مقاله شماره 127: طيف‌سنجي جرمي يون ثانويه (SIMS)

m4material

مدیر تالار مهندسی مواد و متالورژی
مدیر تالار
هو العليم


طيف‌سنجي جرمي يون ثانويه (SIMS)


در اين روش سطح نمونه توسط پرتو پرانرژي يوني بمباران مي‌شود و يون ثانويه خارج شده از سطح نمونه آناليز خواهد شد. (شكل زیر)



با بمباران سطح نمونه توسط يون آرگون اتم‌هاي نمونه مجهول به صورت يون كنده شده و از سطح نمونه خارج مي‌شوند. نوع اين يون‌ها در قسمتي به نام طيف سنج جرمي و براساس نسبت جرم به بار الكتريكي تعيين مي‌شود. درمقايسه با روش XPS و AES ، روش SIMS محدود به لايه‌هاي اول و دوم اتمي يا حدود 5-3 آنگسترومي عمق نمونه است.

حساسيت اين روش در حد ppm بوده افزون بر اين قادر است تمام عنصرها چه سبك و چه سنگين را آناليز كند. در اين روش علاوه بر همه تركيب‌هاي مولكولي، ايزوتوپ‌هاي عنصرها نيز قابل تشخيص هستند. شكل زیر اجزاي دستگاه SIMS را نشان مي‌دهد.



در اين دستگاه ابتدا يك پرتو يوني به روش يونش پديد آمده و پس از عبور از يك ميدان مغناطيسي و عبور از يك عدسي باريكتر شده و بر سطح نمونه مي‌تابد. يون‌هاي ثانويه پديد آمده پس از شتاب گرفتن در يك ميدان الكتريكي و پديد آمدن سرعت يكسان وارد ميدان مغناطيسي دوم مي‌شوند. در اين ميدان مغناطيسي با تغيير شدت ميدان يون‌ها براساس نسبت جرم به بار الكتريكي از هم جدا شده و در پايان به قسمت آشكارساز مي‌رسند.
قسمت مغناطيسي ابتدايي براي انتخاب يك نوع يون پس از انجام يونش مي‌باشد. اين كار مانند تك موج كردن پرتو X در روش XRD است. با تغيير شدت ميدان مغناطيسي دوم در مدت كمتر از يك دقيقه مي‌توان عنصرهاي موجود در نمونه مجهول را شناسايي كرد. در شكل زیر نمونه‌اي از طيف SIMS ديده مي‌شود.(مربوط به اکسید تنگستن و نمونه ای از طیف مواد آلی)


روش ديگري كه مانند روش SIMS مي‌باشد طيف سنجي تفرق يوني ISS است. در اين روش انرژي يون‌هاي بازتابيده از سطح نمونه بررسي مي‌شود. از آنجا كه انرژي يون‌هايي كه با زاويه ويژه‌اي به سطح نمونه برخورد كرده و از سطح آن بازتابيده مي‌شوند تابعي از جرم اتمي يا جرم مولكولي اتم‌هاي موجود در سطح نمونه مي‌باشند مي‌توان با اندازه‌گيري انرژي آنها به نوع اتم‌هاي موجود در سطح پي برد. روش‌هاي حساس به سطح با وجود كارايي بسيار در علم مواد با كمال تاسف به علت گران بودن كمتر در دسترس مي‌باشند. با اين وجود براي برخي از كاربردها چاره‌اي جز استفاده از آنها نيست

در ادامه خلاصه ای از روش SIMS را مورد تحلیل عملی قرار می دهیم.
در طیف نگاری جرمی یون ثانویه دینامیکی (SIMS) ، یک نمونه ی جامد که در خلا قرار گرفته ، توسط یک پرتوی باریک از یون ها (به نام یون های اولیه) که به اندازه ی کافی انرژیتیک بوده بمباران می شود و منجر به کندوپاش اتم ها و خوشه های کوچک از آن ها از منطقه ی بمباران شونده می گردد. بعضی از اتم ها و خوشه های اتمی بع صورت یون به بیرون می پرند(یون های ثانویه) . یون های ثانویه بعد از آن به سمت یک طیف سنج جرمی شتاب می گیرند ، که آنجا با توجه به نسبت جرم به بار جداشده و شمارش می شوند. مقدار های نسبی یون های ثانویه ی اندازه گیری شده با مقایسه با استانداردها به غلظت تبدیل شده تا ترکیب و محتوی ناخالصی جزئی نمونه را به صورت تابعی از زمان کندوپاش (عمق) در اختیار بگذارد.

محدوده ی عناصری که آنالیز می شوند :
از هیدروژن تا اورانیوم ، تمام ایزوتوپ ها
مخرب بودن آزمون : بله ، ماده حین کندوپاش حذف برداشته می شود
اطلاعات پیرامون پیوند های شیمیایی : در موارد نادر ، از خوشه های مولکولی
قابلیت کمی کردن داده ها : معمولا نیاز به استاندارد ها دارد
دقت : 2% و با فاکتور 2 برای غلظت ها
محدوده های آشکار سازی : 10 به توان 12 تا 10 به توان 16 اتم ( از ppm تا ppb ) بر سانتی متر مکعب
عمقی که آنالیز می شود : 2 نانومتر تا 100 میکرومتر(بسته به نرخ کندوپاش و زمان ثبت و جمع آوری داده ها)
قابلیت پروفایل برداری عمقی : بله ، با فرآیند کندوپاش ، با قدرت تفکیک 2 تا 30 نانومتر
قدرت تفکیک عرضی : 50 نانومتر تا 2 میکرومتر ، 10 نانومتر در حالات خاص
قابلیت تصویر برداری : بله
لازمه های نمونه : رساناها و عایق های جامد ، نوعا کمتر از قطر 5/2 سانتی متر و ضخامت کمتر از 6 میلی متر ، سازگار با خلا باشند
استفاده های اصلی : اندازه گیری ترکیب در مقیاس ناخالصی های جزئی در مواد جامد به صورت تابعی از عمق ، حد تشخیص عالی ، قدرت تفکیک عمقی خوب


منبع:
http://edu.nano.ir/index.php/articles/show/48
 

Similar threads

بالا