现代分析测试技术SIMS

二次离子质谱法（SIMS）扎卡里·沃拉斯（Zachary Voras）1.分类二次离子质谱法（secondary ion mass spectrometry，SIMS）是一种灵敏的表面分析质谱技术，可对样品进行光谱分析、成像或深度剖面分析。

这是一种侵入式技术，不能进行原位检测。

2.说明SIMS是一种超高真空（ultra-high vacuum，UHV）表面分析技术，可以观察样品表面的原子和分子种类。

该技术用离子源发出一次离子束，聚焦并加速轰击样品，样品受碰撞脱落的二次离子直接进入质量分析仪（通常为飞行时间质量分析仪）（Vickerman，2009）。

这种碰撞级联会将一次离子的势能转化为脱落的二次离子碎片的动能。

质量碎片的大小则与脱落部位和初始碰撞位置的远近有关。

要获得最佳信号速率和质量分辨率，必须对一次离子和二次离子进行高水平控制，而一次离子源到分析仪之间的路程超过1 m，因此仪器应保持超高真空条件，才能将平均自由程碰撞控制在最低限度。

图1为SIMS表面分析概述。

在一次离子束入射能量和种类设置最优的情况下，可最大限度地提高单一碰撞事件的二次离子产额。

通过观察原子离子或分子离子都可以表征样品的表面材料，但使用下文所述的团簇离子源则可能减少残余对材料的损伤。

图1 SIMS表面分析概述为获得较高的质量分辨率，二次离子质谱仪通常采用飞行时间（time-of-flight，TOF）质量分析器，因为TOF可匹配脉冲式一次离子束。

TOF质量分析器的作用是让进入的离子先通过漂移管加速，再撞击探测装置（通常为微通道板）（Tang等，1988）。

为确保获得最佳质量分辨率，一次离子束的脉冲必须和质量分析仪的提取／加速阶段完全同步（Niehuis等，1987）。

要进一步提高质量分辨率，离子束的脉冲宽度就必须尽可能窄（＜1ns）（Eccles和Vickerman，1989）。

与其他质量分析器（如四极杆分析器和扇形磁场分析器）相比，TOF质量分析器有着最高的传输率和灵敏度，可满足静态SIMS分析对数据速率的要求（Vickerman，2009）。

二次离子质谱在电池中的应用二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）是一种用于表面分析的高灵敏度技术，具有很高的化学和空间分辨率。

在电池科学和工程领域，SIMS被广泛应用于电池材料分析、电池失效分析、电池老化分析、电池安全性研究和电池回收利用等方面。

1.电池材料分析SIMS在电池材料分析中发挥着重要作用，可用于研究电极材料、电解质、隔膜等关键组件的化学组成和表面元素分布。

SIMS可以提供有关材料表面和界面化学状态的信息，有助于理解电池材料的性能和反应机制。

2.电池失效分析电池失效通常是由电池内部发生的化学反应、机械应力和热失控等因素引起的。

SIMS可以通过分析电池失效后的表面成分和形貌，推断出失效的原因。

此外，SIMS还可以用于研究电池的电化学性能，如循环寿命、充放电速率等，以帮助优化电池设计和性能。

3.电池老化分析电池老化是指电池在使用过程中性能逐渐降低的过程，通常是由电池内部的化学反应和结构变化引起的。

SIMS可以通过分析电池老化过程中的表面成分和形貌变化，研究电池老化的机制和影响因素。

此外，SIMS还可以用于评估电池老化对电池安全性和环境的影响。

4.电池安全性研究电池安全性是电池科学和工程领域的重要问题之一，涉及到电池的过充电、过放电、短路等危险情况。

SIMS可以通过分析电池在这些情况下的表面成分和形貌变化，研究电池安全性问题。

此外，SIMS 还可以用于研究电池热失控的机制和防止措施，提高电池的安全性能。

5.电池回收利用随着电动汽车和便携式电子设备的普及，废旧电池的数量不断增加。

废旧电池中含有许多有价值的材料，如锂、钴、镍等，可以回收再利用。

SIMS可以用于研究废旧电池的成分和结构，优化回收流程，提高回收效率和准确性。

此外，SIMS还可以用于检测废旧电池是否经过处理或篡改，保证回收材料的质量和安全性。

总之，二次离子质谱作为一种强大的表面分析技术，在电池科学和工程领域中具有广泛的应用前景。

《现代分析测试技术》教学大纲课程名称：《现代分析测试技术》英文名称：Modern Analysis and Testing Technology课程性质：专业选修课程课程编号：F132039周学时：2学时总学时：32学时学分：2学分开设学期：第三学年第六学期教学对象：化学专业本科学生一、课程简介《现代分析测试技术》是化学专业学科专业教育平台课程的专业选修课程。

