二次离子质谱仪

二次离子质谱仪（SIMS）用高能电离轰击样品表面，这导致样品表面上的原子或原子团吸收能量并通过溅射产生二次粒子。这些带电粒子通过质量分析器后，可以获得有关样品表面的信息光谱。 

在传统的SIMS实验中，高能量的一次离子束（如Ga，Cs或Ar离子）在超真空条件下聚焦在固体样品表面上。一次离子束与样品相互作用，二次离子在材料表面溅射并解吸。然后将这些次级离子提取到质量分析仪中，以提供具有分析表面特征的质谱图，并生成有关元素，同位素和分子的信息，其灵敏度范围从PPM到PPB。 SIMS仪器有三种Z基本的类型，每种类型使用不同的质量分析仪。

质谱原理

二次离子质谱仪（SIMS）是基于质谱的表面分析技术。二次离子质谱的原理是基于一次离子与样品表面之间的相互作用。一次有数千个电子能量轰击样品表面，在轰击区域使得包括离子的散射和表面原子，原子团，正负离子的溅射以及表面化学反应等一系列物理和化学过程引起了，使得二次离子产生，在得到有关表面质谱的信息前，对带电粒子进行质量分析，以下简称二次离子质谱。

利用质谱图能够使得样品表面上的分子，元素和同位素的信息被获取，能够用来进行样品表面化学元素或化合物的内部分布情况的检测，也可以用于生物组织和细胞表面或内部成像分析化学成分，和表面扫描和剥离配合（溅射剥离速度能够达到每小时10微米），还能够使得样品表面或内部化学成分的三维图像获取到。二次离子质谱仪十分的灵敏，能够达到PPM甚至PPB的数量级。它还能够执行微区域成分成像和深度剖面分析。

二次离子质谱仪（SIMS）用高能电离轰击样品表面，这导致样品表面上的原子或原子团吸收能量并通过溅射产生二次粒子。这些带电粒子通过质量分析器后，可以获得有关样品表面的信息光谱。 

在传统的SIMS实验中，高能量的一次离子束（如Ga，Cs或Ar离子）在超真空条件下聚焦在固体样品表面上。一次离子束与样品相互作用，二次离子在材料表面溅射并解吸。然后将这些次级离子提取到质量分析仪中，以提供具有分析表面特征的质谱图，并生成有关元素，同位素和分子的信息，其灵敏度范围从PPM到PPB。 SIMS仪器有三种Z基本的类型，每种类型使用不同的质量分析仪。

发展历程

自从邓诺尔（Dunnoyer）首次发现离子在真空中直线运动以来已有100年了。从那时起，分子束的应用一直持续到20世纪至21世纪，为重大技术进步和基础研究奠定了基础，其中分子束作为溅射源的应用就是其中之一。

虽然在19世纪中叶观察到溅射，然而直到1840年代，随着真空技术的发展，Herzog和Viehbock才首次通过实验证明了二次离子溅射。随后，Laegreid和Wehner的实验证明，溅射过程中产生的离子可用于产生次级离子。然后，在1860年代，其他研究人员，例如纳尔逊（Nelson）和西格蒙德（Sigmund），研究了溅射的机理，以使对这种现象的理解更加直观。

虽然TOF分析仪出现得较早，然而因为技术困难，直到1982年才在SIMS仪器设计中使用它。 Mueller和Krishnaswamy领导了为表面分析质谱仪设计TOF的早期工作。他们在原子探针上安装了由Oetjen和Poschenrieder开发的以能量为ZX的TOF分析仪。已故的德国科学家Benni Ghoven及其团队是shou个为SIMS设计此类设备的，现已上市。他们是shou个使用磁偏转质量分析仪和四棒质量分析仪进行s-SIMS研究的人。 TOF-SIMS的开发始于

二次离子质谱仪（SIMS）用高能电离轰击样品表面，这导致样品表面上的原子或原子团吸收能量并通过溅射产生二次粒子。这些带电粒子通过质量分析器后，可以获得有关样品表面的信息光谱。 

在传统的SIMS实验中，高能量的一次离子束（如Ga，Cs或Ar离子）在超真空条件下聚焦在固体样品表面上。一次离子束与样品相互作用，二次离子在材料表面溅射并解吸。然后将这些次级离子提取到质量分析仪中，以提供具有分析表面特征的质谱图，并生成有关元素，同位素和分子的信息，其灵敏度范围从PPM到PPB。 SIMS仪器有三种Z基本的类型，每种类型使用不同的质量分析仪。

仪器分类

该领域Z常用的SIMS仪器有三种基本类型，每种类型使用不同的质量分析仪：

1.四级棒式二次离子质谱仪

因为这些仪器的质量分辨率相对有限（单位质量分辨率无法解析每个峰的质量），所以这些仪器变得越来越稀有。四级棒使用共振电场，在该共振电场中，只有特定质量的离子在整个振荡场中是稳定的。与扇形磁场仪器类似，这些仪器需要在高离子电流下运行，一般被叫做“动态二次离子质谱”仪器（例如，用于溅射深度分析和/或用于总固体样品分析）。

