離子探針顯微分析的工作原理和構(gòu)成

離子探針顯微分析
離子探針的學(xué)名叫作二次離子質(zhì)譜儀（Second Ion Mass Spectroscopy---SIMS），它在功能上與電子探針類似，只是以離子束代替電子束，以質(zhì)譜儀代替X射線分析器。與EPMA相比，SISM有以下幾個特點：
1. 由于離子束在固體表面的穿透深度（幾個原子層的深度）比電子束淺，可對這樣的極薄表層進行成份分析。
2. 可分析包括氫、鋰元素在內(nèi)的輕元素，特別是氫元素，這種功能是其它儀器不具備的。
3. 可探測痕量元素（～50×10-9，電子探針的極限為～0.01%）。
4. 可作同位素分析。

3-4-1 基本原理
離子探針的原理是利用能量為1～20KeV的離子束照射在固體表面上，激發(fā)出正、負離子（濺射），利用質(zhì)譜儀對這些離子進行分析，測量離子的質(zhì)荷比和強度，從而確定固體表面所含元素的種類和數(shù)量。
1 濺射
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，這個現(xiàn)象稱作濺射。濺射過程可以看成是單個入射離子和組成固體的原子之間獨立的、一連串的碰撞所產(chǎn)生的。 下圖說明入射的一次離子與固體表面的碰撞情況。

入射離子一部分與表面發(fā)生彈性或非彈性碰撞后改變運動方向，飛向真空，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，使之以很高能量發(fā)射出去，這叫作反彈濺射（如圖中Ⅲ）；然而在表面上大量發(fā)生的是一次離子進入固體表面，并通過一系列的級聯(lián)碰撞而將其能量消耗在晶格上，最后注入到一定深度（通常為幾個原子層）。固體原子受到碰撞，一旦獲得足夠的能量就會離開晶格點陣，并再次與其它原子碰撞，使離開晶格的原子增加，其中一部分影響到表面，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時，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個原子層中的原子可以逃逸出來，因此二次離子的發(fā)射深度在1nm左右。可見，來自發(fā)射區(qū)的發(fā)射粒子無疑代表著固體近表面區(qū)的信息，這正是SISM能進行表面分析的基礎(chǔ)。
一次離子照射到固體表面引起濺射的產(chǎn)物種類很多（下圖），其中二次離子只占總濺射產(chǎn)物的很小一部分（約占0.01-1%）。影響濺射產(chǎn)額的因素很多，一般來說，入射離子原子序數(shù)愈大，即入射離子愈重，濺射產(chǎn)額愈高；入射離子能量愈大，濺射產(chǎn)額也增高，但當(dāng)入射離子能量很高時，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。

2 儀器組成
離子探針主要由三部分組成：一次離子發(fā)射系統(tǒng)、質(zhì)譜儀、二次離子的記錄和顯示系統(tǒng)。前兩者處于壓強〈10-7Pa的真空室內(nèi)。其結(jié)構(gòu)原理如圖所示。

① 一次離子發(fā)射系統(tǒng)
一次離子發(fā)射系統(tǒng)由離子源（或稱離子槍）和透鏡組成。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)生一次離子。在電壓作用下，離子從離子槍內(nèi)射出，再經(jīng)過幾個電磁透鏡使離子束聚焦，照射在樣品表面上激發(fā)二次離子。用一個電壓約為1KV的引出電極將二次離子引入質(zhì)譜儀。離子由引出電極加速，其能量為：式中e、m、v分別為離子的電荷、質(zhì)量和速度，V為加速電壓。
② 質(zhì)譜儀

質(zhì)譜儀由扇形電場和扇形磁場組成。二次離子首先進入一個扇形電場，稱為靜電分析器。在電場內(nèi)，離子沿半徑為r的圓形軌道運動，由電場產(chǎn)生的力等于向心力：

運動軌道半徑r等于mv2/eE，與離子的能量成正比。所以扇形電場能使能量相同的離子作相同程度的偏轉(zhuǎn)。由電場偏轉(zhuǎn)后的二次離子再進入扇形磁場（磁分析器）進行第二次聚焦。由磁通產(chǎn)生的洛侖茲力等于向心力：

