İkincil iyonizasyon kütle spektrometri (SIMS), yüzeylerin
kimyasal analizi için uygulanan, substratın odaklanmış bir iyon demeti (Xe+, Cs+, Ga+,
v.s.) ile bombardımanı yoluyla moleküler veya atomik monotabakaların
iyonizasyonuna dayanan bir yöntemdir.
Birkaç keV kinetik enerjili bir iyon demeti ile (‘primer iyonlar’ olarak
adlandırılır) bir yüzeyin bombardımanı, nötral partiküllerin (nötraller) yanı
sıra, bunların yüklü partiküllerinin (iyonları) de desorpsiyonuna neden olur
(Şekil). Yüzeyi bombalayan birincil iyonlar genellikle atıl gazların (Ar+,
Xe+), oksijenin (O2+, O-) veya
metallerin (Ga+, In+, Bi+, Cs+, v.s.)
Iyonlarıdır. Desorpsiyon
sırasında oluşan iyonlara ‘ikincil iyonlar’ denir; bunların kütle spektrumu,
numune yüzeyinin kimyasal bileşimi hakkında bilgi verir.
Kütle spektrometresi ile ölçülen ikincil iyonların verimi bazı
faktörlere dayanır; birincil
iyonların enerjisi, demetin geliş açısı, dışarı atılan iyonların açısı ve malzemenin
yüzey kompozisyonu gibi.
Çıkarılan nötrallerin maksimum iyonizasyonunu sağlamak
için numune, silindirik simetrik bir manyetik alanda hareket eden bir düşük
enerjili iyonlar demetine maruz bırakılır. Kantitatif analiz, ikincil iyon
verim katsayısının yüzey tabakasının kimyasal bileşimine bağımlılığını gösteren
kalibrasyon eğrileri kullanılarak yapılır. Örneğin, aynı koşullar altında,%2
bakır içeren bir alüminyum alaşımından bakır iyonlarının verimi, saf bakırdan
elde edilen bakır iyonu miktarından fazladır.
Üç tip ikincil
iyonizasyon kütle spektrometresi (SIMS) vardır:
·
Statik (yüzey monutabakanın element analizi
·
Dinamik (derinliğin fonksiyonu olarak birkaç tabakanın elemental kompozisyonunun
tayini)
·
SIMS görüntü (önceki iki yaklaşımın bir kombinasyonu, kimyasal kompozisyon ile yüzey
morfolojisi arasındaki ilişkileri kurmak); odaklanma sistemi ve Ga+ iyon
demeti kullanan SIMS'nin modern yöntemleri, 50-60 nm'lik bir çözünürlük elde
etmeyi mümkün kılar
İkincil iyonizasyon kütle spektrometresi, diğer yüzey kimyasal analiz
yöntemlerinden (X-ışını mikroanalizi, Auger spektroskopisi) çok daha yüksek bir
hassasiyete sahiptir; yabancı maddeleri veya katkı maddelerini tespit edebilir.
Diğer taraftan, bu yöntemin bazı dezavantajları vardır: Atomik
tabakaların yüzeyden giderek uzaklaştırılması sorun yaratır; spesifik iyonların
verimi önemli derecede diğer elementlerin konsantrasyonuna bağlı olduğundan
kütle spektrometresinin kalibrasyonunda problem olur, spektrumun yorumlanması
için izotopik kompozisyon ve üretilen iyon yükü bilgisi gereklidir.
Yüzey analiz yöntemi olarak SIMS, polimerik malzemelere (oligomerlerin
bileşimi ve monomer birimlerinin yapısı, katkıların tanımlanması), metaller, cam,
kağıt, yarı iletken malzemeler, ilaçlar, biyomalzemeler, kaplamalar ve çeşitli
substratlar üzerindeki boyaların analizinde uygulanabilir.
SIMS teknik konsepti
