二次离子质谱分析
南京大学现代分析技术之SIMS
（3）基体效应 同一元素的二次离子产额因其它成分的存在而改变。
二次离子的发射与中性原子溅射不同， 由于涉及电子转 移，因此与化学态密切相关，其它成分的存在影响了电子态。
（4）与入射离子种类关系 惰性元素离子：Ar+, Xe+ 电负性离子：O2+, O－, F－, Cl－, I－ 电正性离子：Cs+ 电负性离子可大大提高正二次离子产额 电正性离子可大大提高负二次离子产额 它们随靶原子序数变化规律不同，在实际应用中
硅的二次离子质谱－－负谱图
Si(111)注O2表面二次离子质谱－－正谱图
Si(111)注O2表面二次离子质谱－－负谱图
2．二次离子产额 S＋或S－：一个一次离子平均打出的二次离子个数。
（1）与样品原子序数关系 明显的周期性关系 S＋： 电离能 ↗ S＋ ↘ S－： 电子亲和势↗ S－ ↘ 各种元素离子产额差异大，可达4个数量级
Δ 在分析过程中，表面单分子层寿命长达几小时。
SIMS设பைடு நூலகம்示意图
高真空静态SIMS设备外观
SIMS设备中的离子枪
TOF－SIMS系统示意图
TOF－SIMS系统外观图
实验条件： 一次离子能量 < 5 keV 一次离子束流密度 < nA/cm2 在低的一次束流密度下，为提高灵敏度，采用： 一次束大束斑＋离子计数＋高传输率分析器
（2）动态SIMS－－ 离子微探针 一次束流密度 J > 10-7A/cm2 溅射效果显著 非表层分析：微区扫描成象 深度剖面分析
3. 主要部分介绍
（1）离子源种类及参数
飞行时间二次离子质谱tof数据处理
飞行时间二次离子质谱tof数据处理
飞行时间二次离子质谱（TOF）是一种常用的质谱分析方法，它通过测量离子在电场中的飞行时间来确定离子的质量。
TOF 数据处理是将测量得到的飞行时间数据转换为质量谱，进而分析离子的质量和相对丰度。
TOF数据处理的主要步骤包括数据采集、飞行时间校准、谱峰提取和质量校准。
首先，需要进行数据采集。
在TOF仪器中，离子经过加速器加速后进入离子漂移区，在这个区域内，离子根据质量-电荷比（m/z）的大小以不同的速度飞行。
当离子到达离子探测器时，探测器会记录离子的到达时间。
接下来，需要进行飞行时间校准。
由于TOF仪器中存在一定的测量误差，引起离子飞行时间的波动。
因此，需要通过一些标准样品来进行飞行时间校准。
校准样品的质量已知，通过测量其到达时间可以建立一个飞行时间和质量之间的关系。
然后，进行谱峰提取。
在TOF数据中，谱峰表示具有相同
m/z的离子的集中信号。
谱峰提取是将原始数据中的谱峰区域提取出来，并计算每个峰的面积。
最后，进行质量校准。
通过已知质量的标准样品，可以建立一个质量和m/z之间的关系。
根据这个关系，可以将谱峰的质量由m/z转换为实际质量。
综上所述，飞行时间二次离子质谱TOF数据处理包括数据采集、飞行时间校准、谱峰提取和质量校准等步骤。
这些步骤可以将测量得到的飞行时间数据转换为质量谱，从而进行离子的质量分析。
二次离子质谱法(SIMS)
二次离子质谱法（SIMS）扎卡里·沃拉斯（Zachary Voras）1.分类二次离子质谱法（secondary ion mass spectrometry，SIMS）是一种灵敏的表面分析质谱技术，可对样品进行光谱分析、成像或深度剖面分析。
这是一种侵入式技术，不能进行原位检测。
2.说明SIMS是一种超高真空（ultra-high vacuum，UHV）表面分析技术，可以观察样品表面的原子和分子种类。
该技术用离子源发出一次离子束，聚焦并加速轰击样品，样品受碰撞脱落的二次离子直接进入质量分析仪（通常为飞行时间质量分析仪）（Vickerman，2009）。
这种碰撞级联会将一次离子的势能转化为脱落的二次离子碎片的动能。
质量碎片的大小则与脱落部位和初始碰撞位置的远近有关。
要获得最佳信号速率和质量分辨率，必须对一次离子和二次离子进行高水平控制，而一次离子源到分析仪之间的路程超过1 m，因此仪器应保持超高真空条件，才能将平均自由程碰撞控制在最低限度。
图1为SIMS表面分析概述。
在一次离子束入射能量和种类设置最优的情况下，可最大限度地提高单一碰撞事件的二次离子产额。
通过观察原子离子或分子离子都可以表征样品的表面材料，但使用下文所述的团簇离子源则可能减少残余对材料的损伤。
图1 SIMS表面分析概述为获得较高的质量分辨率，二次离子质谱仪通常采用飞行时间（time-of-flight，TOF）质量分析器，因为TOF可匹配脉冲式一次离子束。
TOF质量分析器的作用是让进入的离子先通过漂移管加速，再撞击探测装置（通常为微通道板）（Tang等，1988）。
为确保获得最佳质量分辨率，一次离子束的脉冲必须和质量分析仪的提取／加速阶段完全同步（Niehuis等，1987）。
要进一步提高质量分辨率，离子束的脉冲宽度就必须尽可能窄（＜1ns）（Eccles和Vickerman，1989）。
与其他质量分析器（如四极杆分析器和扇形磁场分析器）相比，TOF质量分析器有着最高的传输率和灵敏度，可满足静态SIMS分析对数据速率的要求（Vickerman，2009）。
二次离子质谱基本规律和应用
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
