其定义、制备方法以及对仪器校准和性能评估的重要性。
此外，我们还将提供二次离子质谱仪标准样品分类方式和应用案例，并讨论可能出现的挑战和解决方案。
通过本文的阐述，读者能够全面了解并掌握二次离子质谱仪及其标准样品相关知识，并对未来发展方向有所展望。
2. 二次离子质谱仪2.1 原理介绍二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometer，SIMS）是一种高灵敏度的表征材料的仪器。
其原理基于样品表面与束流轰击相互作用，产生并逸出二次离子信号，进而利用质谱分析技术对这些离子进行定性和定量分析。
当一个束流以高能量轰击样品表面时，样品中的原子、分子或团簇会被激发，并且部分从表面挥发成为二次离子。
这些二次离子可以通过电场加速器聚焦和选择，然后经过质量/电荷比分析器进行质谱分析。
根据不同的元素和化合物，其产生的二次离子信号具有特定的质荷比，从而提供了材料成分和结构信息。
(仅供参考)二次离子质谱(SIMS)
一、概述
•二 次 离 子 质 谱 是 表 征 固 体材料表面组分和杂质的 离子束分析技术。
•利 用 质 谱 法 分 析 由 一 定 能量的一次离子轰击在样 品靶上溅射产生的正、负 二次离子。
工作原理： 一定能量的离子轰击固体表面引起表面原子、
离子探针
离子探针即离子微探针质量分析器，有时也称扫描 离子显微镜(SIM)。它是通过离子束在样品表面上扫描 而实现离子质谱成像的。初级离子束斑直径最小可达12m，甚至更低。初级离子束的最大能量一般为20keV， 初级束流密度为mA/cm2量级。
离子显微镜
离子显微镜(IM)即直接成像质量分析器 (Direct Imaging Mass Analyzer—DIMA)也就是成像质谱计 (Imaging Mass Spectrometer—IMS)，它是利用较 大的离子束径打到样品表面上，从被轰击区域发射的 二次离子进行质量分离和能量过滤，在保证空间关系 不变的情况下，在荧光屏上以一定的质量分辨本领分 别得到各种成分离子在一定能量范围内的分布图像。
（2）动态SIMS
痕量元素的体分析
为了提高分析灵敏度，采用很高的溅射率，即用大束流、 较高能量(数keV—20keV)的一次束，靠快速剥蚀不断地对新 鲜表面进行分析，测到的是体内的成分。
成分-深度剖析
选取二次离子质谱上的一个或几个峰，在较高的溅射速 率下，连续记录其强度随时间的变化，得到近表面层的成 分—深度剖图。
溅射粒子能量分布曲线
SIMS 基体效应
17种元素的二次离子产额
金属
清洁表面 覆氧表面
金属
清洁表面 覆氧表面
二次离子质谱仪的原理及其在半导体产业中的应用
二次离子质谱仪的原理及其在半导体产业中的应用二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometer，SIMS）是一种利用二次离子的质谱分析技术。
它可以用于深入分析材料的元素和化学组成，并广泛应用于半导体产业中的各个领域。
首先，让我们了解一下二次离子质谱仪的原理。
SIMS的基本原理是利用离子束轰击样品表面，使样品表面的原子或分子离子化，并产生二次离子（即从样品中溅射出的离子）。
这些二次离子被加速器加速，并经过质谱仪进行质量分析，最终得到样品的质谱图。
SIMS的工作步骤可以分为离子轰击和质谱分析两个主要步骤。
首先，离子源会产生一个离子束，这个束被聚焦后，轰击到目标样品的表面上。
当离子束与样品表面相互作用时，发生离子化反应，使得样品表面的原子或分子转化为带电的离子。
这些带电的离子通过电场加速器加速，并通过磁场进行质量分析。
质谱仪中的电子乘子放大并记录离子的质量、数量和能量信息。
通过对这些信息的分析，可以得到样品中不同元素的含量和组成。
在半导体产业中，二次离子质谱仪被广泛应用于探测和分析材料的表面和界面。
