1.   飛行時(shí)間-二次離子質(zhì)譜儀（TOF-SIMS）簡(jiǎn)介

采用質(zhì)譜技術(shù)分析材料表面原子層以確定表面元素組成和分子結(jié)構(gòu)。二次離子質(zhì)譜可以分析包括氫在內(nèi)的全部元素，并能給出同位素的信息、分析化合物組分和分子構(gòu)成，靈敏度好、質(zhì)量分辨率高、可測(cè)量的分子量范圍大，還可以進(jìn)行微區(qū)成分成像和深度剖面分析。用于對(duì)材料表面進(jìn)行超高質(zhì)量分辨的元素和分子結(jié)構(gòu)的質(zhì)譜分析，獲得定性和定量的材料最表面的化學(xué)組成信息。另外，通過掃描式成像技術(shù)及離子刻蝕技術(shù)對(duì)材料進(jìn)行高空間分辨的二維或三維的化學(xué)成分分布的圖像表征。用于有機(jī)與無(wú)機(jī)材料、金屬、半導(dǎo)體、陶瓷、催化劑、生物組織、藥物、薄膜、涂層、土壤顆粒及納米材料等的化學(xué)成分表征。

  2.   工作原理

1）利用聚焦的一次離子束在樣品上進(jìn)行穩(wěn)定的轟擊，一次離子可能受到樣品表面的背散射（概率很小），也可能穿透固體樣品表面的一些原子層，深入到一定深度，在穿透過程中發(fā)生一系列彈性和非彈性碰撞。一次離子將其部分能量傳遞給晶格原子，這些原子中有一部分向表面運(yùn)動(dòng)，并把能量傳遞給表面離子使之發(fā)射，這種過程稱為粒子濺射。在一次離子束轟擊樣品時(shí)，還有可能發(fā)生另外一些物理和化學(xué)過程：一次離子進(jìn)入晶格，引起晶格畸變；在具有吸附層覆蓋的表面上引起化學(xué)反應(yīng)等。濺射粒子大部分為中性原子和分子，小部分為帶正、負(fù)電荷的原子、分子和分子碎片；

2）電離的二次粒子（濺射的原子、分子和原子團(tuán)等）按質(zhì)荷比實(shí)現(xiàn)質(zhì)譜分離；

3）收集經(jīng)過質(zhì)譜分離的二次離子，可以得知樣品表面和本體的元素組成和分布。在分析過程中，質(zhì)量分析器不但可以提供對(duì)于每一時(shí)刻的新鮮表面的多元素分析數(shù)據(jù)。而且還可以提供表面某一元素分布的二次離子圖像；

4）TOF（Time of Flight）的獨(dú)特之處在于其離子飛行時(shí)間只依賴于他們的質(zhì)量。由于其一次脈沖就可得到一個(gè)全譜，離子利用率最高，能最好地實(shí)現(xiàn)對(duì)樣品幾乎無(wú)損的靜態(tài)分析，而其更重要的特點(diǎn)是只要降低脈沖的重復(fù)頻率就可擴(kuò)展質(zhì)量范圍，從原理上不受限制。

  3.   性能指標(biāo)

SurfaceSeer-Ⅰ設(shè)備：

1）高分辨質(zhì)譜：

靈敏度：109個(gè)原子/cm2 (對(duì)于無(wú)機(jī)固體材料相當(dāng)于ppm級(jí))；

可檢測(cè)質(zhì)量范圍：1-3000 amu；

質(zhì)量分辨率：原子：1000(FWHM)；有機(jī)物：2000(FWHM)；

質(zhì)量準(zhǔn)確度：0.56 mamu；

2）微區(qū)成像：

SIMS化學(xué)成像，空間分辨率：0.2 μm；二次電子成像；

3）深度剖面：深度分辨率：1.1 nm；

一次離子源：AuGa液態(tài)金屬離子；

離子束能量：25 keV；

脈沖微區(qū)尺寸：0.2μm（低電流），0.5 μm（高電流）；

離子刻蝕槍：Cs+離子槍，離子束能量：0.5-5 keV；

正、負(fù)離子SIMS模式一鍵切換通氧；

低能脈沖電子槍（30eV），用于絕緣樣品分析。

  4.   局限性

樣品必須是固態(tài)以及真空兼容、測(cè)試過程是在材料極表面2~5μm內(nèi)發(fā)生的，對(duì)于要求一定深度的測(cè)試可能不能滿足。

  5.   應(yīng)用實(shí)例

1）離子污染：

高分辨率質(zhì)譜

二次離子成像

2）深度剖析：

二次離子深度剖析

使用二次離子質(zhì)譜分析功能，定性分析材料表面的元素成分和有機(jī)物，利用靈敏度系數(shù)根據(jù)質(zhì)譜峰的強(qiáng)度對(duì)元素和有機(jī)物進(jìn)行定量；使用二次離子成像功能，分析材料表面元素和有機(jī)物的面分布；使用Cs+槍對(duì)材料表面進(jìn)行刻蝕，利用二次離子質(zhì)譜強(qiáng)度對(duì)于薄膜或表面處理樣品在深度方向?qū)υ睾陀袡C(jī)物進(jìn)行分析，獲得深度分布曲線。