離子探針分析儀,即離子探針(Ion Probe Analyzer,IPA�,又�(chēng)二次離子�(zhì)譜(Secondary Ion Mass Spectrum,SIMS),是利用電子光�(xué)方法把惰性氣體等初級(jí)離子加速并聚焦成細(xì)小的高能離子束轟擊樣品表�,使之激�(fā)和濺射二次離子,�(jīng)�(guò)加速和�(zhì)譜分�,分析區(qū)域可降低�1-2μm直徑�5nm的深�,正是適合表面成分分析的功能,它是表面分析的典型手段之一�
離子探針的原理是利用能量�1�20KeV的離子束照射在固體表面上,激�(fā)出正、負(fù)離子(濺射),利用質(zhì)譜儀�(duì)這些離子�(jìn)行分析,�(cè)量離子的�(zhì)荷比和強(qiáng)�,從而確定固體表面所含元素的種類(lèi)和數(shù)量�
被加速的一次離子束照射到固體表面上,打出二次離子和中性粒子等,這�(gè)�(xiàn)象稱(chēng)作濺�。濺射過(guò)程可以看成是單�(gè)入射離子和組成固體的原子之間�(dú)立的、一連串的碰撞所�(chǎn)生的� 右圖�(shuō)明入射的一次離子與固體表面的碰撞情��
入射離子一部分與表面發(fā)生彈性或非彈性碰撞后改變�(yùn)�(dòng)方向,飛向真�,這叫作一次離子散射(如圖中Ⅰ�;另外有一部分離子在單次碰撞中將其能量直接交給表面原子,并將表面原子逐出表面,使之以很高能量�(fā)射出�,這叫作反彈濺射(如圖中Ⅲ�;然而在表面上大量發(fā)生的是一次離子�(jìn)入固體表�,并通過(guò)一系列的級(jí)�(lián)碰撞而將其能量消耗在晶格�,注入到一定深度(通常為幾�(gè)原子層)。固體子受到碰撞,一旦獲得足夠的能量就會(huì)離開(kāi)晶格�(diǎn)陣,并再次與其它原子碰撞,使離開(kāi)晶格的原子增�,其中一部分影響到表�,當(dāng)這些受到影響的表面或近表面的原子具有逸出固體表面所需的能量和方向�(shí),它們就按一定的能量分布和角度分布發(fā)射出去(如圖中Ⅱ)。通常只有2-3�(gè)原子層中的原子可以逃逸出�(lái),因此二次離子的�(fā)射深度在1nm左右。可�(jiàn),來(lái)自發(fā)射區(qū)的發(fā)射粒子無(wú)疑代表著固體近表面區(qū)的信�,這正是SISM能�(jìn)行表面分析的基礎(chǔ)�
一次離子照射到固體表面引起濺射的產(chǎn)物種�(lèi)很多(下圖),其中二次離子只占總濺射�(chǎn)物的很小一部分(約�0.01-1%)。影響濺射產(chǎn)額的因素很多,一般來(lái)�(shuō),入射離子原子序�(shù)愈大,即入射離子愈重,濺射產(chǎn)額愈�;入射離子能量愈大,濺射�(chǎn)額也增高,但�(dāng)入射離子能量很高�(shí),它射入晶格的深度加大將造成深層原子不能逸出表面,濺射產(chǎn)額反而下降�
離子探針主要由三部分組成:一次離子發(fā)射系�(tǒng)、質(zhì)譜儀、二次離子的記錄和顯示系�(tǒng)。前兩者處于壓�(qiáng)�10-7Pa的真空室�(nèi)。其�(jié)�(gòu)原理如圖所��
� 一次離子發(fā)射系�(tǒng)
一次離子發(fā)射系�(tǒng)由離子源(或�(chēng)離子�?zhuān)┖屯哥R組成。離子源是發(fā)射一次離子的裝置,通常是用幾百伏特的電子束轟擊氣體分子(如惰性氣體氦、氖、氬等),使氣體分子電離,產(chǎn)生一次離�。在電壓作用�,離子從離子槍內(nèi)射出,再�(jīng)�(guò)幾�(gè)電磁透鏡使離子束聚焦,照射在樣品表面上激�(fā)二次離子。用一�(gè)電壓約為1KV的引出電極將二次離子引入�(zhì)譜儀�
� �(zhì)譜儀
�(zhì)譜儀由扇形電�(chǎng)和扇形磁�(chǎng)組成。二次離子首先�(jìn)入一�(gè)扇形電場(chǎng),稱(chēng)為靜電分析器。在電場(chǎng)�(nèi),離子沿半徑為r的圓形軌道運(yùn)�(dòng),由電場(chǎng)�(chǎn)生的力等于向心力。運(yùn)�(dòng)軌道半徑r等于mv2/eE,與離子的能量成正比。所以扇形電�(chǎng)能使能量相同的離子作相同程度的偏�(zhuǎn)。由電場(chǎng)偏轉(zhuǎn)后的二次離子再�(jìn)入扇形磁�(chǎng)(磁分析器)�(jìn)行第二次聚焦。由磁通產(chǎn)生的洛侖茲力等于向心�。不同質(zhì)荷比的離子聚焦在成像面的不同�(diǎn)�。如果C狹縫固定不動(dòng),聯(lián)系改變扇形磁�(chǎng)的強(qiáng)�,便有不同質(zhì)量的離子通過(guò)C狹縫�(jìn)入探�(cè)�。B狹縫�(chēng)為能量狹縫,改變狹縫的寬度可選擇不同能量的二次離子�(jìn)入磁�(chǎng)�
