二次离子质谱仪原理简介
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
具体应用
1、元素及同位素分析 2、质谱分析与深度剖析 3、颗粒物微分析研究 4、团簇、聚合物分析 5、生物医学研究
应用实例 陨石矿物微量元素研究
通过测量微量元素二次离 子与参照主元素二次离子 的信号比,然后根据标准物 的有关二次离子产率系数, 可计算出待分析矿物的微 量元素组成。
2、基本原理
原理流程图
离子源发射 带电离子 加速 聚焦 轰击样 品表面 携带样品 信息的分析
探测器 记录
进入 质谱仪
引入电 场加速
质谱原理
144 MV Rm = H e
M：离子质量 e：离子电荷 V：加速电压 H：磁场强度 Rm：正离子 轨迹半径
基体效应
在成分复杂的各种样品中,同一种离子的产额 可能变化很大,因为它们受基体效应的影响。 所谓基体效应,是指样品中某种物质的存在,影 响另一些物质离子的产额大小。
缺点：
（1）亦受质量因素干扰； （2）离子产率受基质影响（基体效应）； （3）需要各种标准品来作定量分析； （4）属破坏性分析技术等。
5、应用
二次离子质谱仪的应用很广，侦测表面污染、 氧化、还原、吸附、腐蚀、触媒效应、表面处 理等动态分析之表面研究工作，尤其可作微量 元素分布 的测定。 从 20世纪60年代第一台商用二次离子质谱设 备诞生至今，这项分析技术被广泛地应用于微 电子、 半导体、材料学、地质学 、生物、医 学 、天体物理等各个 领域，随着探测方法的 改进 ，二次离子质谱技术不断 得到发展。
真空
二次离子质谱主要以离子为工作物质，所以需 要真空系统抽真空，让离子在真空中运行
3、分析仪器
二次离子质谱仪
基本构造
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。
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。
二级质谱原理
二级质谱原理
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二级质谱（MS/MS）是一种分析化学技术，用于确定化合物的结构和组成。
它通常用于分析复杂的混合物，如生物样品或环境样品。
二级质谱的原理基于质谱仪的基本原理，即将化合物分解成离子，并根据质量-电荷比（m/z）对这些离子进行分离和检测。
在二级质谱中，分析过程分为两个阶段：第一阶段称为前体离子扫描（MS1），第二阶段称为碎片离子扫描（MS2）。
在前体离子扫描中，化合物进入质谱仪并被离子化形成离子。
这些离子通过一个质量分析器进行分离，并根据它们的m/z比率进行检测。
在这个阶段，所有化合物的离子都被记录下来。
在碎片离子扫描中，选择一个前体离子，然后将其分解成碎片离子。
这通常通过将离子加速到高能量并撞击一个气体分子来实现。
分解后的碎片离子再次通过质量分析器进行分离和检测，然后记录下它们的m/z比率。
根据这些记录下来的前体离子和碎片离子的m/z比率，可以确定化合物的结构和组成。
通过比较记录下来的m/z比率和已知的化
合物的m/z比率，可以确定化合物的分子量和可能的化学结构。
二次离子质谱仪的工作原理
二次离子质谱仪的工作原理
二次离子质谱仪是一种高精度、高分辨率的质谱仪，其主要原理是利用一个离子束轰击样品表面，将样品表面的原子或分子转化为二次离子，然后将这些二次离子收集并进行质量分析。
二次离子质谱仪的工作过程可以分为以下几个步骤：
1. 离子束轰击样品：在二次离子质谱仪中，通常使用惰性气体(如氩气)产生离子束。
离子束被导入到样品表面，通过碰撞作用将样品表面的原子或分子转化为二次离子。
2. 收集二次离子：二次离子被收集到一个称为“二次离子探测器”的装置中。
二次离子探测器通常是由一个或多个离子检测器组成，用于测量二次离子的质量和数量。
3. 质量分析：在二次离子探测器中，二次离子经过加速和分离，进入质量分析器。
质量分析器使用磁场或电场将二次离子按照其质量-电荷比分离，并将它们引导到不同的检测器中进行检测。
4. 数据处理：二次离子质谱仪的数据处理通常包括数据采集、数据分析和数据展示。
数据采集通常使用计算机控制，并将二次离子的质量-电荷比和数量记录下来。
数据分析通常使用统计学方法和化学分析技术，用于确定样品的组成和结构。
数据展示通常使用图形化界面，以便用户能够直观地理解结果。