它在以下几个方面发挥着重要作用：1. 元素分析：SIMS可以准确地分析半导体材料中各种元素的含量和分布情况。
通过精确测量样品表面的二次离子，可以确定材料中的杂质、掺杂元素，以及特定区域的成分差异。
这对于半导体制造商来说非常重要，因为它们需要确保材料的纯度和组成符合要求。
2. 材料表面分析：SIMS可以提供关于表面形貌和化学成分的详细信息。
通过对二次离子轰击后的样品表面进行分析，可以了解材料表面的形貌、结构和成分。
这对于半导体制造商来说非常关键，因为材料表面的性质可以直接影响器件的性能。
3. 样品中杂质探测：通过对半导体材料进行二次离子质谱分析，可以检测和定量分析样品中的杂质元素。
这对于半导体制造商来说至关重要，因为即使微小的杂质也可能影响器件的性能和可靠性。
4. 深层探测：SIMS还可以进行深层材料分析。
二次离子质谱法_SIMS_在生物医学上的应用
去后 ,即能对结石进行分析 。表 2 是不同透明度 、 不 同色泽微体标本的元素相对含量测定 ( 各种元素的 离子流强度与碳的离子流强度之比) [4 ] 。由表可见 : 棕褐色结晶中的大部分元素高于淡黄色结晶 ; 不透 明结晶中的大部分元素高于透明结晶 ,同时 ,棕褐色 结晶中的铜较其它样品约高两个数量级 。表 3 同时 列出了用原子吸收光谱法测定以上样品的结果 , 由 表可见 ,不透明结晶中钙含量较透明结晶明显增高 , 棕褐色结晶中的铜明显高于其它样品 。因此 , 两种 分析方法的结果基本相符 。 此外 ,我们还拍摄了胆石样品的一些离子图像 ,
表1 四种分析方法性能比较 仪器 性能 检测信息深度 化学元素检测 同位素检测 化合物检测 氢检测 灵敏度 相对 (原子比) (典型值) 绝对 (克) 相对灵敏度变化值 单原子层 可能 (Z > 5) 可能 可能 可能 不能 不能 不能 可能 (化学变换) (化学变换) 不能 可能 不能 不能 不能 可能
64 63 56
表3 原子吸收光谱法对不同结石样品中微量元素的测定结果 μ 含量 ( g/ g) 样品 淡黄色结晶 棕褐色结晶 透明结晶 图7 人类蛀牙珐琅处40Ca + 的分布 不透明结晶 ≈0 40. 0
10. 6 53. 1 15. 5 11. 0 21. 0 23. 0 45. 0 97. 5 19. 0 11. 5
棕褐色 结 晶
4. 2 0. 19 0. 62 0. 31 2. 4 1. 5 0. 019 0. 0058 0. 0058 0. 54 0. 0067
透明结晶
0. 22 0. 17 0. 13 0. 095 0. 28 0. 80 0. 014 0. 00070 0. 0011 0. 0014 0. 0036
二次离子质谱 sims 的作用
二次离子质谱 sims 的作用二次离子质谱(Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS)是一种高灵敏度的表面分析技术，可以非常有效地对材料表面进行成分分析和结构表征，极大地促进了材料研究和开发。
SIMS原理是在样品表面炸出次级离子，并通过磁场加速和分离质量，最后检测出来。
主要应用于化学、物理、生物、医学、电子、半导体、材料科学等领域。
SIMS分析可以提供原子级别的化学成分信息，包括元素和同位素及其浓度，可以清晰地揭示出材料表面的化学组成、处理工艺、晶格缺陷、表面结构等特性。
其空间分辨率高，能够达到亚微米级甚至纳米级的分辨率，尤其对于小颗粒或表面分析有较大优势。
与其他传统表面分析方法相比，SIMS技术具有很多优势和特点：首先，它可以在非常小的分析区域内进行化学分析，对于材料的微小变化极为敏感；其次，样品表面不需特殊处理，可以进行多种形态的分析；并且，SIMS可以同时分析多个元素，操作上也更加灵活和方便；最后，它非常适用于表面分析以及非常薄的薄膜或特定区域的分析。
