使用TOF-SIMS进行材料研究

静态SIMS是一种非常灵敏的表面分析技术，能在只消耗样品单层一小部分的情况下，获得详细的质谱图。被分析的分子来自固体表面前几层，这对于探讨材料关键区域例如附着力或催化等性质至关重要。

 

Kore公司的TOF-SIMS SurfaceSeer系列产品为科研和工业领域提供了高性价比的表面分析解决方案。以下数据展示了SurfaceSeer仪器在材料研究和分析方面的一些优势。

 

实验

质量分辨率和准确性

 

图1. 污染铝接头

 

近来，仪器的质量分辨率和准确度均已经提高到2000（M /ΔM）以上。上图展示了从一个污染铝探针采集的光谱数据，显示出有机和无机污染物。在预期的准确质量处标有刻度，可以清晰地观察到每种物质的测量峰值。
 

下图是一台较旧仪器的数据，展示了各种不同的应用。

 

图2. 被铜，铁和铬污染的硅片

上述质谱图显示，在硅片表面有铜、铁和铬污染（约为2 x 10 ¹²原子/cm²，相当于千分之一单层覆盖）。质量范围在50至71之间，质量分辨率（M/ΔM）大于1000，这样就可以把金属和烃类物质在相同名义质量下分开。精确的质量测定能更有信心地进行峰值分配。例如，62.94对应一个单峰，代表⁶³Cu同位素，其确切质量为62.94。质量65处有个双重峰, 主要来源于64.95的质量, 这是⁶⁵ Cu同位素，其确切质量是64.93。通常情况下, 质量精度应≥20毫道尔顿单位以上。当质量为55时，出现一个单峰，其质量“过剩”为0.06道尔顿单位，代表化合物C₄H₇，其精确质量为55.055。再增加一个道尔顿单位后，主峰位于55.94，对应于⁵⁶Fe元素，其精确质量为55.935。在质量为52时，则呈现双峰结构，其中一个峰位于51.94，另一个位于52.04。它们分别对应于⁵²Cr（其质量为51.94）和C₄H₄（其质量为52.03）。

 

灵敏度

在五分钟的采集时间内，SurfaceSeer对已知表面浓度为2 x 10¹² atoms/cm² 的铜样品进行记录，计数超过26,000个，检出限约为2×10⁹ atoms/cm²。

 

质量范围

尽管该系统未配备后加速检测器，但它能够测量出过去的1000 个质荷比（只要离子是由SIMS过程产生的）。以下是一些示例：

 

图3. 正离子SIMS中的铯碘化物团簇

 

图4. 负离子SIMS中的钼氧化物团簇（MoO₃）₃

 

图5. 结晶紫的完整质谱图，其中M-Cl+峰位于质量为373

 

绝缘体分析

对绝缘样品进行SIMS分析相对简单，适用于各种类型的绝缘样品。在TOF周期内，会施加低能电子脉冲到样品上，以防止电荷积累。

 

图6. 双面Scotch 胶带的正离子SIMS谱图

该胶带十分清洁，不含有硅氧烷污染物。请留意表面上的锂元素（在正确的同位素比率下，质量数为6和7）

 

图7. 通用双面胶带的正离子SIMS谱图

相对而言，这种通用型双面胶呈现出典型的硅氧烷表面污染迹象：28、43、73和147的峰值高于正常水平。

 

图8. 通用双面胶带的正离子SIMS谱图

如果我们将焦点放大到质量数为28的物质上，我们会看到它是一个分裂的峰；较低质量的峰是硅28，较高的质量峰是C₂H₄。通过检测硅原子以及其他来自PDMS的特征峰，可以确认硅氧烷的存在。这条信息是要避免使用廉价的通用双面胶产品，而要使用Scotch品牌的产品，它们非常干净，适合在SIMS中固定样品。

 

图9. 通用双面胶的负离子SIMS谱图

负离子SIMS谱图同样显示了硅氧烷在28（Si），59（CH₃SiO），60（SiO₂ ），149(CH₃ )₃ Si-O-SiO₂ 和165 处出现的特征峰。

 

在下一个例子中，我们观察到来自未印刷纸张（蓝色轨迹）和带有墨印的同一张纸（红色轨迹）的质谱数据。未印刷的纸张在质量39.96处呈现特征峰，是由于纸张表面通常含有高岭土，即钙质（极白的纸张含有很高的高土）。一旦纸张被印刷，覆盖层会掩盖Ca峰。相反，由于存在有机基墨，烃类峰的强度增加。

 

图10. 纸张的正离子SIMS光谱

 

最后是几个相对纯的聚合物样本

 

图11. PET的正离子SIMS光谱

PET（聚对苯二甲酸乙二酯）的正离子SIMS光谱。在104 / 105、149和191/193处观察到特征峰。

 

图12. PTFE的正离子SIMS光谱（对数标度）

PTFE胶带的正离子SIMS质谱图显示了直至质量531的特征离子。所有这些峰都可分配给各种CxFy 组合。请注意，为了适应较大的动态范围，使用了对数标度。