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
飞行时间二次离子质谱法
飞行时间二次离子质谱法
飞行时间二次离子质谱法（Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry，TOF-SIMS）是一种获得样品表面化学组成和结构信息的表面分析技术。
原理：
TOF-SIMS利用离子轰击样品表面产生次级离子，并测量这些次级离子的质荷比。
该技术使用高能的离子束轰击样品表面，导致样品表面原子和分子发生碰撞和电离。
由于样品中不同种类的化合物具有不同的质荷比，次级离子的质荷比可用来确定化合物的组成。
次级离子通过静电加速器加速，然后进入飞行时间荷质比谱仪进行质谱分析。
应用：
TOF-SIMS广泛应用于表面化学分析领域。
它可以用于研究样品的化学成分、分子结构和表面形貌等信息。
TOF-SIMS可用于解析无机和有机化合物，包括高分子材料、生物材料、涂层材料、颗粒和薄膜等。
该技术还可用于研究特定样品的元素分布、表面改性、腐蚀和附着等问题。
优势：
TOF-SIMS具有高灵敏度、高分辨率和高速度的优点。
它可以提供非破坏性的表面分析，无需特殊的样品准备，可以进行三维成像分析。
此外，TOF-SIMS还能够进行表面化学映射，以及对离子轰击过程进行实时监测和控制。
限制：
TOF-SIMS仍然存在一些限制。
由于离子轰击会引起样品表面的破坏和溅射，因此可能会造成分析结果的偏差。
另外，TOF-SIMS对于分析含有高盐度、水分或易挥发的样品具有一定的挑战性。
此外，TOF-SIMS的设备和操作成本较高，还需要专业的技术人员进行操作和数据解释。
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
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。
二次离子质谱分析课件
SIMS 二次离子质谱仪
❖SIMS类型-直接成像质量分析器
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)，有时也称为离子显微镜(IM)。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。
SIMS 二次离子质谱仪
❖二次离子质谱仪-质谱分析器
➢ 二次离子分析系统早期采用磁质谱分析器，但仪器复杂、 成本高。
➢ 表面分析的静态SIMS中，几乎都采用四极滤质器，它没 有磁场、结构简单、操作方便、成本低。
➢ 飞行时间质谱计分析速度快、流通率高，可以测量高质量 数的离子，而逐渐受到人们的重视。
SIMS 引言
早在本世纪30年代，Arnot等人就研究了二次离 子发射现象。1949年，Herzog和Viekbock首先把 二次离子发射与质谱分析结合起来。六十年代，先 后发展了离子探针和直接成像质量分析器。七十年 代又提出和发展了静态二次离子质谱仪。这些二次 离子质谱仪的性能不断改进，使之成为一种重要的、 有特色的表面分析手段。
SIMS 分析方法
❖深度剖面分析
B注入硅中的SIMS深度剖面分析
SIMS 分析方法
❖面分布分析
利 用 SIM 或 IMS 可 以 获 取材料表面面分布的信息， 随着计算机技术的广泛应用 及电子技术的不断发展， SIMS 的 空 间分 辨率 可达 亚 微米量级 。
SIMS像
SIMS 分析方法
二次离子质谱
表面分析技术
2
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
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、 分子或原子团等的二次发射，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。
表面分析技术
3
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
表面分析技术
双等离子体离子源示意图
12
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪-质谱分析器
二次离子分析系统早期采用磁质谱分析器，不同动量的离子 在磁场中偏转半径不同，不同质荷比的离子分开。质量分辨
本领可高达10000以上，质量范围也较宽。但仪器复杂、成 本高，扫描速度慢。
表面分析技术
13
表面分析的静态SIMS中，几乎都采用四极滤质器 ，它通过高频与直流电场是特定质荷比的离子以稳 定轨迹穿过四极场，而质量较大或较小的离子由于
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪
二次离子质谱仪至少 包括主真空室、样品架及
送样系统、离子枪、二次 离子分析器和离子流计数 及数据处理示意图
10
SIMS 二次离子质谱仪
二次离子质谱仪-离子枪
离子枪一般分为热阴极电离型离子源、双等离子体离子源 和液态金属场离子源。
表面分析技术
16
分析速度快、流通率高，可以测量高质量数 的离子，而逐渐受到人们的重视。
表面分析技术
17
SIMS 二次离子质谱仪