聯(lián)立以上公式可得出離子在磁場中運動的軌道半徑r’為：
可見質(zhì)荷比相同的離子具有相同的運動半徑。所以經(jīng)過扇形磁場后，離子按m/e比聚焦在一起，同m/e比的離子聚焦在C狹縫處的成像面上。
不同質(zhì)荷比的離子聚焦在成像面的不同點上。如果C狹縫固定不動，聯(lián)系改變扇形磁場的強度，便有不同質(zhì)量的離子通過C狹縫進入探測器。B狹縫稱為能量狹縫，改變狹縫的寬度可選擇不同能量的二次離子進入磁場。
③ 離子探測系統(tǒng)
離子探測器是二次電子倍增管，內(nèi)是彎曲的電極，各電極之間施加100-300V的電壓，以便逐級加速電子。二次離子通過質(zhì)譜儀后直接與電子倍增管的初級電極相碰撞，產(chǎn)生二次電子發(fā)射。二次電子被第二級電極吸引并加速，在其上轟擊出更多的二次電子，這樣逐級倍增，最后進入記錄和觀察系統(tǒng)。
二次離子的記錄和觀察系統(tǒng)與電子探針相似，可在陰極射線管上顯示二次離子像，給出某元素的面分布圖，或在記錄儀上畫出所有元素的二次離子質(zhì)譜圖。

由于SISM的特點，目前可以應(yīng)用于下列五個方面的分析研究：
1. 表面分析（包括單分子層的分析），諸如催化、腐蝕、吸附、和擴散等一些表面現(xiàn)象均通過SISM獲得了成功的分析研究。
2. 深度剖面分析（深度大于50nm的分析），在薄膜分析、擴散和離子諸如等有關(guān)研究中，SISM是測定雜質(zhì)和同位素的深度濃度 分布最有效的表面分析工具。
3. 面分析 通過離子成像法可以提供關(guān)于元素橫向分布的信息和適當(dāng)條件下單定量信息。目前離子成像已經(jīng)用于研究晶界析出物、冶金和單晶的效應(yīng)、橫向擴散、礦物相的特征以及表面雜質(zhì)分布等。
4. 微區(qū)分析（區(qū)域直徑小于25μm的微區(qū)），用于元素的痕量分析、雜質(zhì)分析、空氣中懸浮粒子的分析等。
5. 體分析 即對固體一般特性的分析。 由于離子探針有許多優(yōu)點，故自問世以來在半導(dǎo)體、金屬、礦物、環(huán)境保護、同位素和催化劑各個方面的應(yīng)用都有很大發(fā)展。
（1）在半導(dǎo)體材料方面的應(yīng)用
由于半導(dǎo)體材料純度要求很高，要求分析的區(qū)域最小，迫切要求做表面分析和深度分析，因此也是最適合離子探針發(fā)揮作用的領(lǐng)域，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測定
? 在實效分析方面的應(yīng)用

（2）在金屬材料方面的應(yīng)用
離子探正在金屬材料的表面，薄層深度和微量分析方面應(yīng)用是很廣泛的。
? 測定各種鋼材和合金表面的鈍化膜、滲氮層、氧化墨中的成分。
? 測定各種金屬之間的相互擴散、滲透，了解其性質(zhì)。
? 測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。
? 測定注入到金屬表層中的摻雜元素的深度分布。
? 測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)用
由于離子探針不需要預(yù)先分離樣品，樣品消耗量少，并可以直接利用電學(xué)方法加以紀記錄，因此在地質(zhì)方面有著廣泛的應(yīng)用：
? 測定隕石中微量元素含量及其分布，以及同位素的豐度比。
? 測定月球上的稀土元素、堿土元素并與地球上的元素進行對比。
? 測定長石中的氧、氟化鋰中的氟，云母中的鉀的擴散。
? 測定礦物表面的氧化層的成分，找出最佳的選礦工藝。
（4） 在生物樣品方面的應(yīng)用
? 測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)系。
? 分析葉子中鈣、鉀、硼、鈉、鎂、錳等常見元素的含量，以便研究元素含量的影響。
（5）在陶瓷工業(yè)中的應(yīng)用
? 測定磷硅玻璃、氮化硼、硼硅玻璃中的微量元素含量及其分布。
? 分析稀土元素在水口磚中的擴散，與稀土澆注結(jié)瘤的關(guān)系。