现代分析测试技术是以近几十年分析科学成果为主要授课内容，主要讲授大型仪器分析的原理、应用及进展，结合实际应用使学生能够基本掌握常见的大型分析仪器的原理和应用。

本课程是在学生学完《高等数学》、《无机化学》、《分析化学》、《有机化学》、《物理化学》等专业基础课程和专业课程的基础上开设的，与该门课程同时开设的还有《物理化学》、《结构化学》等课程，这些课程都为该课程的学习打下了良好的理论基础。

通过《现代分析测试技术》课程的学习，使学生在《毕业设计（论文）》等后续实践课程中自觉运用能够运用现代分析手段，解决科研、工作中遇到的实际问题。

二、课程教学目标课程教学目标1：掌握常见分析仪器的原理、结构、基本操作方法和实验数据的处理，重点掌握仪器原理、仪器主要操作参数及其对分析结果的影响。

课程教学目标2：在以后的工作中，能够熟练运用这些知识去分析、设计和评价复杂体系的处理。

课程教学目标3：树立强烈的社会责任感，能够对产品质量、安全、环保事件起-1-到监督作用，养成严谨的科学作风和良好的实验素养。

-2-四、课程教学要求（含教学重点、难点）：第一章绪论（2学时）【教学要求/目的】1．了解仪器分析中各种分析方法，了解仪器分析涉及面广、内容丰富以及在工业生产和科学研究中的重要地位；2．理解仪器分析特点和仪器分析与化学分析之间密切关系；3．掌握仪器分析的分类、定量分析方法的评价指标；4．熟练掌握仪器分析的概念、特点和分类、定量分析方法的评价指标。

【教学内容】1. 仪器分析方法的分类；2.标准曲线的绘制及分析；3.灵敏度、精密度、检出限、准确度；-3-4.仪器分析方法的特点。

二次离子质谱仪（SIMS）分析技术及其在半导体产业中的应用作者：昌鹏来源：《科学导报·学术》2020年第28期摘要：二次离子质谱仪（SIMS）是一种成熟的应用广泛的表面分析技术，具有高灵敏度（ppm-ppb）和高分辨率。

本文介绍了SIMS基本原理和分类及其在半导体产业中材料分析、掺杂和杂质沾污等方面的应用。

关键词：SIMS;半导体;表面分析;材料分析1 前言SIMS作为一种成熟的表面分析技术已经发展了半个世纪，最初主要是用在半导体产业的工艺研发、模拟和失效分析等，在近二、三十年来得到迅速发展，并逐渐推广到应用于金属、多层膜、有机物等各个领域。

SIMS具有很高的微量元素检测灵敏度，达到ppm-ppb量级。

其检测范围广，可以完成所有元素的定性分析，并能检测同位素和化合物。

SIMS具有高的深度分辨率，通过逐层剥离实现各成分的纵向分析，深度分辨率最高能到一个原子层。

半导体材料通过微量掺杂改变导电性质和载流子类型，并且特征尺寸降到亚微米乃至纳米量级。

上述特点使SIMS在半导体生产中的材料分析、掺杂和杂质沾污等方面得到广泛应用。

2 SIMS基本原理SIMS是溅射和质谱仪的结合，可识别样品中的元素，因此是许多分析方案的首选测试手段。

作为半定量的手段，在SIMS质谱图中二次离子的峰值并不能直接反应样品中元素的浓度。

SIMS原理示意图如图1所示。

能量在250 eV到30 keV的离子束轰击样品表面即可产生溅射现象。

一次离子进入基体后会产生大量高强度但存在时间短促的碰撞级联，基体中的原子发生位置迁移。

接近表面的原子得到足够能量会离开样品表面，称为溅射原子。

溅射原子会以原子或分子团的形式离开表面并带上正电或负电，经过电场和磁场的筛选和偏转输入到质谱仪，由此SIMS可以得到样品表面的元素组成和分布。

图1 SIMS原理示意图3 SIMS仪器类型SIMS机台主要部分包括离子源、一次电镜、二次电镜、样品交换室、质谱仪、信号探测器等，整个腔体处于高真空状态之下。

现代测试技术（总结版）绪论现代分析测试技术概论仪器分析法⼀般都有较强的检测能⼒。

绝对检出限可达：毫克10_3 g 微克10_6 g 纳克 10_9 g ⽪克10_12 g 飞克10_15g 阿克10_18g现代测试技术主要发展趋势:⑴以“三微”技术为主流：“三微”——微量、微束、微区。

