19863

Физические основы метода вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС). Аппаратура, необходимая для реализации метода ВИМС

Лекция

Физика

Лекция 28 Физические основы метода вторичной ионной массспектрометрии ВИМС. Аппаратура необходимая для реализации метода ВИМС. Возможности метода ВИМС. Массспектрометрический анализ нейтральных распыленных частиц. Метод вторичной ионной массспектрометрии ВИМС ...

Русский

2013-07-18

115 KB

30 чел.

Лекция 28

Физические основы метода вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС). Аппаратура, необходимая для реализации метода ВИМС. Возможности метода ВИМС. Масс-спектрометрический анализ нейтральных распыленных частиц.

Метод вторичной ионной масс-спектрометрии (ВИМС, в зарубежной литературе SIMSsecondary ion mass-spectrometry) основан на рассмотренном в прошлом семестре процессе распыления образца при его облучении пучком ионов. Количественной характеристикой этого процесса является коэффициент распыления Y, который представляет собой отношение числа распыленных атомов к числу ионов пучка, попавших на образец в процессе облучения. Часть распыленных атомов при вылете из образца ионизуется и покидает образец в виде положительных или отрицательных ионов. Очевидно, что если определить массу этих ионов, то можно сказать, какие элементы входят в состав образца, т.е. провести качественный анализ. Определение массы атомов, вылетающих из образца в нейтральном состоянии, выполнить технически намного сложнее.

Введем понятие – вероятность ионизации

     (28.1)

где N и Nр – количество ионов (положительных или отрицательных) и количество распыленных частиц (как в нейтральном, так и в ионизованном состоянии), вылетевших из образца с одной и той же энергией и в одном и том же направлении.

Вероятность ионизации, как показывают многочисленные эксперименты, является функцией энергии иона и угла вылета относительно нормали к поверхности образца, т.е. W = W(E,). Кроме того, и это самое неприятное, вероятность ионизации сильно зависит от состояния поверхности образца, так как процесс установления зарядового состояния происходит фактически в верхнем монослое образца и вблизи поверхности на расстояниях ~ Å.

Если энергетический спектр распыленных частиц, измеренный в направлении угла , есть dNр/dE, то энергетический спектр ионизованного компонента есть

,     (28.2)

и общее число ионизованных атомов, вылетевших в данном направлении, есть

.

Принципиальная схема, позволяющая регистрировать ионизованные компоненты разных масс в распыленном потоке, показана на рис. 28.1.

Ионный пучок I0+ облучая образец, вызывает появление вторичных ионов (ионизованных распыленных атомов) которые вылетают из образца в пределах телесного угла 2. С помощью системы коллимирующих диафрагм Д вырезается часть вторичных ионов в заданном направлении на энергоанализатор. Так как наша цель провести анализ по массам вторичных ионов, то для этого предварительно из всего энергетического распределения, которое имеют вторичные ионы, летящие в заданном направлении, необходимо выделить ионы всех масс, но с одной и той же энергией. Проще всего это сделать с помощью электростатического энергоанализатора, настроенного на какую то фиксированную энергию Е*. После этого осуществляя развертку по массам в масс-анализаторе (обычно используется квадрупольный масс-анализатор) получим масс-спектр вторичных ионов. Перечисленное оборудование обязательно входит в состав любой установки для проведения анализа методом ВИМС.

Измеряемый сигнал (обычно представляет собой число отсчетов в секунду, в дальнейшем будем рассматривать только положительные вторичные ионы, так как обычно W+ >> W-) от моноизотопного элемента А, входящего в состав образца определяется выражением

,   (28,3)

где ЕЕ* – ширина энергетического окна ЭСА, настроенного на энергию Е*, ЭСА – телесный угол сбора ЭСА, СА – относительная концентрация элемента А в образце (если элемент А не моноизотопный, то необходимо учесть еще относительную концентрацию изотопов), К – эффективность масс-анализатора и детектора (равна произведению эффективности переноса ионов через масс-анализатор на эффективность детектора).

