使用TOF-SIMS進行材料研究

靜態SIMS是一種非常靈敏的表面分析技術，能在只消耗樣品單層一小部分的情況下，獲得詳細的質譜圖。被分析的分子來自固體表面前幾層，這對于探討材料關鍵區域例如附著力或催化等性質至關重要。

 

Kore公司的TOF-SIMS SurfaceSeer系列產品為科研和工業領域提供了高性價比的表面分析解決方案。以下數據展示了SurfaceSeer儀器在材料研究和分析方面的一些優勢。

 

實驗

質量分辨率和準確性

 

圖1. 污染鋁接頭

 

近來，儀器的質量分辨率和準確度均已經提高到2000（M /ΔM）以上。上圖展示了從一個污染鋁探針采集的光譜數據，顯示出有機和無機污染物。在預期的準確質量處標有刻度，可以清晰地觀察到每種物質的測量峰值。
 

下圖是一臺較舊儀器的數據，展示了各種不同的應用。

 

圖2. 被銅，鐵和鉻污染的硅片

上述質譜圖顯示，在硅片表面有銅、鐵和鉻污染（約為2 x 10 ¹²原子/cm²，相當于千分之一單層覆蓋）。質量范圍在50至71之間，質量分辨率（M/ΔM）大于1000，這樣就可以把金屬和烴類物質在相同名義質量下分開。精確的質量測定能更有信心地進行峰值分配。例如，62.94對應一個單峰，代表⁶³Cu同位素，其確切質量為62.94。質量65處有個雙重峰, 主要來源于64.95的質量, 這是⁶⁵ Cu同位素，其確切質量是64.93。通常情況下, 質量精度應≥20毫道爾頓單位以上。當質量為55時，出現一個單峰，其質量“過剩”為0.06道爾頓單位，代表化合物C₄H₇，其精確質量為55.055。再增加一個道爾頓單位后，主峰位于55.94，對應于⁵⁶Fe元素，其精確質量為55.935。在質量為52時，則呈現雙峰結構，其中一個峰位于51.94，另一個位于52.04。它們分別對應于⁵²Cr（其質量為51.94）和C₄H₄（其質量為52.03）。

 

靈敏度

在五分鐘的采集時間內，SurfaceSeer對已知表面濃度為2 x 10¹² atoms/cm² 的銅樣品進行記錄，計數超過26,000個，檢出限約為2×10⁹ atoms/cm²。

 

質量范圍

盡管該系統未配備后加速檢測器，但它能夠測量出過去的1000 個質荷比（只要離子是由SIMS過程產生的）。以下是一些示例：

 

圖3. 正離子SIMS中的銫碘化物團簇

 

圖4. 負離子SIMS中的鉬氧化物團簇（MoO₃）₃

 

圖5. 結晶紫的完整質譜圖，其中M-Cl+峰位于質量為373

 

絕緣體分析

對絕緣樣品進行SIMS分析相對簡單，適用于各種類型的絕緣樣品。在TOF周期內，會施加低能電子脈沖到樣品上，以防止電荷積累。

 

圖6. 雙面Scotch 膠帶的正離子SIMS譜圖

該膠帶十分清潔，不含有硅氧烷污染物。請留意表面上的鋰元素（在正確的同位素比率下，質量數為6和7）

 

圖7. 通用雙面膠帶的正離子SIMS譜圖

相對而言，這種通用型雙面膠呈現出典型的硅氧烷表面污染跡象：28、43、73和147的峰值高于正常水平。

 

圖8. 通用雙面膠帶的正離子SIMS譜圖

如果我們將焦點放大到質量數為28的物質上，我們會看到它是一個分裂的峰；較低質量的峰是硅28，較高的質量峰是C₂H₄。通過檢測硅原子以及其他來自PDMS的特征峰，可以確認硅氧烷的存在。這條信息是要避免使用廉價的通用雙面膠產品，而要使用Scotch品牌的產品，它們非常干凈，適合在SIMS中固定樣品。

 

圖9. 通用雙面膠的負離子SIMS譜圖

負離子SIMS譜圖同樣顯示了硅氧烷在28（Si），59（CH₃SiO），60（SiO₂ ），149(CH₃ )₃ Si-O-SiO₂ 和165 處出現的特征峰。

 

在下一個例子中，我們觀察到來自未印刷紙張（藍色軌跡）和帶有墨印的同一張紙（紅色軌跡）的質譜數據。未印刷的紙張在質量39.96處呈現特征峰，是由于紙張表面通常含有高嶺土，即鈣質（極白的紙張含有很高的高土）。一旦紙張被印刷，覆蓋層會掩蓋Ca峰。相反，由于存在有機基墨，烴類峰的強度增加。

 

圖10. 紙張的正離子SIMS光譜

 

最后是幾個相對純的聚合物樣本

 

圖11. PET的正離子SIMS光譜

PET（聚對苯二甲酸乙二酯）的正離子SIMS光譜。在104 / 105、149和191/193處觀察到特征峰。

 

圖12. PTFE的正離子SIMS光譜（對數標度）

PTFE膠帶的正離子SIMS質譜圖顯示了直至質量531的特征離子。所有這些峰都可分配給各種CxFy 組合。請注意，為了適應較大的動態范圍，使用了對數標度。