� 離子探測(cè)系統(tǒng)
離子探測(cè)器是二次電子倍增�,內(nèi)是彎曲的電極,各電極之間施加100-300V的電�,以便逐級(jí)加速電�。二次離子通過(guò)�(zhì)譜儀后直接與電子倍增管的初級(jí)電極相碰�,產(chǎn)生二次電子發(fā)射。二次電子被第二�(jí)電極吸引并加�,在其上轟擊出更多的二次電子,這樣逐級(jí)倍增,�(jìn)入記錄和觀察系�(tǒng)�
二次離子的記錄和觀察系�(tǒng)與電子探針相�,可在陰極射線管上顯示二次離子像,給出某元素的面分布�,或在記錄儀上畫(huà)出所有元素的二次離子�(zhì)譜圖�
SISM有以下幾�(gè)特點(diǎn)�
1. 由于離子束在固體表面的穿透深度(幾�(gè)原子層的深度)比電子束淺,可�(duì)這樣的極薄表層�(jìn)行成份分析�
2. 可分析包括氫、鋰元素在內(nèi)的輕元素,特別是氫元�,這種功能是其它儀器不具備的�
3. 可探�(cè)痕量元素(~50×10-9,電子探針的極限為~0.01%��
4. 可作同位素分��
由于SISM的特�(diǎn),目前可以應(yīng)用于下列五�(gè)方面的分析研究:
1. 表面分析(包括單分子層的分析�,諸如催�、腐�、吸�、和�(kuò)散等一些表面現(xiàn)象均通過(guò)SISM獲得了成功的分析研究�
2. 深度剖面分析(深度大�50nm的分析),在薄膜分析、擴(kuò)散和離子諸如等有�(guān)研究�,SISM是測(cè)定雜�(zhì)和同位素的深度濃� 分布最有效的表面分析工��
3. 面分� 通過(guò)離子成像法可以提供關(guān)于元素橫向分布的信息和適�(dāng)條件下單定量信息。目前離子成像已�(jīng)用于研究晶界析出�、冶金和單晶的效�(yīng)、橫向擴(kuò)�、礦物相的特征以及表面雜�(zhì)分布等�
4. 微區(qū)分析(區(qū)域直徑小�25μm的微區(qū)�,用于元素的痕量分析、雜�(zhì)分析、空氣中懸浮粒子的分析等�
5. 體分� 即對(duì)固體一般特性的分析� 由于離子探針有許多優(yōu)�(diǎn),故自問(wèn)世以�(lái)在半�(dǎo)�、金�、礦物、環(huán)境保�(hù)、同位素和催化劑各�(gè)方面的應(yīng)用都有很大發(fā)��
�1)在半導(dǎo)體材料方面的�(yīng)�
由于半導(dǎo)體材料純度要求很�,要求分析的區(qū)域最�,迫切要求做表面分析和深度分�,因此也是最適合離子探針�(fā)揮作用的�(lǐng)�,其中有代表性的工作有:
· 表面、界面和體材料的雜質(zhì)分析
· 離子注入濃度及摻雜的�(cè)�
· 在實(shí)效分析方面的�(yīng)�
�2)在金屬材料方面的應(yīng)�
離子探正在金屬材料的表面,薄層深度和微量分析方面�(yīng)用是很廣泛的�
· �(cè)定各種鋼材和合金表面的鈍化膜、滲氮層、氧化墨中的成分�
· �(cè)定各種金屬之間的相互�(kuò)�、滲�,了解其性質(zhì)�
· �(cè)定鋼和金屬的析出相、夾雜物、碳化物的成分、稀土元素以及硼、磷等在鋼材晶界上的偏析�
· �(cè)定注入到金屬表層中的摻雜元素的深度分��
· �(cè)定金屬表面的沾污和沾物的成分�
�3)在地質(zhì)礦物方面的應(yīng)�
由于離子探針不需要預(yù)先分離樣�,樣品消耗量少,并可以直接利用電�(xué)方法加以紀(jì)記錄,因此在地質(zhì)方面有著廣泛的應(yīng)用:
· �(cè)定隕石中微量元素含量及其分布,以及同位素的豐度比�
· �(cè)定月球上的稀土元�、堿土元素并與地球上的元素�(jìn)行對(duì)比�
· �(cè)定長(zhǎng)石中的氧、氟化鋰中的�,云母中的鉀的擴(kuò)��
· �(cè)定礦物表面的氧化層的成分,找出的選礦工藝�
�4� 在生物樣品方面的�(yīng)�
· �(cè)定牙齒和軟骨組織中的微量元素的含量和鋰的同位素豐度比�
· 研究牙齒中的氟含量與齲齒的關(guān)��
· 分析葉子中鈣、鉀、硼、鈉、鎂、錳等常�(jiàn)元素的含�,以便研究元素含量的影響�
�5)在陶瓷工業(yè)中的�(yīng)�
· �(cè)定磷硅玻璃、氮化硼、硼硅玻璃中的微量元素含量及其分��
· 分析稀土元素在水口磚中的擴(kuò)散,與稀土澆注結(jié)瘤的�(guān)��
維庫(kù)電子通,電子知識(shí),一查百��
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