طیف سنجی جرمی یون ثانویه (SIMS)

   طیف سنجی جرمی یون ثانویه (Secondary Ion Mass Spectrometry, SIMS)   با اسم متداول و اختصاری SIMS یکی از قوی ترین تکنیک های مورد استفاده در مطالعات سطح است. در این روش پرتوی از یون های اولیه پرانرژی (kVه30-1) به سطح نمونه ای که در خلاء قرار داده شده، تابانده می شود. یون سزیوم (⁺Cs)، یون گالیم (⁺Ga) یا یون اکسیژن (⁺O₂) معمولا به عنوان یون های اولیه به کار می روند. بر اثر برخورد یون های پرانرژی قسمتی از سطح ماده کنده شده و پراکنده می شوند. درصد کمی (در حدود 1%) از ذرات پراکنده شده باردار هستند که به آنها یون ثانویه گویند.

  یون های ثانویه شامل یوم های مثبت و منفی هستند. یون های ثانویه به سمت یک طیف سنج جرمی هدایت می شوند و در آنجا یون ها بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) تفکیک و آشکارسازی می شوند.

   نتایج آنالیز طیف سنجی جرمی یون ثانویه یا  SIMS می تواند به چند روش بیان شود: طیف جرمی، نقشه یا تصویربرداری سطح و پروفایل عمقی. طیف جرمی شدت یون های ثانویه بر حسب m/z یون هاست. نتایج طیف جرمی اطلاعات اولیه آنالیز شیمیایی شامل مقادیر ترکیبات شیمیایی و شناسایی مولکول های سطح را فراهم می کند.

   در تصویربرداری با ، شدت یون های ثانویه بر حسب موقعیت آنها بررسی می شود به این نحو که برای یک m/z خاص کل منطقه مورد نظر اسکن می شود که در نهایت یک تصویربرداری توپوگرافی از مولکول ها و عناصر با اسکن پرتوی روی یک منطقه مشخص سطح به دست می آید. روش تصویربرداری طیف سنجی جرمی یون ثانویه (Imaging SIMS) در تشخیص و شناسایی ترک ها، آلودگی سطح، خوردگی، رشته های نوری، عیوب رنگ های پوششی و .. به کار می رود. در آنالیز پروفایل عمق (depth profile) شدت یون های ثانویه برحسب عمق سطح نشان داده می شود. در آنالیز پروفایل عمق در عمق چند آنگستروم تا چند ده میکرون می تواند انجام شود.

 شکل 1- تفاوت دو روش  طیف سنجی جرمی یون ثانویه استاتیک (SSIMS) و دینامیک (DSIMS)

 این دستگاه به دو طریق استاتیکی و دینامیکی می تواند عمل کند. در نوع طیف سنجی جرمی یون ثانویه استاتیک (Static Secondary Ion Mass Spectrometry) که به آن SSIMS هم می گویند از پرتو اولیه با انرژی و چگالی پایین استفاده می شود. در این روش نمونه خسارت ناچیزی می بیند و در واقع این روش مخرب نیست ولی حساسیت خوبی ندارد. در روش استاتیک یک تک لایه اتمی یا مولکولی از سطح خارجی نمونه درگیر آنالیز می شود. در روش استاتیک عموما از تجزیه گر جرمی زمان پرواز استفاده می شود که در نتیجه به این روش  طیف سنجی جرمی یون ثانویه  زمان پرواز (Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry) یا TOF-SIMS نیز می گویند.

   در نوع طیف سنجی جرمی یون ثانویه دینامیک (Dynamic Secondary Ion Mass Spectrometry) یا DSIMS از پرتو اولیه با انرژی و چگالی بالا برای آنالیز استفاده می شود در نتیجه سطح نمونه تخریب می شود اما حساسیت بسیار خوبی دارد. شکل 1 به صورت شماتیک دو روش SSIMS  و DSIMS را توصیف می کند.

   نمونه فقط باید به شکل جامد های بلوری یا لایه های نازک باشند. نمونه های پودری معمولا در یک ورق فلزی نرم مانند ایندیم فشرده می شوند و یا به صورت قرص (pellet) در می آیند. تجزیه گرهای جرمی چهارقطبی، قطاع مغناطیسی و زمان پرواز معمولا به کار می روند.

نکات آنالیزی SIMS

• قابلیت آنالیز عنصری همه عناصر از جمله هیدروژن

• روش مخربی است و اطلاعاتی در در مورد پیوندهای شیمیایی ترکیبات نمی دهد.

• در بمباران پرتو پرانرژی سطح یون ها و مولکول های زیادی کنده می شوند که سبب شلوغی طیف جرمی می شود و در بعضی موارد شناسایی سطح را غیر ممکن می سازد.
• فقط مختص مواد جامد است و نمونه حتما باید در خلاء بالا باشد. بنابراین سازگاری نمونه با خلاء بالا نیز باید مد نظر قرار گیرد.
• برای آنالیز سطح یا به دست آوردن پروفایل عمق نیازی به آماده سازی نمونه نیست اما برای آنالیز عناصر با غلظت های بسیار کم ، نمونه باید پولیش شود.
• مشخصات آنالیزی مانند دقت، صحت و حساسیت به شدت به نوع دستگاه و متغیرهای اپراتوری دستگاه وابسته است و از محدوده ppm تا ppb متغیر است.
• یافتن استاندارد مناسب با همان ویژگی سطح مورد آنالیز دشوار است.
• زمان آنالیز نسبتا طولانی ست و بستگی به نوع روش تا چند ساعت ممکن است طول بکشد.
• از نظر کیفیت تصاویر، حساسیت روش، آنالیز عنصری و اطلاعات ساختاری از بسیاری از روش های آنالیز سطح عملکرد بهتری دارد.

کاربرد SIMS

• تعیین پروفایل غلظتی عناصر در انواع نمونه ها شامل لایه های سطحی اکسیدی لایه های نازک خوردگی آلیاژهای فلزی شیشه های هیدراته و …
• تعیین ساختار شیمیایی سطح تا عمق 5-10 نانومتر
• آنالیز عنصری در محدوده ppt تا ppm
• تعیین فراوانی ایزوتوپی در نمونه های خاک
• تعیین توزیع فلزی در مواد معدنی سرامیکی و آلیاژها