Масс-спектрометрия вторичных ионов.
Масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ) (англ. Secondary-Ion Mass Spectrometry, SIMS) — метод получения ионов из низколетучих, полярных и термически нестойких соединений в масс-спектрометрии.
Первоначально применялся для определения элементного состава низко-летучих веществ, однако впоследствии стал использоваться как десорбционный метод мягкой ионизации органических веществ. Используется для анализа состава твёрдых поверхностей и тонких плёнок. МСВИ — самая чувствительная из техник анализа поверхностей, способная обнаружить присутствие элемента в диапазоне 1 часть на миллиард.
Суть метода
Проба облучается сфокусированным пучком первичных ионов (например Xe+, Cs+, Ga+) с энергией от 100 эВ до нескольких кэВ (большая энергия используется в методе FAB). Образующийся в результате пучок вторичных ионов анализируется с помощью масс-спектрометра для определения элементного, изотопного или молекулярного состава поверхности.
Выход вторичных ионов составляет 0,1-0,01 %.
ВИМС обладает рядом уникальных возможностей:
1. Анализу можно подвергать любые твердые вещества без какой-либо специальной подготовки (металлы и сплавы,полупроводники, диэлектрики).
2. Регистрируются все элементы от водорода до трансурановых.
3. Идентификация изотопов не требует дополнительных усилий.
4. Чувствительность анализа на современных приборах составляет по концентрации ~ 1012 – 1016 атомов примеси в 1 см3 (~ 10-4 - 10-7%), по расходу вещества ~ 10-14 - 10-15 г (~ 10-6 монослоя).
5. Возможность проводить послойный анализ материалов свысокой разрешающей способностью по глубине – порядка 30 -100 Å.
6. Идентифицируются не только отдельные элементы, но и их химические соединения.
В тоже время метод имеет и некоторые недостатки:
1. Трудность точного количественного определения элементного состава образца, связанная с зависимостью вероятности ионизации частиц от их окружения.
2. Разрушающее воздействие пучка первичных ионов на исследуемый образец, и как следствие, возникновения эффектов связанных с перемешиванием и сегрегацией элементов на поверхности.
Требования к вакууму
Метод МСВИ требует создания условий высокого вакуума с давлениями ниже 10−4 Па (примерно 10−6 мбар или торр). Это необходимо, чтобы гарантировать, что вторичные ионы не сталкиваются с молекулами окружающего газа на их пути к датчику (длина свободного пробега), а также для предотвращения поверхностного загрязнения адсорбция частицами окружающего газа во время измерения.
Измерительный прибор
Классический анализатор на основе МСВИ включает в себя 1) первичную ионную пушку, производящую первичный ионный пучок, 2) коллиматор первичных ионов, ускоряющий и сосредотачивающий луч на образце (в некоторых устройствах с возможностью отделить первичные ионы специальным фильтром или создать пульсацию луча), 3) высоковакуумную камеру, содержащую образец и ионную линзу для извлечения вторичных ионов, 4) массовый анализатор, разделяющий ионы согласно их отношению заряда к массе, 5) устройства детектирования ионов.
Различают статический и динамический режимы МСВИ.
Статический
Используется небольшой поток ионов на единицу поверхности (< 5нА/см²). Таким образом, исследуемая поверхность остаётся практически невредимой.
Применяется для исследования органических проб.
Динамический
Поток первичных ионов большой (порядка мкА/см²), поверхность исследуется последовательно, со скоростью примерно 100 ангстрем в минуту.
Режим является деструктивным, и, следовательно, подходит больше для элементного анализа.
Эрозия пробы позволяет получить профиль распределения веществ по глубине.
Процесс распыления 
Схематически
процесс
распыления
показан на рис. 6-2.
Первичные ионы –
с энергией ~ 10
кэВ проникают на
глубину ~ 100 Å. В
процессе их
торможения в
решетке твердого
тела, вследствие парных взаимодействий,
развиваются каскады последовательных
столкновений между атомами матрицы.
Часть каскадов столкновений имеет
вероятность выйти на поверхность. Если
энергия поверхностного атома матрицы
в конце каскада достаточна для его
отрыва от поверхности, то происходит
его эмиссия или, иначе говоря, –
распыление. Глубина, на которой находились
распыленные частицы до их эмиссии,
называется глубиной выхода. Распределение
числа распыленных атомов от первоначальной
глубины их залегания имеет характерный
вид, изображенный на рис. 6-3. Оно зависит
от энергий и масс 
бомбардирующих ионов и
атомов мишени. Толщина слоя, с
которого выбивается половина
от общего числа распыленных
частиц (h1/2), обычно находится в
пределах 5 - 20 Å и определяет
максимально возможное
разрешение по глубине.
Пороговая энергия
распыления лежит в диапазоне
20 – 40 эВ.
Коэфициенты
В процессе распыления кроме атомарных ионов, образуются и
молекулярные. Однако число последних обычно значительно
меньше, чем первых. На рис. 6-4 показаны характерные
распределения по
поступательной 
кинетической
энергии для одно,
двух и трехатомных
ионов. Основное
отличие
распределения для
атомарных ионов от
распределения для
молекулярных ионов
состоит в том, что
молекулярные ионов
с энергией более 20 –
30 эВ практически
отсутствуют.
Схема установки
Пример: МСВИ –анализ лазерной гетероструктуры
времяпролетный масс-спектрометр вторичных ионов
Времяпролётный масс-анализатор — простейший вид масс-анализатора.
Во время-пролётном масс-анализаторе ионы вылетают из источника и попадают во время пролетную трубу, где отсутствует электрическое поле (бесполевой промежуток). Пролетев некоторое расстояние d , ионы регистрируются детектором ионов с плоской или почти плоской регистрирующей поверхностью. В 1950—1970 годах, в качестве детектора ионов использовался вторичный электронный умножитель «жалюзного типа» (Venetian blind), позже применялся комбинированный детектор, использующий две или иногда три последовательно расположенных микроканальных пластины (МКП).
Физический принцип работы время-пролётного масс-анализатора заключается в том, что разность потенциалов U ускоряет ионы в источнике ионов до скорости v согласно уравнению:
При фиксированной длине бесполевого промежутка от источника ионов до детектора ионов время полета ионов
тогда
Время-пролётный масс-анализатор является импульсным масс-анализатором, то есть ионы поступают из источника ионов во время-пролетную часть не непрерывно, а порциями через определенные интервалы времени. Такие масс-анализаторы совместимы с ионизацией лазерной десорбцией при содействии матрицы (МАЛДИ), так как в данном методе ионизации ионы также образуются не непрерывно, а при каждом импульсе лазера.