二次离子质谱仪广泛应用于材料研究、地质学、生物学和环境科学等领域。
它具有高灵敏度、高分辨率和非常好的定量能力，可以检测到微量元素、分子和同位素等。
二次离子质谱
0.0009
0.007
-
-
Ta
0.02
0.02
0.005
-
0.001
0.008
0.0002
W
0.035
0.15
0.012
-
0.0012
0.13
0.01
Fe
0.35
0.014
-
0.0007
0.0085
0.0035
-
Ni
0.045
-
-
0.007
0.06
-
-
Cu
0.007
-
-
0.0015
0.015
-
-
Sr
聚苯乙烯的二次离子质谱
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
❖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。
➢ 溅射产额决定接收到的二次离子的多少，它与 入射离子能量、入射角度、原子序数均有一定 的关系，并与靶原子的原子序数晶格取向有关。
SIMS 离子溅射与二次离子质谱
SIMS 二次离子质谱仪
❖SIMS类型-离子探针
SIM的原理图
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。
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
二次离子质谱分析
h
7
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
h
8
SIMS 二次离子质谱仪
❖ 二次离子质谱仪-离子枪
h
19
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
h
3
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。
二次离子质谱(SIMS)
Secondary Ion Mass Spectroscopy
h
1
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)
h 硅样品深度剖析—元素组分分析
15
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
h
16
SIMS 主要功能
❖ 成二次离子像
h
17
SIMS 主要功能
❖ 有机物分析
二级质谱 原理
二级质谱原理
二级质谱（MS/MS）是一种高级质谱技术，通过在质谱仪中使用两个质谱过滤器和多级质谱扫描，可以提供更详细和准确的分析结果。
二级质谱的原理主要涉及到两个关键的过程：预扫描和离子碰撞解离。
在预扫描过程中，质谱仪将待测样品中的分子进行离子化，通常采用电喷雾离子源（ESI）或化学电离源（CI）等离子化技术。
通过电荷转移或化学反应，分子被转化为气相离子，并引入质谱仪中。
接下来是离子碰撞解离过程。
质谱仪中的第一个质谱过滤器（Q1）用于选择特定的分子离子进行分析，只有经过选择的分子离子能够通过。
然后，这些分子离子进入第二个质谱过滤器（Q2）。
在Q2中进行离子碰撞解离。
在离子碰撞解离过程中，分子离子与碰撞气体（通常是氮气或氦气）发生碰撞，产生离解碎片离子。
这些离解碎片离子将根据其质荷比不同进一步分离和聚焦，然后通过质谱仪中的离子检测器进行检测。
通过分析离解碎片离子的质谱图，可以获得有关样品中化合物的结构和组成的信息。
通过比对已知的质谱库，可以确定特定化合物的质谱图，并进行定量或定性分析。
总之，二级质谱通过使用两个质谱过滤器和离子碰撞解离的过程，可以提供更详细和准确的分析结果，广泛应用于化学、药学、生物学等领域。
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。
SIMS
SIMS 二次离子分析方法
1. 定性分析 ——痕量杂质分析 2. 定量分析 ——检测到的离子流与样品成分间的关系
（1）基本公式 I ±(xn, t) = A Jp S±(xn)f C(xn,t) = Ip S±(xn)f C(xn,t)
由于S±的不确定性，使按公式进行定量分析失去实际意义。
（2）实际定量分析方法 标样法：通用标样、专做标样 (离子注入标样) 利用大量经验积累或研究相对变化
3．深度剖面分析 边剥离边分析，通过溅射速率将时间转化为深度。
可同时检测几种元素。