在工业上，SIMS技术被广泛应用在半导体制造和研发中。
它可以分析掺杂元素在晶体中的位置和扩散，检测器件的组成、品质和特征，从而可以改善器件的性能、可靠性和成本等方面。
在材料科学中，SIMS技术可以用来研究特殊的表面性质和组分变化。
例如，对于材料的界面结构和化学反应，可以通过组分分析得到更加明确和准确的信息。
在生命科学中，SIMS技术可以用来研究传染病的发生、进展和治疗方法等问题。
它能够对生物分子的组分进行分析，包括脂质、蛋白质、核酸等，这些信息对于病理学、药学和生物学等领域非常有用。
总之，二次离子质谱（SIMS）作为一种表面分析技术，已成为材料科学、微电子技术、生物医学及制药等领域中最有效的分析方法之一，具有广泛的应用前景和深远的影响。
时间飞行二次离子质谱
时间飞行二次离子质谱1. 原理：TOF-SIMS利用离子束轰击样品表面，使表面分子或原子脱离样品并形成次级离子。
这些次级离子经过加速后进入飞行时间质谱仪，通过测量离子的飞行时间和质量，可以获得样品表面的成分和结构信息。
2. 优点：TOF-SIMS具有以下优点：高灵敏度，TOF-SIMS可以检测到极低浓度的物质，甚至可以达到亚微克/立方厘米的级别。
高空间分辨率，TOF-SIMS的空间分辨率可以达到纳米级别，可以对样品表面进行高分辨率成分分析。
多元素分析，TOF-SIMS可以同时分析多种元素，可以提供样品表面的元素组成信息。
分子成像，TOF-SIMS可以进行分子成像，可以在样品表面上绘制出不同成分的空间分布图像。
3. 应用领域：TOF-SIMS在许多领域都有广泛的应用，包括：材料科学，TOF-SIMS可以用于材料的表面成分分析、界面分析、材料失效分析等。
生物医学，TOF-SIMS可以用于生物样品的成分分析、细胞成分分析、药物代谢研究等。
环境科学，TOF-SIMS可以用于大气颗粒物的成分分析、地球化学研究等。
纳米科学，TOF-SIMS可以用于纳米材料的成分分析、纳米结构表征等。
4. 实验流程：TOF-SIMS实验通常包括以下步骤：样品准备，样品需要经过特殊处理，如冷冻切片、表面清洗等，以保证实验的准确性和可重复性。
离子轰击，使用离子束轰击样品表面，使样品表面的分子或原子脱离并形成次级离子。
飞行时间质谱，次级离子经过加速后进入飞行时间质谱仪，通过测量离子的飞行时间和质量，获得样品表面的成分和结构信息。
数据分析，对实验得到的数据进行处理和分析，以获得样品的详细信息。
综上所述，时间飞行二次离子质谱是一种用于表面分析的技术，具有高灵敏度、高空间分辨率、多元素分析和分子成像等优点，在材料科学、生物医学、环境科学和纳米科学等领域有广泛的应用。
实验流程包括样品准备、离子轰击、飞行时间质谱和数据分析。
这种技术为研究材料的表面成分和结构提供了重要手段。
二次离子质谱在电池中的应用
二次离子质谱在电池中的应用二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种用于表面分析的高灵敏度技术，具有很高的化学和空间分辨率。
在电池科学和工程领域，SIMS被广泛应用于电池材料分析、电池失效分析、电池老化分析、电池安全性研究和电池回收利用等方面。
1.电池材料分析SIMS在电池材料分析中发挥着重要作用，可用于研究电极材料、电解质、隔膜等关键组件的化学组成和表面元素分布。
SIMS可以提供有关材料表面和界面化学状态的信息，有助于理解电池材料的性能和反应机制。
2.电池失效分析电池失效通常是由电池内部发生的化学反应、机械应力和热失控等因素引起的。
SIMS可以通过分析电池失效后的表面成分和形貌，推断出失效的原因。
此外，SIMS还可以用于研究电池的电化学性能，如循环寿命、充放电速率等，以帮助优化电池设计和性能。
3.电池老化分析电池老化是指电池在使用过程中性能逐渐降低的过程，通常是由电池内部的化学反应和结构变化引起的。