现在，虽然这些设计在SIMS世界中Z常见，然而依然有许多令人兴奋的新设计涌现出，它们可能在未来扮演更重要的角色。这些新设计包括各种质谱仪中的连续离子束设计（例如使用四极或飞行时间质谱仪的串联质谱（MS-MS）分析）以及傅立叶变换离子回旋共振（FT- ICR），其分辨率达到或超过一百万。

2.飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）

在这种类型的质谱仪中，次级离子被提取到无场漂移管中，并沿着给定的飞行路径到达离子检测器。因为给定离子的速度与质量成反比，所以其飞行时间将相应地发生变化，较重的离子比较轻的离子晚到达检测器。这样的质谱仪能够同时以优异的质量分辨率检测给定极性的所有次级离子。

另外，因为此类质谱仪被设计为利用在极低电流（p

二次离子质谱仪（SIMS）用高能电离轰击样品表面，这导致样品表面上的原子或原子团吸收能量并通过溅射产生二次粒子。这些带电粒子通过质量分析器后，可以获得有关样品表面的信息光谱。 

在传统的SIMS实验中，高能量的一次离子束（如Ga，Cs或Ar离子）在超真空条件下聚焦在固体样品表面上。一次离子束与样品相互作用，二次离子在材料表面溅射并解吸。然后将这些次级离子提取到质量分析仪中，以提供具有分析表面特征的质谱图，并生成有关元素，同位素和分子的信息，其灵敏度范围从PPM到PPB。 SIMS仪器有三种Z基本的类型，每种类型使用不同的质量分析仪。

二次离子质谱仪组成

离子源，样品室，质量分析仪，真空系统，数据处理系统等为SIMS的主要构成部分，还配备了电荷补偿和喷枪用于绝缘样品，同时按照不同的分析目的，还配备了具有不同的离子源，气体放电功率（例如O，Ar，Xe），表面电离源间隙（Cs），热源（例如C60）以及液态金属和簇源（例如Bin，Aun，Ga）比较常见。

这是一种用于对材料的表面进行检测的分析仪器，即通过离子束从表面溅射出待分析的材料，然后进行离子成分的检测并对质量进行分析。它是用于粒子同位素分析的强大工具，然而它不能直接对相同数量的异位进行区分和对元素进行识别，并且很难有效地在环境样品中将具有特定成分的粒子找到。

二次离子质谱法的特征

1.它的信息深度很小（比1nm还小）；能够对材料的Z外层（原子层）的结构进行分析。

2.空间分辨率非常的高和样品表面结构（小于50nm）比较清晰。

3.能够检测质量的范围包括原子量单位低于12,000的所有材料，包括H和He等元素。

4.分子离子峰和官能团碎片峰能够同时给出；能够对化合物和有机大分子的整体结构方便地进行分析。

5.双束离子源可用于深度解析度小于1 nm的样品。

6.使样品Z表层的1-3个原子的信息深度获得；

7.能够检测同位素进行同位素分析；

8.

二次离子质谱仪（SIMS）用高能电离轰击样品表面，这导致样品表面上的原子或原子团吸收能量并通过溅射产生二次粒子。这些带电粒子通过质量分析器后，可以获得有关样品表面的信息光谱。 

在传统的SIMS实验中，高能量的一次离子束（如Ga，Cs或Ar离子）在超真空条件下聚焦在固体样品表面上。一次离子束与样品相互作用，二次离子在材料表面溅射并解吸。然后将这些次级离子提取到质量分析仪中，以提供具有分析表面特征的质谱图，并生成有关元素，同位素和分子的信息，其灵敏度范围从PPM到PPB。 SIMS仪器有三种Z基本的类型，每种类型使用不同的质量分析仪。

操作模式

SIMS大概能够分成两类，包括“静态二次离子质谱”以及“动态二次离子质谱”。尽管从工作原理上来讲，他们的本质区别不大，然而两种模式的应用特点却有所差异。划分两种模式的主要标准为一次离子束流密度大小。通常在在S-SIMS模式下，将一次离子束流控制在1013 离子/cm2，飞行时间质量分析器较为常用。动态二次离子质谱就是一次离子束流比10离子/cm2高，双聚焦质量分析器较为常用。

SIMS操作模式能够分成质谱表面谱、成像模式、深度剖析等。其中质谱模式有着Z高的质量分辨率。对于各种材料中所含有的元素、材料中的掺杂、污染物中的成分等的鉴别较为常用。二次离子在二维平面上的强度分布，即是二次离子质谱成像，能够将成分的分布比较直观的显示出来。使得元素离子、分子碎片或分子离子的形貌获得。交替式地对分析样品表面溅射剥离和对溅射区域采集图谱，即是深度剖析，由深度剖析结果中能够使得不同成分沿深度方向的分布得到。能够使样品深层或内部化学成分的三维图像获得。能够分析材料或者生物组织微区成分。

