Time Of Flight - Secondary Ion Mass Spectroscopy (TOF-SIMS)
Synonyme
- Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie
Definition
- Auf der Massenspektrometrie basierendes analytisches Verfahren zur Oberflächenanalytik.
Anwendungsgebiete
- Oberflächenanalyse, Oberflächenspektroskopie
- Oberflächenabbildung
- Tiefenprofilanalyse
Grundlagen
- Die TOF-SIMS beruht auf der zeitaufgelösten Erfassung von Sekundärionen, die durch den Beschuss der Oberfläche mit hochenergetischen Primärionen (z.B. Cs+, Ga+) erzeugt werden.
- Die im TOF-SIMS eingebaute Ionenquelle beschießt die Probe mit einem kurzen Puls aus Primärionen.
- Beim Einschlag der Primärionen wird deren kinetische Energie auf die
Moleküle an der Oberfläche der Probe übertragen, wodurch diese
beschleunigt und einige (wenige) als sogenannte Sekundärionen aus der
Oberfläche "geschlagen" werden.
- Es werden dabei nahezu ausschließlich Sekundärionen aus der allerobersten Moleküllage freigesetzt.
Schematische Darstellung der Freisetzung der Sekundärionen durch Einschlag eines Primärions (rot) aus der obersten Schicht der Probe (blau)
- In einem konstanten elektrischen Feld werden die Sekundärionen beschleunigt, durchfliegen anschließend eine feldfreie Zone (Driftstrecke) und werden schließlich von einem Detektorsystem hoher Zeitauflösung detektiert und in Zeitkanälen aufsummiert (Intensität des gemessenen Signals als Funktion der Flugzeit).
- Da Sekundärionen unterschiedlicher Masse bei der - durch die Primärionen
und das elektrische Feld - vorgegebenen kinetischen Energie unterschiedliche
Geschwindigkeiten erreichen, zeigen sie auch unterschiedliche Flugzeiten.
- Gemäß den Gesetzen der Physik (kinetische Energie) ist die Masse der Ionen proportional zum Quadrat der Flugzeit.
- Unterschiedliche Austrittswinkel und geringe Unterschiede der anfänglichen kinetischen Energie der herausgeschlagenen Sekundärionen, können dazu führen dass auch Ionen gleicher Masse unterschiedliche Flugzeiten und somit scheinbar verschiedene Massen besitzen.
- Dadurch kann es dazu kommen, dass nicht alle Ionen tatsächlich gleicher Masse in einem Zeitkanal registriert werden. Die Folgen sind eine Peakverbreiterung und somit eine unzuverlässigere Unterscheidung der einzelnen Ionen.
- Dieser Effekt wird in modernen Geräten durch den Einbau eines Reflektors, der die entstandenen Sekundärionen auf halber Flugstrecke abbremst und in die entgegensetzte Richtung wieder beschleunigt, stark reduziert.
- Die über die Flugzeit entstehende Massentrennung der Sekundärionen wird dazu genutzt, den chemischen Aufbau der zu untersuchenden Oberfläche zu berechnen.
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Schematische Darstellung des Aufbaus und der Funktion eines TOF-SIMS |
Bemerkungen
- Die TOF-SIMS dient zum hochempfindlichen Nachweis aller Elemente an Oberflächen beliebiger Materialien.
- Über die Anzahl der nachgewiesenen ionisierten Atome der einzelnen Elemente kann die Identität anorganischer und organischer Verbindungen an der Oberfläche sehr eindeutig ermittelt werden (Oberflächenanalyse).
- Die Nachweisgrenze für einzelne Ionen reicht dabei herunter bis ca. 10 ppm einer Moleküllage auf der Oberfläche.
- Da für die Aufnahme eines Oberflächenspektrums nur etwa 10 % der obersten Molekülschicht abgetragen werden, kann dass das Verfahren als nahezu zerstörungsfrei angesehen werden.
- Zur Oberflächenabbildung wird der feinfokussierte Primärionenstrahl gepulst und in einem Raster über die zu untersuchende Oberfläche geführt. Aus den an den Punkten des Rasters aufgenommenen Einzelspektren wird die Abbildung der Oberfläche im Computer zusammengesetzt. Oberflächenabbildungen, als ortsaufgelöste chemische Analysen, sind so bis in einen Bereich von etwa 200 nm möglich.
- Durch spezielle Präparationstechniken, bei denen z.B. die Probe sukzessive - durch eine Erhöhung der Primärionenstromdichte - schichtweise abgetragen wird, kann auch im Inneren von Festkörpern sowie in Flüssigkeiten, Fetten, Gelen, Pasten etc. die chemische Zusammensetzung ermittelt werden (Tiefenprofilanalyse).
- Da jeweils nur die oberste Molekülschicht abgetragen und analysiert wird, ergibt sich eine Tiefenauflösung von etwa 1 nm.