На первый взгляд может показаться, что если качественный анализ проведен, т.е. известны все элементы, входящие в состав образца, то, измерив в идентичных условиях токи вторичных ионов, можно определить относительные концентрации всех элементов.

Чтобы было ясней, рассмотрим двухкомпонентный образец, содержащий элемент А и элемент В. Тогда

   (28.4)

и, если WА+(E*,) и WВ+(E*,) известны или имеют близкие значения, то для СА и СВ получается легко разрешимая система из двух уравнений с двумя неизвестными. К сожалению, имеющиеся в настоящее время теоретические модели не позволяют рассчитать вероятности ионизации, а как показывает эксперимент различаться для разных элементов они могут на несколько порядков, причем различие зависит и от состава образца. Поэтому описанный подход определения относительных концентраций может быть применен только в случае образцов, содержащих элементы, имеющие близкие значения W+(E,).

Вместе с тем, метод ВИМС имеет свои преимущества, отсутствующие у других методов элементного анализа.

  1.  Возможность измерения относительных профилей концентрации различных элементов в неоднородном по объему образце.

Эта возможность обусловлена самой физической основой метода ВИМС, так как первичный ионный пучок производит распыление поверхности. Если предварительно измерить скорость ионного травления, то временное изменение IА+ соответствует изменению СА(z), так как z = vтрt.

Получить с помощью метода ВИМС надежные сведения о профиле концентрации можно лишь в том случае, если поддерживается постоянная интенсивность тока первичных ионов и обеспечивается однородность плотности тока пучка в той части поверхности образца, из которой отбираются вторичные частицы. В стационарном сфокусированном ионном пучке плотность тока, падающего на образец, непостоянна по сечению пучка, и, следовательно, распыление поверхности в этих условиях не может быть равномерным. Если зона, из которой поступает информация, охватывает все сечение первичного пучка, то вклад в сигнал ионов с краев кратера распыления будет искажать профиль концентрации элемента в приповерхностном слое.

Наиболее удовлетворительный способ решения проблемы - электрически развертывать сфокусированный ионный пучок в растр по достаточно большой площади поверхности мишени так, чтобы обеспечить в ее нейтральной части однородную плотность тока. При этом нужно уделить особое внимание системе развертки пучка: напряжение строчной и кадровой развертки должно изменяться линейно со временем, обратный ход пучка должен блокироваться или хаотизироваться, а скорость развертки должна быть согласована с размерами пучка, чтобы соседние строки растра перекрывались.

  1.  Позволяет выявить в образце любые элементы, в том числе водород и гелий и проводить изотопный анализ.

Возможность проведения изотопного анализа обеспечивается тем, что в масс-анализаторе развертка масс-спектра осуществляется именно по массам ионов, которые у изотопов различаются.

  1.  Максимальная чувствительностью при определении следов элементов в образце.

В настоящее время предел чувствительности составляет 10-4 ат%, т.е. 1 атом данного элемента на 106 атомов матрицы. Различные конструкции установок ВИМС весьма сильно различаются по чувствительности. Удобной мерой чувствительности может служить отношение числа регистрируемых вторичных ионов к числу первичных при некоторых стандартных условиях. Установки ВИМС, позволяющие регистрировать 106 ион/с характерного элемента из оксидной матрицы (например, ионы Fe+ из образца Fe2O3) при токе первичного пучка 10-9 А, классифицируются как имеющие чувствительность, достаточную для обнаружения следов элементов и для микроанализа поверхности.

Если осуществить сканирование первичного пучка по поверхности образца, то можно получить информацию о распределении элементов, входящих в образец по его поверхности. Пространственное разрешение в этом случае, естественно, определяется диаметром пучка первичных ионов. В настоящее время серийно выпускаются установки ВИМС с диаметром первичного ионного пучка 1 мкм. Для подобных установок часто используется название ионный микрозонд. Большим достоинством ионных микрозондов является то, что за счет сканирования первичного ионного пучка малого диаметра по поверхности образца можно проводить измерения профилей концентрации в режиме, когда система детектирования регистрирует вторичные ионы лишь при прохождении первичным пучком определенной области внутри растра. В этом случае автоматически решаются проблемы, рассмотренные выше

Чтобы предупредить внедрение в образец того элемента, содержание которого определяется, особенно важна чистота первичного ионного пучка (отсутствие ионов других масс кроме выбранной для облучения). Поэтому в установках ВИМС обычно осуществляется сепарация первичного ионного пучка.

