Hmotnostní spektrometrie sekundárních iontů: Porovnání verzí

Jazyková a stylistická korekce
(Přidání kapitol Aplikace, Statická a dynamická SIMS,Limity detekce, Detektory, Analyzátor hmoty)
(Jazyková a stylistická korekce)
{{wikifikovat}}
[[Image:IMS3F pbmf.JPG|thumb|300px|right|Podoba dnešního zařízení SIMS]]
'''Secondary ion mass spectrometry''' (SIMS) je technika sloužící k analýze složení povrchů pevných látek a tenkých vrstev pomocí vyprašovánívyprašováním povrchu bombardujícímbombardujícími ionty a shromažďováníschromažďováním (analyzováníanalyzováním) vyražených sekundárních iontů. Sekundární ionty emitované z povrchu materiálu, pomocí "vyprašovacího" procesu, se používající se k analýze chemického složení materiálu,. Tyto částice však představují jen malý zlomek částic emitovaných ze vzorku. Tyto sekundárníSekundární ionty se měří hmotnostním spektrometrem určující prvkové, isotopic, nebo molekulární složení povrchu. SIMS is the most sensitive surface analysis technique, being able to detect elements present in the parts per billion range. SIMS je jedna z nejcitlivějších analýz povrchů, která je schopna detekovat prvky, i když jsou přítomny řádově jen v nanometrových oblastech.
 
== Historie a vývoj metody==
 
V roce 1910 britský fyzik J.J. Thomson pozoroval emisi pozitivních iontů a neutrálních atomů z povrchu pevných látek vyvolanou bombardováním ionty. Vylepšená technologie vakuových pump ve čtyřicátých letech devatenáctého století umožnila vyrobit první experimantální prototyp SIMS. Konstruktéry byly Herzog a Viehböck v roce 1949 na univerzitě ve Vídni, Rakousko. 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 měsícměsíčních skaláchútvarů. 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 francouzskýfrancouzskou 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 je nezbytnýstačí 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.
 
== Schéma přístroje a popis funkce ==
[[Image:SIMS instrument scheme 600x600.png|thumb|300px|right|Typické schéma SIMS aparatury. Ionty s vysokou energií jsou jsou urychlovány iontový dělem (1 or 2) a zaměřovány na zkoumaný vzorek látky (3), který se ionizuje. Tím jsou odprášeny atomy nebo ionty z povrchu látky. Tyto sekundární ionty jsou sbírány na "iontových čočkách" (5) a dále filtrovány podle atomové hmotnosti (6), následně jsou vedeny na elektronovou násobičku (7) nebo na [[CCD|CCD obrazovku]] (8).]]
 
Klasické SIMS zařízení se skládá z 1) iontového děla vytvářející primární paprser iontů 2) iontouvéiontové "sloupcové" dělo, zrychlující a směřující paprsk iontů na vzorek 3) komora o vysokém vakuu obsahující vzorek a sekundární čočky pro extraqkciextrakci iontů 4) hmotnostní analyzátor separující jednotlivé ionty podle jejich poměru hmotnosti k náboji 5) ionty detekující jednotka.
 
=== Požadavky na vakuum ===
 
SIMS vyžaduje vysoké vakuum s tlakem pod 10<sup>-4</sup> Pascalů (zhruba 10 <sup>-6</sup> mbarů nebo Torrů). Toto je třeba zajistit, aby sekundární proud iontů nekolidoval (nereagoval) s plyny na pozadí (vzuchem) na jeho cestě k detektoru (tento požadavek tedy znamená volnou cestu) a také zabraňuje kontaminaci povrchu vzorku adsorpcí částic plynu v průběhu měření.
 