绝对分辨与相对分辨 弧坑效应－电子门取样
4. 绝缘样品分析中的“中和”问题
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. 分析化合物组分及有机大分子结构； 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 。
SIMS的原理示意图
SIMS 入射离子与样品的相互作用
利用聚焦的一次离子束在样品表面上进行稳 定的轰击，一次离子可能受到样品表面的背散射； 也有部分进入样品表面，这部分离子把能量传递给 晶格，当入射能量大于晶格对原子的束缚能是，部 分原子脱离晶格向表面运动，并且产生原子间的级 联碰撞，当这一能量传递到表面，并且大于表面的 束缚能时，促使表面原子脱离样品，谓之溅射；
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－－正谱图
二次离子质谱(SIMS)
综上所述，SIMS能给出一价离子(是识别该 元素存在的主要标志)、多荷离子、原子团离子 （如Si2+ ，Si3+ ），化合物的分子离子以至重排 离子，Biblioteka 稳离子及入射离子与样品表面相互作用
后生成的离子及环境作用(如吸附)产生的离子谱， 因而提供了十分丰富的表面信息。
二、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 处理系统等五部分。
溅射产额与晶格取向的关系
在100~1000 eV下，用Hg+垂直入射Mo和Fe的溅射粒子的角分布
= 60o时W靶的溅射粒子的角分布
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，拖尾短
利用上述性质，采用能量过 滤器，可滤掉低能原子团。
溅射时从表面射出的粒子可能是中性粒子或带有不 同电荷—正离子(+)、负离子(-)、或多重电离。对于 AxBy的化合物：
S = {(A+)+(B+)+(A-)+(B-)+(A2+)+(B2+) +(A2-)+(B2-) +(A2+)+(B2+)+…+(An±P)+(Bn±P)+(A2B+) +(A2B-) +…+(AnBm±P)+(A0)+(B0)+ (AB0) +…+(A20)+ (A20)+ (AnBm0)}/Ip
分辨率高；笨重、扫描速度慢
四极质谱（QMS）
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。
二次离子质谱sims
二次离子质谱sims
二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是
一种表面分析技术，用于研究材料的化学成分和结构。
在SIMS中，样品的表面暴露在离子束中，离子束轰击样品表面，将表面的原子或分子二次离子化。
这些二次离子被加速，并通过质谱仪进行质量分析和检测。
SIMS技术广泛应用于材料科学、表面物理、化学、生物医学
等领域。
它可以提供高灵敏度、高空间分辨率和高质量分辨率的分析结果。
SIMS可以用于分析几乎所有类型的材料，包括
金属、半导体、陶瓷、聚合物、生物材料等。
SIMS的主要应用包括：
1. 确定材料的化学成分：通过质谱仪分析二次离子的质量，可以确定样品表面的化学成分。
这对于材料研究和制造过程控制非常重要。
2. 研究元素的分布和浓度：SIMS可以提供材料表面的元素分
布和浓度信息。
这对于评估材料的纯度、探索微观结构、研究焊接或合金等过程非常有用。
3. 表面形貌和拓扑分析：通过SIMS可以获得样品表面的形貌
和拓扑信息，包括表面的粗糙度、颗粒分布等。
4. 薄膜研究：SIMS可以用于研究薄膜的生长过程、组成和结构。
这对于光电子学和纳米技术等领域的研究非常重要。
总之，SIMS是一种非常强大的表面分析技术，可以提供关于
材料化学成分、元素分布、表面形貌等信息。
它在材料科学、化学、生物医学等领域有着广泛的应用。
(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。
(word完整版)二次离子质谱仪原理简介
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 SHRIMP IIe—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）.Cameca离子探针可以类比为一台显微镜，离子源相当于显微镜的光源，传输光路相当于物镜，质谱仪相当于滤镜，而接收器相当于目镜或照相机。