SIMS可以通过分析电池老化过程中的表面成分和形貌变化，研究电池老化的机制和影响因素。
此外，SIMS还可以用于评估电池老化对电池安全性和环境的影响。
4.电池安全性研究电池安全性是电池科学和工程领域的重要问题之一，涉及到电池的过充电、过放电、短路等危险情况。
SIMS可以通过分析电池在这些情况下的表面成分和形貌变化，研究电池安全性问题。
此外，SIMS 还可以用于研究电池热失控的机制和防止措施，提高电池的安全性能。
5.电池回收利用随着电动汽车和便携式电子设备的普及，废旧电池的数量不断增加。
废旧电池中含有许多有价值的材料，如锂、钴、镍等，可以回收再利用。
SIMS可以用于研究废旧电池的成分和结构，优化回收流程，提高回收效率和准确性。
此外，SIMS还可以用于检测废旧电池是否经过处理或篡改，保证回收材料的质量和安全性。
总之，二次离子质谱作为一种强大的表面分析技术，在电池科学和工程领域中具有广泛的应用前景。
二次离子质谱仪的质谱原理
二次离子质谱仪的质谱原理二次离子质谱仪（Secondary Ion Mass Spectrometer，SIMS）是一种高灵敏的表面分析技术，能够对非导电材料如半导体、陶瓷和生物样品等进行分析。
它的质谱原理通过离子轰击样品表面，产生二次离子进行分析。
1. 原理概述二次离子质谱仪的质谱原理是利用快速离子轰击样品表面，产生二次离子，并将二次离子分析出来。
首先，离子源产生的原始离子被加速并聚焦到样品表面，由于轰击过程产生的能量，离子可将样品表面原子或分子中的一个或多个发射出来，从而形成二次离子。
这些二次离子被提取并聚焦到带电子谱仪中，进行质量分析。
二次离子的特点是速度较慢，电荷量大，质量相对较小。
2. 离子源与加速器离子源是二次离子质谱仪中较为关键的部分之一。
它的作用是产生离子束，一般有基于电离和基于电子轰击的方法。
离子加速器的作用是对离子进行加速，使其能够与样品表面发生作用。
常用的加速电压为1~10kV。
同时，加速器还可以选择加速入射离子的类型和能量，用于控制样品表面离子发射率。
3. 离子提取与传输离子提取与传输系统在二次离子质谱仪中的作用是将从样品表面发射的二次离子收集并聚焦到光阴极上。
传输离子时必须保持离子的空间位置和荷量状态，并且提供空间域过滤。
传输过程中最主要的问题是离子束间的相互作用，可通过相应的聚焦系统和在加速电压中透镜进行修正。
4. 结论二次离子质谱仪是一种高灵敏的表面分析仪器，其主要质谱原理是通过离子轰击样品表面产生二次离子进行分析。
离子源和加速器是二次离子质谱仪中较为关键的部分，同时也需要考虑离子提取与传输系统的设计。
这种表面分析技术在半导体、生物医药等领域有着广泛的应用前景。
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原子团。
五、SIMS分析模式和基本关系式
l、SIMS分析模式
SIMS分析模式大致可分为动态和静态两大类。一 次离子束流密度是划分两种模式的主要标志。动态 SIMS是最早的SIMS分析模式。
离子显微镜和离子微探针都属于这一类。其 一 次 离 子 束 流 密 度 较 高 (>1X10-7A/cm2) ， 溅 射速率>5nm/min，这种模式常用于深度剖析、 成像和微区分析，主要应用于电子技术和材 料科学的研究。
以至打入体内(称反弹注入)，见图中的 I。
一次离子还可穿入表面，在靶内会产生一系列联碰 撞，将其能量逐步转移给周围的晶格，最后注入到 一定的深度即离子注入。
靶内原子受到碰撞，一旦获得高于一定阈值的能量就 会发生体内移位，变成一次撞出原子，它们可再次与 周围原子碰撞，使撞出原子增加，其中必然有一部分 会扩展到表面。
当粒子获得离开表面方向的动量，且能量又可克服其 结合能量时，则会产生二次发射，这种现象称为溅射。