⑵以⾼度⾃动化控制为主要趋势⑶分析数据处理的⾼度计算机化⑷分析⼿段综合化⑸分析功能多样化⑹测试分析⽹络化现代分析测试仪器基本⼯作模式:⼀、⽤⼀束“粒⼦”或某种⼿段作为探针来探测、激发物质—⼊射粒⼦或激发源主要有电⼦、离⼦、光⼦、中性粒⼦、电场、磁场、热场和声波；⼆、在探针的作⽤下，⼊射粒⼦与物质相互作⽤，从样品中出射、带有物质信息的粒⼦（发射谱）—电⼦、离⼦、中性粒⼦、光⼦；三、检测这些粒⼦的能量、动量、质荷⽐、束流强度等特征，或出射波的频率、⽅向、强度、偏振等—记录、处理、分析，获得有关物质的信息；现代测试技术分类按仪器探测及发射粒⼦分类⼀、发射粒⼦：1、电⼦束-SEM、TEM、EPMA、AES、2、X射线-XPS、XRF、XRD；3、离⼦源-SIMS、ISS；4、特殊光源-IR、LR、UPS、AAS、ICP-AES、ICP-MS；⼆、探测粒⼦：1、电⼦谱—探测粒⼦或发射粒⼦是电⼦；2、光谱—探测粒⼦及发射粒⼦都是光⼦；3、离⼦谱：探测粒⼦及发射粒⼦都是离⼦；4、光电⼦谱—探测粒⼦是光⼦，发射粒⼦是电⼦；按仪器检测性能分类⼀、物理化学性质测试： 1、成分分析2、化合物结构分析3、表⾯原⼦动态和受激态分析⼆、物理性质测试：1、微观形貌分析2、晶体结构分析3、表⾯电⼦结构分析按照应⽤特点分类1⽤以测定原⼦或离⼦的分析测试⽅法原⼦吸收光谱法、X射线荧光光谱法、电化学分析2⽤以分析鉴定分⼦的分析测试⽅法紫外吸光光度法、红外吸收光谱法、拉曼光谱法、质谱法、核磁共振波谱法、X射线衍射分析3分离分析⽅法⽓相⾊谱、液相⾊谱、超临界流体⾊谱、⽑细管电泳4表⾯和界⾯分析X光电⼦能谱、透射电⼦显微镜、扫描电⼦显微镜、X射线技术分析测试仪器的选择和使⽤：1、物理性质/物理化学性质分析2、定性/半定量/定量分析3、⾮破坏/破坏分析4、⾦属/⾮⾦属样品分析5、固体/粉末/液体试样分析6、表⾯/表层/体相分析7、微区/深度分析分析测试⽅法主要性能参数：标准曲线、灵敏度、精密度、准确度、检出限。

二次离子质谱(SIMS)基本原理及其应用*********************************************摘要：二次离子质谱( Secondary-ion mass spectrometry，SIMS) 是一种固体原位微区分析技术，具有高分辨率、高精度、高灵敏等特征，广泛应用于地球化学、天体化学、半导体工业、生物等研究中。

本文主要阐明了SIMS 技术的原理、仪器类型，简要介绍了其主要应用，分析了其特点。

关键词：二次离子质谱；同位素分析；表面分析；深度剖析二次离子质谱仪(Secondary-ion mass spectrometry，SIMS)也称离子探针，是一种使用离子束轰击的方式使样品电离，进而分析样品元素同位素组成和丰度的仪器，是一种高空间分辨率、高精度、高灵敏度的分析方法。

检出限一般为ppm-ppb级，空间分辨率可达亚微米级，深度分辨率可达纳米级。

被广泛应用于化学、物理学、生物学、材料科学、电子等领域。

1.SIMS分析技术一定能量的离子打到固体表面会引起表面原子、分子或原子团的二次发射，即离子溅射。

溅射的粒子一般以中性为主，其中有一部分带有正、负电荷，这就是二次离子。

利用质量分析器接收分析二次离子就得到二次离子质谱[1,2]。

图1[2]是二次离子质谱工作原理图。

图1 二次离子质谱工作原理图离子探针实际上就是固体质谱仪，它由两部分组成：主离子源和二次离子质+、Cs+、Ga+……从离子源引出的谱分析仪。

常见的主离子源有Ar＋、Xe＋、O-、O2带电离子如Cs+、或Ga+等被加速至keV～MeV能量，被聚焦后轰击样品表面。

高能离子进入样品后，一部分入射离子被大角度反弹出射，即发生背散射，而另一部分则可以深入到多个原子层，与晶格原子发生弹性或非弹性碰撞。

这一过程中，离子所带能量部分或全部转移至样品原子，使其发生晶格移位、激发或引起化学反应。

经过一系列的级联碰撞，表面的原子或原子团就有可能吸收能量而从表面出射，这一过程称为离子溅射。