При проведения анализа диэлектрических образцов методом ВИМС необходимо обеспечить компенсацию накопления положительного заряда на поверхности образца. Изменения потенциала поверхности могут вызывать следующие нежелательные эффекты:

  •  смещение пучка,
  •  изменение энергии вторичных ионов и уменьшение эффективности их собирания вследствие искажения вытягивающего ионы поля в непосредственной близости от поверхности образца.

Существует несколько способов уменьшения образования положительного заряда на поверхности:

  •  облучение образца потоком электронов, которые эмитируются расположенным неподалеку термокатодом,
  •  использование в первичном пучке отрицательных ионов,
  •  повышение давления кислорода вблизи образца до 10-4 Тор.

Масс-спектрометрический анализ нейтральных распыленных частиц.

Как было отмечено выше, при распылении большинства материалов доля частиц, выходящих из мишени в виде нейтральных атомов, значительно выше, чем выходящих в виде ионов. Поэтому естественным развитием и дополнением ВИМС является метод ионизации распыленных атомов с последующим их анализом по массам. Такой метод называется масс-спектрометрия вторичных нейтральных частиц.

Для ионизации обычно используется используется т.н. перезарядочная камера, в которой зажигается газовый разряд, в плазме которого происходит ионизация распыленных атомов. Разброс по энергиям, ионов, отбираемых из перезарядочной камеры с высокочастотным тлеющим разрядом, не превышает 1 эВ, поэтому для их разделения по массам можно использовать сразу квадрупольный масс-анализатор без ЭСА. Установлено, что распыленные атомы ионизуются в основном за счет пеннинговского механизма. Эффективность ионизации в этом случае лишь слабо зависит от природы частиц и совсем не зависит (в противоположность методу ВИМС) от образца и условий на его поверхности. Следовательно, отношение ионных сигналов можно считать равным отношению относительных концентраций соответствующих элементов в образце. Поэтому можно использовать выражение (28.4), в котором . WА+(E*,) = WВ+(E*,).

Основные недостатки данного метода - то, что ионизуются все частицы, присутствующие в газовой среде установки, кроме того, эффективность сбора ионизованных частиц в анализатор значительно меньше, чем в ВИМС.

