飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)

　　飞行时间二次离子质谱仪(Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry, TOF-SIMS)是一种超高灵敏度、高空间分辨率的表面分析技术，能够对材料表面(1–3 nm 深度)进行元素、同位素、分子碎片乃至有机分子的定性与半定量分析，并支持二维成像和三维深度剖析。广泛应用于半导体、电池、生物材料、催化、聚合物、地质等领域。

　　工作原理

　　一次离子轰击：

　　使用高能(通常几千至几万电子伏特)的一次离子束(如Bi⁺， Au⁺， C₆₀⁺， O₂⁺， Ar⁺)轰击样品表面。

　　一次离子与表面原子/分子发生碰撞，将能量传递给样品，导致表面物质以中性粒子、原子或分子离子的形式被溅射出来，这个过程称为“溅射”。

　　二次离子产生：

　　被溅射出的一小部分粒子(约千分之一)会带上电荷，形成二次离子(正离子或负离子)。

　　质量分析与鉴别(飞行时间核心)：

　　产生的二次离子被施加一个高电压提取进入一个无场漂移管。

　　所有离子在相同的初始动能下开始“赛跑”。

　　离子的飞行时间与其质荷比(m/z)的平方根成正比。

　　公式简化： t ∝ √(m/z)， 其中 t 为飞行时间，m 为质量，z 为电荷数。

　　质量小的离子跑得快，先到达探测器;质量大的离子跑得慢，后到达探测器。

　　信号检测与成像：

　　探测器记录每个离子到达的精确时间，将其转换为质谱。

　　通过扫描一次离子束在样品表面的位置，并结合每个位置产生的二次离子信号，可以生成特定离子(如某元素或分子碎片)的二维分布图像。

　　通过持续轰击同一区域，逐层剥离材料，可以获取不同深度处的成分信息，实现三维重构。

　　关键特点与优势

　　极高的表面灵敏度：

　　信息主要来自z顶端的1-3个原子/分子层，是真正的表面分析技术。

　　检测极限极低，可达ppm甚至ppb级别，非常适合分析表面痕量污染物、掺杂剂或添加剂。

　　出色的质量分辨率：

　　飞行时间质量分析器能够精确区分质量差异极小的离子(如区分CO⁻(27.9949)和C₂H₄⁻(28.0313))。

　　这是其核心优势之一，使其能够准确识别分子离子和复杂碎片，进行分子结构鉴定。

　　全面的信息获取：

　　可同时检测从氢到铀的所有元素及其同位素。

　　可检测分子离子和分子碎片，提供化学结构和官能团信息(这是EDS/AES等技术无法做到的)。

　　优秀的成像能力：

　　空间分辨率可达100纳米以下(使用液态金属离子源时)。

　　可生成多种离子的化学分布图，直观展示成分不均匀性。

　　静态与动态模式：

　　静态SIMS：使用极低的一次离子剂量(<10¹³ ions/cm²)，确保在分析期间仅破坏极少量的表面单层，获得原始表面化学信息，适合有机材料、高分子薄膜分析。

　　动态SIMS：使用高剂量离子束，快速溅射材料，主要用于深度剖析和痕量元素分析。

　　在科学研究与工业中的典型应用

　　半导体与微电子：

　　表面污染物分析：鉴定晶圆表面的有机/无机污染物(如光刻胶残留、金属离子)。

　　薄膜成分与均匀性分析：分析高k介质层、阻挡层、金属互连层的成分和杂质分布。

　　失效分析：定位器件失效点的化学异常。

　　能源材料(与之前讨论紧密相关)：

　　电池材料：

　　电极表面化学：分析正负极材料表面的CEI(阴极电解质界面膜)和SEI(固体电解质界面膜)的分子组成、厚度和分布。

　　掺杂与偏聚：研究掺杂元素(如NMC中的Al, Mg)在颗粒表面的偏聚行为。

　　循环后分析：检测电极表面副反应产物、金属溶解(如Mn, Co)及再沉积。

　　太阳能电池：分析钙钛矿、CIGS等薄膜中的元素分布和界面扩散。

　　高分子与有机材料：

　　表面改性分析：研究等离子体处理、接枝聚合后表面的化学变化。

　　添加剂与助剂分布：观察抗氧化剂、增塑剂等添加剂在聚合物表面的迁移和分布。

　　生物材料涂层：分析蛋白质、药物在生物医用材料表面的吸附和分布。

　　药物研发与生命科学：

　　药物活性成分分布：直接可视化药片横截面中API(活性药物成分)的分布均匀性。

　　单细胞成像：研究细胞膜上的脂质、代谢物分布。

　　地质与宇宙化学：

　　分析陨石、月壤颗粒中的微量元素和同位素分布。

来源：网络