=== Zdroje primárních iontů ===
 
Existují tři základní typy iontových děl. V prvním z nich, jsou ionty z plynných prvků jsou obvykle generovány plasmou (Duoplasmatrons) nebo elektronovou ionizací například vzácných plynů ([[Argon|Ar]]<sup>+</sup>, [[Xenon|Xe]]<sup>+</sup>), kyslíku (O<sup>-</sup>, O<sub>2</sub><sup>+</sup>). This type is easy to operate and generates roughly focused but high current ion beams. Tento typ paprsku je snadno ovladatelný a vytváří sice ne moc přesný, ale zato svazek iontů o vysoké energii. Druhým zdrojem ionizačního zdrojepaprsku je jednoduše používaný k výrobě Cs<sup>+</sup> primárníchproud iontů. Atomy cesiacelsia se vypařují přes porézní wolframovou ucpávku a ionizují se během odpařování. Je použitelný jak pro jemné zaměření či 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 výšívýšší 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 poskytuje pevně zaměřitelné ionty nosníkového paprsku (<50nm) s mírnou intenzitu a je navíc schopné generovat krátké impulsní svazky iontů. Je 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 primárníchjako primární proud iontů je často používán k vyšetření na elektropozitivní prvky kvůli zvýšení pravděpodobnosti vytváření pozitivních sekundárních iontů, zatímco celsiumproud primárních celsium iontů je často využíváno při testech elektronegativních prvků. Pro krátké impulsní svazky iontů ve statickém SIMS je pouze LMIG použitelné, ale často je v kombinaci s kyslíkovým nebo celsiovým dělem.
 
=== AnalyzátorAnalyzátory hmoty ===
V závisloti na druhu použité SIMS metody jsou k dispozici tři typy analyzátorů: segmentový, kvadrupólový a "time-of-flight". Segmentový spektometr ([[ sector field mass spectrometer]]) využívá kombinaci elektorstatickéhoelektrostatického a magnetického analyzátoru k separaci sekundárních iontů podle poměru jejich váhy a náboje. Kvadrupólový analyzátor ([[quadrupole mass analyzer]]) filtruje ionty v rezonujícím elektrickém poli, kterým projdou jen předem určené látky. [[time of flight|Time of flight analyzátor hmoty]] odděluje ionty bez unášivého pole jen podle jejich kinetické energie. Tento analyzátor vyžaduje sekundární iontové dělo a je jediný, který dokáže detekovat všechny sekundárně generované ionty navzájem v jeden okamžik. Tento typ je standartně využíván pro statické SIMS zařízení.
 
=== Detektory ===
 
==Limity detekce ==
Většinu stopových prvků lze detekovat, když dosahují ve zkoumaném vzorku hustoty od 10<sup>12</sup> až 10<sup>16</sup> atomů na rychlovýkrychlový centimetr. Toto číslo je ale dosti závislé na použité metodě, typu primárního svazku, analyzovaném vzorku atd. Velikost "odprášené" části povrchu je závisla na velikosti proudu a rozměrech paprsku z primárního iontového děla. A to je zase závislé na použití zdroju iontů (Cs<sup>+</sup>, O<sub>2</sub><sup>-</sup>, Ga<sup>+</sup> nebo skupiny Bi jako Bi<sub>3</sub><sup>2-</sup>).
 
 
 
== Aplikace ==
* Této metody se využívá pro zkoumání sloužení látek a jejich příměsí. TedyHojně ssese hojnětedy využívá ve [[Spektometrie|spekrometrii]].
* Používá se také pro zjišťování tloušťky vrstev molekul nebo prvků. Mam-liZkoumáli se například navrstvu oxidu křemíku vrstvuna oxidusyrovém křemíku, tak touto metodou lze zjisti šířku této vrstvy. Odprašujeme povrchPovrch vzorku se odprašuje a v detektoru zjišťujeme, jestli stále detekujeme ionty kyslíku. Až jese přestanemepřestanou detekováttyto ionty detekovat, tak vímeje jasné, že jsmebyla odprášiliodprášena celoucelá vrstvu oxidu křemíku. Tento čas je pak přímo uměný tloušce této vrstvy.
 
 
37

editací