Hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů: Porovnání verzí

'''Hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů''', {{Vjazyce|en}} {{Cizojazyčně|en|'''Secondary ion mass spectrometry'''}}, zkráceně '''SIMS''', je technika sloužící k analýze složení povrchů pevných látek a tenkých vrstev pomocí vyprašování povrchu bombardujícími ionty a shromažďováním (analyzováním) vyražených sekundárních iontů. Sekundární ionty emitované z povrchu materiálu, pomocí "vyprašovacího" procesu, se používajícípoužívají k analýze chemického složení materiálu. Tyto částice však představují jen malý zlomek částic emitovaných ze vzorku. Sekundární ionty se měří hmotnostním spektrometrem určující prvkové, izotopové, nebo molekulární složení povrchu. SIMS je jedna z nejcitlivějších analýz povrchů, která je schopna detekovat prvky, i když jsou přítomny řádově jen v nanometrových oblastech.

V roce [[1910]] britský fyzik [[Joseph John Thomson]] pozoroval emisi pozitivních [[Ion|iont]]ů a neutrálních [[atom]]ů z povrchu pevných látek vyvolanou bombardováním ionty. Vylepšená technologie vakuových pump ve čtyřicátých letech dvacátého století umožnila vyrobit první experimentální prototyp SIMS. Konstruktéry byli Herzog a Viehböck v roce 1949 na univerzitě ve Vídni. V šedesátých letech byly vyvinuty dvě SIMS aparatury nezávisle na sobě. Jedna z nich byla americký projekt pod vedením Liebel a Herzog, který byl sponzorován NASA, pro analýzu měsíčních útvarů. Druhý francouzsky projekt byl zahájen na univerzitě v Orsay R. Castaingem jako doktorandská práce G. Slodzianiho. Obě varianty přístroje byly později vyráběny, americký firmou GCA Corporation a francouzskoufrancouzský firmou Cameca. Cameca se nachází v Paříži a je stále zapojena do výroby SIMS nástrojů ([www.cameca.fr]). Tyto první přístroje byly založeny na hmotnostním spektrometru využívající magnetické pole a jako primární paprsek iontů byl použit Argon. V sedmdesátých letech K. Wittmack and C. Magee vyvinuli novou verzi SIMS vybavenou kvadrupólovými hmotnostními analyzátory. Přibližně ve stejnou dobu A. Benninghoven uvedl metodu statické SIMS, kde je hustota primárních iontů tak malá, že jen nepatrný zlomek (obvykle 1%) povrchu svrchní vrstvy stačí pro úspěšnou povrchovou analýzu. Přístroje tohoto typu používají pulsně buzené primární zdroje iontů a 'time-of-flight' hmotnostní spektrometry. Poslední vývoj se zaměřuje na nové primární zdroje iontů jako je C 60 nebo shluk iontů zlata a bismutu.

Existují tři základní typy iontových děl. V prvním z nich jsou ionty z plynných prvků obvykle generovány plazmatem (Duoplasmatrons) nebo elektronovou ionizací například vzácných plynů ([[Argon|Ar]]⁺, [[Xenon|Xe]]⁺), kyslíku (O^-, O₂⁺). Tento typ paprsku je snadno ovladatelný a vytváří svazek iontů sice ne moc přesný, ale zato svazek iontů o vysoké energii. Druhým zdrojem ionizačního paprsku je používaný Cs⁺ proud iontů. Atomy cesia se vypařují přes porézní wolframovou ucpávku a ionizují se během odpařování. Je použitelný jak pro jemné zaměření, čitak v režimu vysokého proudu (v závislosti na designu děla). Třetí, kapalné kovové iontové zdroje (liquid metal ion source (LMIG)), pracují s kovy nebo kovovými slitinami, které jsou kapalné při pokojové teplotě nebo lehce vyšší teplotě. Kapaliny kovů zahrnují wolframové hroty a emise iontů pod vlivem intenzivního elektrického pole. Zatímco zdroj z gallia je schopen pracovat s jednotlivými atomy gallia, nedávno vyvinuté zdroje pro zlato, indium a bismut umožňují použití slitiny, které sníží body tání dané látky. LMIG poskytujeposkytují pevně zaměřitelné ionty nosníkového paprsku (<50nm) s mírnou intenzituintenzitou a je navíc jsou schopné generovat krátké impulsní svazky iontů. JeJsou proto běžně používány ve statických SIMS zařízeních.

Volba druhů iontových zdrojů a iontového děla závisí na požadovaném proudu (pulsní nebo souvislý), na požadovaných rozměrech primárního iontového paprsku a na vzorku, který má být analyzován. Kyslík jako primární proud iontů je často používán k vyšetření na elektropozitivníelektropozitivních prvkyprvků kvůli zvýšení pravděpodobnosti vytváření pozitivních sekundárních iontů, zatímco proud primárních cesiových iontů je často využíván při testech elektronegativních prvků. Pro krátké impulsní svazky iontů ve statickém SIMS je pouze LMIG použitelné, ale často je v kombinaci s kyslíkovým nebo cesiovým dělem.

* Používá se také pro zjišťování tloušťky vrstev molekul nebo prvků. Zkoumají se například vrstvuvrstvy oxidu křemíku na syrovém křemíku, tak touto metodou lze zjistit šířku této vrstvy. Povrch vzorku se odprašuje a v detektoru zjišťujeme, jestli stále detekujeme ionty kyslíku. Až se přestanou tyto ionty detekovat, tak je jasné, že byla odprášena celá vrstvu oxidu křemíku. Tento čas je pak přímo úměrný tloušťce této vrstvy.