二次离子质谱基体效应
二次离子质谱基体效应
二次离子质谱基体效应是指分析样品前进行的质谱样品前处理技术，它能够将样品中的大分子物质“分子化”为小分子物质，进而方便质谱分析。
下面是关于二次离子质谱基体效应的几个重要方面的介绍：
一、基本原理
二次离子质谱基体效应是一种分析化学技术，主要应用于有机物质的质谱分析。
它基于能量转移和离子化反应原理，通过激发大分子物质的内部等离子体能级，使其分解为小分子物质。
这些小分子物质会产生带正电荷的离子，即基体离子。
在这个过程中，大分子物质将被离子化，因而可以被质谱仪进一步分析。
二、实现方法
为了实现二次离子质谱基体效应，通常使用氢气作为基体，将其注入化学样品中。
在基体分子与样品分子碰撞的过程中，样品分子会激发基体的内部能级，使基体分子分解成带正电荷的分子离子。
这些分子离子会与样品中的大分子物质碰撞，使其进一步分解为小分子物质。
最后，这些小分子物质被离子化以便通过质谱仪进行分析。
三、适用范围
二次离子质谱基体效应可以应用于分析化学、生物学和医学中，主要用于分析大分子物质和有机物质。
这种技术被广泛应用于抗生素、天然产物、蛋白质、核酸和多肽等复杂有机化合物的分析。
在生物学和医学领域中，它被用于研究药物代谢、蛋白质结构和酶催化等重要生物过程。
四、优势和局限
二次离子质谱基体效应具有高效、高准确性和加工速度快等优点，可以快速地对大分子物质进行分析。
然而，也存在一些局限性，如难以分析多样性较高的物质、样品处理过程中可能发生挥发性化合物丧失和相互转移等问题。
因此，在使用二次离子质谱基体效应进行样品前处理之前，需要对该技术的适用性进行综合考虑。
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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SHRIMP IIe-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）。
Cameca离子探针可以类比为一台显微镜，离子源相当于显微镜的光源，传输光路相当于物镜，质谱仪相当于滤镜，而接收器相当于目镜或照
相机。
图一，IMS1280/HR型离子探针原理示意图
一次离子部分包含了两个离子源分别是可以产生Oー和O2ー以及O+离子的双等离子体离子源（Duo Plastron Source）和产生Cs+离子的热电离铯离子源（Cs Ion Source），一般分别对应地学领域分析中的正电性元素（如Pb、U、Th、REE、Li、Ca等）和负电性元素（如C、O、S、H等）。
两个离子源由软件控制选择，所产生的离子通过高压（一般为数千伏特）加速后进入一次离子质量过滤器（PBMF）进行质量筛选，常用的一次离子有16O ー、16O2ー或133Cs+离子。
后续的一次离子光路通过调整离子透镜Lens2, Lens3和Lens4的电压可以获得两种照明方式：均匀照明（科勒照明或平行光照明）和高斯照明。
一次离子光路原理如图二所示。
均匀照明模式使用离子透镜Lens2将一次离子束调整为“平行光”，并穿过位于其后的一次束光阑（PBMF_Aperture），再通过离子透镜Lens4将该光阑成像到样品表面。
在
该模式下，离子束的直径由PBMF_Aperture的大小决定，由于该光阑受到离子束的剥蚀而逐渐变大，因此实际上这种模式的离子束直径是随时间不断变化的，对空间分辨率不太敏感的应用可以使用该模式。
实验室的常规定年就使用了这种照明模式，由于其离子束密度均匀，在样品表面留下的剥蚀坑为椭圆形的平底坑。
图二一次离子光路原理示意图
在高真空条件下，带有数千电子伏特（eV）的高能带电离子轰击固体样品的表面时，部分一次离子注入到固体内部并与其路径上的样品原子发生弹性或非弹性碰撞。
通过碰撞而获得能量的内部原子又与其周围的原子再次进行碰撞并产生能量传导，这个过程称为级联碰撞。
最终，部分样品内部电子、原子或分子获得了足够的能量逃逸出样品表面，产生了溅射现象。
在溅射出的各种微粒中，有小部分发生了电离，产生了二次离子。
这些二次离子被样品表面的+10KV到
-10KV的高压加速，通过离子透镜聚焦后进入双聚焦质谱仪进行质量筛选。
溅射及加速示意图请见图三。
高斯照明模式在PBMF之后使用了三个离子透镜：Lens2、Lens3和Lens4。