Рис. 28.1

I0+

Д

энергоанализатор

масс-анализатор

КЭУ


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

76887. Задний мозг 181.2 KB
  Ядра и волокна моста на поперечном срезе: Переднее и заднее ядро трапециевидного тела в середине моста. Двигательное ядро лицевого нерва в покрышке между трапециевидным телом и волокнами средней ножки мозжечка. Двигательное и чувствительное мостовое ядра тройничного нерва в покрышке между волокнами верхних и средних ножек мозжечка. Верхнее слюноотделительное парасимпатическое ядро в покрышке между ядрами отводящего и тройничного нервов; Ядро одиночного пути чувствительное в покрышке между волокнами верхних и нижних...
76888. Мозжечок 186.15 KB
  Параметры мозжечка составляют: масса в 120-150 г поперечный размер 910 см длина 35 см. От большого мозга отделен поперечной щелью в которой находится отросток твердой мозговой оболочки намет палатки мозжечка закрывающий нижние затылочные ямки в задней черепной яме. Рельеф на поверхностях мозжечка возникает благодаря глубоким поперечным щелям разделяющим верхнюю заднюю и нижнюю доли. Менее глубокие поперечные щели делят доли на дольки а по поверхности долек проходят мелкие бороздки отграничивающие листки мозжечка.
76889. Продолговатый мозг 180.62 KB
  Внутреннее строение мозга на фронтальном разрезе: ядра нижние оливные: правое и левое в оливах; ретикулярная формация лежит над оливами; сердечный и дыхательный центры функциональные объединения на основе ядер ретикулярной формации и блуждающего нерва; ядра IX X XI и XII пары черепных нервов: двигательное двойное ядро IX X черепных пар заднее ядро X пары парасимпатическое двигательные ядра XI и XII черепных пар; глотательнорвотный центр на основе функционального объединения ретикулярной формации и ядер IX X XII пары;...
76890. Ромбовидная ямка, её рельеф, проекция на нее ядер черепных нервов 183.14 KB
  В ней различают мало заметные но важные структуры: треугольник подъязычного нерва узкая часть медиального возвышения в нижнем углу с проекцией двигательного ядра этого нерва; треугольник блуждающего нерва кнаружи от треугольника подъязычного нерва в нем проекция парасимпатического заднего ядра данного нерва; мозговые полоски IV желудочка проходящие поперечно между латеральными углами ямки и содержащие отростки клеток улитковых ядер. На ромбическую поверхность ямки в направлении спереди назад проецируются все ядра черепных нервов с...
76891. Четвертый желудочек головного мозга, его стенки, пути оттока спинномозговой жидкости 182.17 KB
  В его строении различают следующие структуры: Нижняя стенка дно ромбовидная ямка образованная дорсальными поверхностями моста и продолговатого мозга и ограниченная по бокам ножками мозжечка: сверху и спереди верхними с боков средними снизу и сзади нижними. Сверху и спереди через верхний угол ромбовидной ямки в IV желудочек впадает водопровод мозга. Четвёртый желудочек через нижний угол ромбовидной ямки прикрытый задвижкой открывается в центральный канал спинного мозга.
76892. Экстероцептивные проводящие пути 178.53 KB
  Первые псевдоуниполярные нейроны находятся в спинномозговых узлах. Вторые нейроны лежат в собственном ядре заднего рога спинного мозга. Третьи нейроны лежат в дорсолатеральном ядре таламуса. Четвертые нейроны во внутренней зернистой пластинке постцентральной извилины и верхней теменной дольки.
76893. Проводящие пути проприоцептивной чувствительности мозжечкового и коркового направления 181.16 KB
  1е нейроны псевдоуниполярные находятся в спинномозговых узлах. 2е нейроны лежат в тонком и клиновидном ядрах продолговатого мозга их аксоны формируют: внутренние дугообразные волокна начало медиальной петли перекрест ее происходит на уровне нижнего угла ромбовидной ямки; передние наружные дугообразные волокна перекрещиваются и уходят в нижнюю мозжечковую ножку и кору полушарий мозжечка; задние наружные дугообразные волокна не перекрещиваются и уходят в нижнюю ножку мозжечка и кору червя. 3и нейроны расположены в коре червя...
76894. Медиальная петля, состав волокон, положение на срезах мозга 180.14 KB
  Тела первых псевдоуниполярных нейронов бульботаламического пути находятся в спинномозговых узлах а их периферические отростки в составе спинальных нервов подходят к опорнодвигательным органам в которых заканчиваются рецепторами. Центральные отростки первых нейронов вступают в синаптические контакты с телами вторых нейронов которые находятся в тонком и клиновидном ядрах продолговатого мозга. Аксоны вторых нейронов образуют в продолговатом мозге дугообразные волокна: внутренние и наружные. Аксоны вторых нейронов участвующих в образовании...
76895. Двигательные проводящие пирамидные и экстрапирамидные пути 182.52 KB
  Первые нейроны представлены большими пирамидными клетками коры мозга. Вторые нейроны находятся в ядрах мозгового ствола и передних рогах спинного мозга а их аксоны заканчиваются в органах опорнодвигательного аппарата. Первый проходит от нейронов прецентральной извилины до двигательных нейронов сосредоточенных в ядрах ствола мозга это кортикоядерный путь. Два других тракта: кортикоспинальные передний и боковой идут от прецентральной извилины до ядер передних рогов спинного мозга.