溅射出的二次粒子可以是原子、分子或原子团，其中 大部分是中性的，还有一些带正及负电荷的二次离子。 这些二次粒子都带有一定初始能。见图中的 II。
还有一部分一次离子和表面原子碰撞，在一次碰撞中 把大一部分能量传递给表面原子，使其以很高的能量 发射出去(这称反弹溅射)，一次离子则注入到表面内， 见图中的 Ⅲ。
二次离子质谱基本规律和 应用
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
由于静态SIMS需极大地降低一次束流密度，所以 为了保持高的灵敏度，必需采用较大直径的束斑，采 用脉冲计数方法测量离子流以及选用高传输率的质量 分析器。
(5)溅射产额与晶格取向有关即靶的晶格效应。 除上述规律外，实验研究还表明溅射产额与表面状 态关系很大。表面粗糙度、表面化学吸附、表面氧化以 及表面污染等都对它产生强烈影响。
3. 二次离子能量分布 最可几能量分布范围：1-10eV，与入射离子
能量无关； 原子、离子：峰宽，有长拖尾； 带电原子团：能量分布窄，最可几能量低，
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
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； 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)
2．二次离子产额
(1)溅射产额与入射离子原子序数的关系，随着入 射离子原子序数的增加，总的趋势是溅射产额增大；
(2)溅射产额与入射离子能量的关系，当离子能量 超过阈值后，开始有溅射，溅射阈值主要决定于靶原 子的升华热，随着离子能量的增加，溅射产额逐渐增 至饱和值，随后又逐步下降；
(3)溅射产额与入射角θ的关系，当θ=60o～70o时
溅射产额最大；
(4)溅射产额与靶原子序数的关系，与升华能有关， 升华能愈小，靶原子间结合愈弱，则溅射产额愈高；
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
发射出表面 留在固体内
一次离子
固体表层
背散射离子 溅射原子、分子和原子团
通常，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。
此外离子还会与表面进行电荷交换，导致中和、电离 以及二次电子发射等，在各种激发与去激发以及中性 化过程中都可导致光发射，这种过程可一系列复杂的基本过 程，其中溅射产生的二次离子发射是SIMS的基础。
三、溅射的基本规律 (实验规律)
二次离子质谱（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。
二次离子质谱是利用质谱法分析初级离子入射 靶面后，溅射产生的二次离子而获取材料表面信 息的一种方法。
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。
(中性、激发态或电离) 反弹溅射
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
荷能离子与表面的相互作用包括一系列基本过程。一次离 子与表面上的原子或原子团会发生弹性或非弹性碰撞，交 换能量和动量。
如果改变运动方向朝真空端飞回， 称一次离子的背散 射；表面上的粒子受到碰撞会产生振动、移位及激发，
静态SIMS要求把分析室的真空度提高到10-8 Pa或 更高，使空间的气体分子打到表面形成一个单层的时 间，增加到几小时甚至几天，这样在进行分析时表面 不会受到真空环境的干扰。
其次，一次离子的能量降到5keV以下，束流密度 降到10-9A/cm2量级，从而使表面在离子溅射下单分子 层的寿命从几分之一秒延长到几个小时。