其中Lens2与Lens3将离子束汇聚，L4将汇聚后的离子束聚焦到样品表面，形成束流密度中心高周围低的高斯分布。
这种模式下，在样品表面产生的剥蚀坑是接近圆形的V型坑。
这种模式下离子束的直径主要受到L2与L3透镜电压的影响，而对光阑的剥蚀效应很小，因此可以长时间保持离子束直径不变。
实验室常规的稳定同位素分析以及空间分辨高于10微米的小束斑定年分析都采用了高斯照明模式。
不同元素的二次离子产率相差巨大，而且每种元素在不同基体中的产率也不尽相同，甚至同一元素的同位素之间在不同的基体中也表现出不固定的产率（基体效应）。
在实际分析时实测值与理论值会产生较大差异。
因此，要使用离子探针进行高精度的元素、同位素分析，必须使用与被测样品成分和结构一致的标准物质进行校正。
而标准样品的稀缺性也成为制约和影响离子探针分析的瓶颈。
目前，本实验室目前已开发了锆石氧同位素标准物质（Penglai）、方解石碳-氧同位素标准物质（OKA）、锆石Li同位素标准物质（M257）、锆石年龄标准物质（Qinghu）等。
图三，离子探针溅射示意图
二次离子产生后进入离子传输光路，该部分相当于显微镜的物镜，通过调节该“物镜”的放大倍数，配合后续的光阑及狭缝的调整，可在质量分辨率确定的条件下对仪器的传输效率进行优化，保证分析精度。
入口狭缝是传输光路和质谱仪的分界面。
离子束通过传输光路聚焦后，在入口狭缝处汇聚。
调节入口狭缝的宽度可控制进入质谱仪的离子束宽度，从而控制质谱仪的质量分辨率。
质量分辨率要求越高，入口狭缝所对应的宽度就越窄，二次离子信号的强度损失也就越多。
因此，在满足分析要求的前提下，尽量使用较低的质量分辨率。
离子探针分析中，样品表面溅射出的二次离子组成非常复杂，包括了单原子离子、分子离子、多电荷离子、复杂聚合物离子等，对质量分辨率要求极高。
为了兼顾离子探针的质量分辨率和传输效率，必须采用大磁场半径的设计。
该型离子探针的最低质量分辨率为～900，而最高可用质量分辨率大于20000.
磁式质谱仪主要利用运动离子在磁场中的受力偏转实现对特定质量电荷比值的离子的选择。
磁式离子探针一般使用双聚焦磁式质谱，可以实现速度聚焦和方向聚焦，在二次离子能量分布范围较大的情况下实现高质量分辨率和高传输效率。
双聚焦质谱仪由静电分析器和扇形磁场质量分析器组成，当二者的能量色散在焦平面上相互抵消时即实现了双聚焦。
IMS1280/HR离子探针的静电场及磁场半径均为585mm，在质量分辨率5000的条件下，其传输效率>90%。
离子经过质谱仪的质量色散后进入离子接收系统。
该型仪器的接收系统分为三个部分：具有5个接收位置，共7个接收器的多接收系统；具有三个接收器的单接收系统和微通道板成像系统。
多接收系统能够同时接收的最大的质量差异为17%，最小质量差异为～0.4%，是典型的同位素质谱配置。
5个接收位置可在各自轨道上沿聚焦面移动，根据被测同位素的
信号强度可选择安装法拉第杯或电子倍增器。
最外侧的两个接收位置还分别额外加装了一个法拉第杯，增加配置的灵活性，如图四所示。
多接收器分析可以提高效率，并能抵消一部分因为一次离子或仪器其他参数波动引起的分析误差，是提高分析精度的最直接手段。
实验室的高精度稳定同位素分析（氧同位素、碳同位素及硫同位素等）都是用多接收器的。
目前本实验室两台离子探针采用了不同的接收杯配置，其中一台偏重于稳定同位素分析，在多接收器中安装了多个法拉第杯，而另一台则偏重微量元素尤其是Pb同位素分析，主要配置为电子倍增器。
单接收系统具有一个工作在离子计数模式下的电子倍增器和高低两个不同量程的法拉第杯，组成了具有109动态接收范围的大量程接收系统。
对于质量范围超过17%的分析，一般使用单接收系统，例如传统的U-Pb定年分析，其需要测量的质量数从196-270，使用的是单接收系统中的电子倍增器收集所有信号。
使用微通道板成像时，仪器工作在离子显微镜模式下，成像的分辨率取决于二次离子光路的设置，而与一次离子束的直径无关。
由于微通道板性能的制约，这种模式一般只用于辅助的定性判断和仪器参数的调整，而不用于定量分析。
离子探针还有一种二次离子扫描成像模式。
类似于扫描电子显微镜的工作原理，通过同步一次离子的扫描位置和电子倍增器的接收时间，可以将电子倍增器测量到的信号强度与其在样品上的位置对应起来，从而重构出经过质量筛选的离子分布图像。
该图像的分辨率取决于一次离子束的直径，可用于元素、同位素二维分布分析。
图四，多接收器结构示意图。