SIMS类型-离子探针 离 子 探 针 即 离 子 微 探 针 质 量 分 析 器 (Ion Microprobe Mass Analyzer—IMMA)，有时也称
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。
飞行时间二次离子质谱tof数据处理
飞行时间二次离子质谱tof数据处理
飞行时间二次离子质谱（TOF-SIMS）是一种表面分析技术，
可以用于确定材料表面的化学成分和形貌。
在TOF-SIMS中，样品表面被离子轰击，产生次级离子，这些次级离子的质荷比将在时间上被测量。
数据处理是将这些时间-质荷比的数据转
换为化学成分和形貌信息的过程。
下面是TOF-SIMS数据处理的一般步骤：
1. 数据采集：使用TOF-SIMS仪器采集样品的离子飞行时间
和质荷比数据。
通常情况下，需要多次扫描样品以获得统计上可靠的结果。
2. 数据校正：对于TOF-SIMS数据，需要进行一些校正操作
来修正离子的飞行时间，例如空间扭曲校正和离子束斑校正。
3. 数据解析：从TOF-SIMS数据中提取化学成分和形貌信息
是数据处理的主要目标。
这通常需要应用一些方法来分离和识别离子峰。
常见的方法包括质荷比图（mass spectrum）和空间图（ion image）。
4. 数据定量：对于定量分析，需要对TOF-SIMS数据进行进
一步处理。
一种常用的方法是使用内部和外部标准品来建立标准曲线，从而确定样品中的化学组分的相对含量。
5. 数据可视化：最后，通过将处理后的数据进行可视化，可以更直观地呈现样品的化学成分和形貌信息。
这可以通过生成二
维或三维图像来实现。
需要注意的是，TOF-SIMS数据处理是一个复杂而专业的过程，需要一些专业软件和专业知识。
如果您需要处理TOF-SIMS
数据，建议咨询相关专业人士或参考相关文献来获取更详细的信息和指导。
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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。
质谱仪基本结构
质谱仪器一般具备以下几 个部分：进样系统、离子 源、质量分析器和检测器， 除此之外，质谱仪需在高 真空下进行工作（离子源： 10-3 10-5 Pa ，质量分析 器：10 -6 Pa），因此还有 真空系统？
1.大量氧会烧坏离子源的灯丝； 2.用作加速离子的几千伏高压引起放电； 3. 引起额外的离子－分子反应，改变裂解 模型，使谱图复杂化。
质谱仪基本结构
二次离子质谱分析
❖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。
沉积在Ag上的维生素B12的静态SIMS
SIMS 主要特点
❖优点
1.检测极限可达ppm，甚至ppb量级； 2.能检测包括氢在内的所有元素及同位素； 3.分析化合物组分及分子结构； 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。
❖缺点
1.定量差，识谱有一定难度； 2.需要平整的表面进行分析； 3.属破坏性分析技术 。飞行时间二次离子谱仪SIMS 主要功能
❖质谱分析
一次离子束扫描样品表面， 质谱仪同时扫描质量范围， 按荷质比收集各种二次粒 子，得出二次粒子的质谱图
。 通过分析，可以得到样品受 检测区的元素组成信息以及 各种元素的相对强度。
SIMS 主要功能
❖深度剖面分析
逐层剥离表面的原子层， 提取溅射坑中央的二次离 子信号。质谱仪同步监测 一种或数种被分析元素， 收集这些元素的二次离子 强度，即可形成二次离强 度-样品深度的深度剖析 图，就可以得到各种成分 的深度分布信息。
硅样品深度剖析—元素组分分析
SIMS 主要功能
❖ 成二次离子像
1.离子显微镜模式 2.离子探针模式
两种模式下SlMS成像功能优劣的简单比较
SIMS 主要功能
❖ 成二次离子像
SIMS 主要功能
❖有机物分析
静态SIMS是一种软电离 分析技术，在有机物特别 是不蒸发、热不稳定有机 物分析方面的应用近来得 到迅速的发展。
离子枪一般分为双等离子体离子源、金属表面直接 加热离子源和液态金属离子源。 ➢ 双等离子体离子源提供O2+、O-、Ar+和Xe+。亮度高 ，束斑可达1-2m，可用于离子探针和成像分析。 ➢ 金属表面直接加热离子源提供Cs+。级联碰撞效应小， 纵向分析时深度分辨率高。 ➢ 液态金属离子源提供Ga+。束斑可聚焦很小，20200nm，空间分辨率高。
二次离子质谱(SIMS)
Secondary Ion Mass Spectroscopy
质谱分析基本原理
质谱分析是将样品转化为运动的带电气态离子碎片，于
磁场中按质荷比(m/z)大小分离并记录的分析方法。
其过程为可简单描述为：
离子源 轰击样品
带电荷的 碎片离子
电场加速(zeU) 获得动能(1/2mV2)
➢ 表面分析的静态SIMS中，几乎都采用四级杆质谱仪， 没有磁场、结构简单、操作方便、成本低，可以采用 能量很低的一次束轰击样品。
➢ 飞行时间质谱仪分析速度快、流通率高，可以测量高 质量数的离子，常被用来检测样品表面的有机物沾污 。
SIMS 二次离子质谱仪
双聚焦磁二次离子质谱仪
SIMS 二次离子质谱仪