分析物要求

固体或者粉末、纤维、块状、片状、甚至液体（微流控装置）均能够作为二次离子的常规检测中用于分析的样品。若考虑到导电性因素，这些样品既能够为导电性好的材料，也能够为

二次离子质谱仪（SIMS）用高能电离轰击样品表面，这导致样品表面上的原子或原子团吸收能量并通过溅射产生二次粒子。这些带电粒子通过质量分析器后，可以获得有关样品表面的信息光谱。 

在传统的SIMS实验中，高能量的一次离子束（如Ga，Cs或Ar离子）在超真空条件下聚焦在固体样品表面上。一次离子束与样品相互作用，二次离子在材料表面溅射并解吸。然后将这些次级离子提取到质量分析仪中，以提供具有分析表面特征的质谱图，并生成有关元素，同位素和分子的信息，其灵敏度范围从PPM到PPB。 SIMS仪器有三种Z基本的类型，每种类型使用不同的质量分析仪。

应用

当前二次离子质谱领域得到非常迅猛地发展，在地球中微量元素，宇宙中同位素比例，薄膜的组分测量和其他无机材料，以及半导体制造中元素掺杂等领域均具有举足轻重的地位。

材料薄膜结构利用二次离子质谱的深度剖析来分析的分析手段非常的独特，特别是对于不同薄层中的材料，以及相邻两层之间材料的分析的相互影响，亚微米尺度下的特征、缺陷或者污染的分析对于诸多工业应用领域的影响至关重要。例如特殊反射面，复合材料，硬盘磁头加工，半导体器件加工等等。

通过二次离子质谱的深度剖析来分析材料薄膜结构是一种独特的分析手段，尤其是对于分析不同薄层中的材料，以及相邻两层之间材料的相互影响 分析亚微米尺度下的特征、缺陷或者污染，对于诸多工业应用领域具有至关重要的影响，比如：半导体器件加工，硬盘磁头加工，特殊反射面，复合材料等等。

除此以外，科技前沿问题的本质探索的有力工具还包括对二次粒子质谱的利用。比如在生命科学领域可视化分析单细胞，能够使得药物在细胞内的吸收，分布，代谢等信息获得，还能够将药物在组织或者细胞中的定位研究出来，对于药物的靶向性的提高和药物的合理设计的意义非常重要。

总而言之，二次离子质谱技术有着非常广泛的应用，如环境，单细胞，集成电路，环境，单细胞，生物医药，化学化

二次离子质谱仪（SIMS）用高能电离轰击样品表面，这导致样品表面上的原子或原子团吸收能量并通过溅射产生二次粒子。这些带电粒子通过质量分析器后，可以获得有关样品表面的信息光谱。 

在传统的SIMS实验中，高能量的一次离子束（如Ga，Cs或Ar离子）在超真空条件下聚焦在固体样品表面上。一次离子束与样品相互作用，二次离子在材料表面溅射并解吸。然后将这些次级离子提取到质量分析仪中，以提供具有分析表面特征的质谱图，并生成有关元素，同位素和分子的信息，其灵敏度范围从PPM到PPB。 SIMS仪器有三种Z基本的类型，每种类型使用不同的质量分析仪。

基本要求

1.静态分析要求一次离子束流要有较低的密度，因此，常常选用较大尺寸的束斑以便使得一定的灵敏度得以保持。面分布及深度剖面分析要求束斑直径小且可进行扫描,也应当相应地提高束流密度。初次意外，进行表面清洁处理也要求束流密度比较高。因此对次束流大小及束流密度的调节范围应当比较宽，并且选用的离子枪类型常常不同，并且对不同种类的一次离进行选用。

2.离子流检测系统检测灵敏度、动态范围和响应速度应当尽可能高，并且相应的数据采集、处理和显示系统也应该有。

3.还需带有中和作用的电子枪以便对绝缘样品进行分析。还常需有二次电子成像系统以便对表面形貌进行观察。

4.SIMS，尤其是静态SIMS，在超高真空下工作为基本要求。因为在样品表面上注氧能够使二次离子产额提高和稳定，而且能够使溅射产额降低，所以注氧装置常常被要求携带。

5.要求可以在超高真空下机械调节样品的位置，并且相应的送样、取样装置也应当配备，样品还应当进行加热、冷却、破碎和清洁处理等步骤。

6.二次离子分析系统的总流通率要求尽可能高，适当的质量分析范围和质量分辨率需要具备，将质量歧视效应克服并且分析速度尽可能快。还要求可以对质谱计前二次离子能量窗口的位置和宽度进行调节。