使用TOF-SIMS進(jìn)行材料研究

靜態(tài)SIMS是一種非常靈敏的表面分析技術(shù)，能在只消耗樣品單層一小部分的情況下，獲得詳細(xì)的質(zhì)譜圖。被分析的分子來(lái)自固體表面前幾層，這對(duì)于探討材料關(guān)鍵區(qū)域例如附著力或催化等性質(zhì)至關(guān)重要。

 

Kore公司的TOF-SIMS SurfaceSeer系列產(chǎn)品為科研和工業(yè)領(lǐng)域提供了高性價(jià)比的表面分析解決方案。以下數(shù)據(jù)展示了SurfaceSeer儀器在材料研究和分析方面的一些優(yōu)勢(shì)。

 

實(shí)驗(yàn)

質(zhì)量分辨率和準(zhǔn)確性

 

圖1. 污染鋁接頭

 

近來(lái)，儀器的質(zhì)量分辨率和準(zhǔn)確度均已經(jīng)提高到2000（M /ΔM）以上。上圖展示了從一個(gè)污染鋁探針采集的光譜數(shù)據(jù)，顯示出有機(jī)和無(wú)機(jī)污染物。在預(yù)期的準(zhǔn)確質(zhì)量處標(biāo)有刻度，可以清晰地觀察到每種物質(zhì)的測(cè)量峰值。
 

下圖是一臺(tái)較舊儀器的數(shù)據(jù)，展示了各種不同的應(yīng)用。

 

圖2. 被銅，鐵和鉻污染的硅片

上述質(zhì)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(dāng)于千分之一單層覆蓋）。質(zhì)量范圍在50至71之間，質(zhì)量分辨率（M/ΔM）大于1000，這樣就可以把金屬和烴類物質(zhì)在相同名義質(zhì)量下分開。精確的質(zhì)量測(cè)定能更有信心地進(jìn)行峰值分配。例如，62.94對(duì)應(yīng)一個(gè)單峰，代表⁶³Cu同位素，其確切質(zhì)量為62.94。質(zhì)量65處有個(gè)雙重峰, 主要來(lái)源于64.95的質(zhì)量, 這是⁶⁵ Cu同位素，其確切質(zhì)量是64.93。通常情況下, 質(zhì)量精度應(yīng)≥20毫道爾頓單位以上。當(dāng)質(zhì)量為55時(shí)，出現(xiàn)一個(gè)單峰，其質(zhì)量“過剩”為0.06道爾頓單位，代表化合物C₄H₇，其精確質(zhì)量為55.055。再增加一個(gè)道爾頓單位后，主峰位于55.94，對(duì)應(yīng)于⁵⁶Fe元素，其精確質(zhì)量為55.935。在質(zhì)量為52時(shí)，則呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu)，其中一個(gè)峰位于51.94，另一個(gè)位于52.04。它們分別對(duì)應(yīng)于⁵²Cr（其質(zhì)量為51.94）和C₄H₄（其質(zhì)量為52.03）。

 

靈敏度

在五分鐘的采集時(shí)間內(nèi)，SurfaceSeer對(duì)已知表面濃度為2 x 10¹² atoms/cm² 的銅樣品進(jìn)行記錄，計(jì)數(shù)超過26,000個(gè)，檢出限約為2×10⁹ atoms/cm²。

 

質(zhì)量范圍

盡管該系統(tǒng)未配備后加速檢測(cè)器，但它能夠測(cè)量出過去的1000 個(gè)質(zhì)荷比（只要離子是由SIMS過程產(chǎn)生的）。以下是一些示例：

 

圖3. 正離子SIMS中的銫碘化物團(tuán)簇

 

圖4. 負(fù)離子SIMS中的鉬氧化物團(tuán)簇（MoO₃）₃

 

圖5. 結(jié)晶紫的完整質(zhì)譜圖，其中M-Cl+峰位于質(zhì)量為373

 

絕緣體分析

對(duì)絕緣樣品進(jìn)行SIMS分析相對(duì)簡(jiǎn)單，適用于各種類型的絕緣樣品。在TOF周期內(nèi)，會(huì)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(qǐng)留意表面上的鋰元素（在正確的同位素比率下，質(zhì)量數(shù)為6和7）

 

圖7. 通用雙面膠帶的正離子SIMS譜圖

相對(duì)而言，這種通用型雙面膠呈現(xiàn)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(diǎn)放大到質(zhì)量數(shù)為28的物質(zhì)上，我們會(huì)看到它是一個(gè)分裂的峰；較低質(zhì)量的峰是硅28，較高的質(zhì)量峰是C₂H₄。通過檢測(cè)硅原子以及其他來(lái)自PDMS的特征峰，可以確認(rèn)硅氧烷的存在。這條信息是要避免使用廉價(jià)的通用雙面膠產(chǎn)品，而要使用Scotch品牌的產(chǎn)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(fù)離子SIMS譜圖

負(fù)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(xiàn)的特征峰。

 

在下一個(gè)例子中，我們觀察到來(lái)自未印刷紙張（藍(lán)色軌跡）和帶有墨印的同一張紙（紅色軌跡）的質(zhì)譜數(shù)據(jù)。未印刷的紙張?jiān)谫|(zhì)量39.96處呈現(xiàn)特征峰，是由于紙張表面通常含有高嶺土，即鈣質(zhì)（極白的紙張含有很高的高土）。一旦紙張被印刷，覆蓋層會(huì)掩蓋Ca峰。相反，由于存在有機(jī)基墨，烴類峰的強(qiáng)度增加。

 

圖10. 紙張的正離子SIMS光譜

 

最后是幾個(gè)相對(duì)純的聚合物樣本

 

圖11. PET的正離子SIMS光譜

PET（聚對(duì)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(duì)數(shù)標(biāo)度）

PTFE膠帶的正離子SIMS質(zhì)譜圖顯示了直至質(zhì)量531的特征離子。所有這些峰都可分配給各種CxFy 組合。請(qǐng)注意，為了適應(yīng)較大的動(dòng)態(tài)范圍，使用了對(duì)數(shù)標(biāo)度。