表面分析方法之飞行时间二次离子质谱仪

使用一次脉冲离子（可以是Ga+, Au+,Bi+,C60等）轰击固体材料表面，通过表面激发出的二次离子（有原子离子和分子离子等）的飞行时间测量其质量，以表征材料表面的元素成分、分子结构、分子键接等信息。简单讲就是赛跑的观念：给所有激发出的离子相同的动能（3keV）去加速，其遵循以下能量守恒公式：不同质量的离子有不同的速度，越重的离子飞行速度越慢，当飞行距离一定时，其飞行时间就越长，可以将时间换算成质量来区分不同的成分，所以只用测量每一个离子到达探测器的时间就可以换算出质量数，如图1，图2所示。

图1 TOF-SIMS原理示意图

图2 TOF-SIMS原理示意图

TOF-SIMS是将二次离子质谱技术与飞行时间质量分析技术相结合的前沿科学技术之一。早期的德国科学家Benninghoven及其研究团队使用磁场偏转质量分析器和四级杆质量分析器做S-SIMS研究，并于1979年制造了一台TOF-SIMS，称之为TOF-SIMS Ⅰ；随后又制备了反射型TOF-SIMS Ⅱ。1985年Benninghoven研究团队又将激光-SNMS装置整合到TOF-SIMS仪器中，基于Benninghoven理论，明斯特大学研制出世界上第一套TOF-SIMS系统，并一直发展至现在的第五代TOF-SIMS。

TOF型质谱仪的优点主要有容易获得高质量的分辨率、穿透率高以及没有质量范围限制等等。除了这些特性，当TOF-SIMS仪器以小于1×1012[ions/cm2]的离子量照射样品时，除了可同时达到包括这些优点的质谱数据外，而且也几乎不会对样品造成破坏。

TOF-SIMS 可以分析所有的导体、半导体、绝缘材料，对于材料/产品表面成分及分布、表面添加组分、杂质组分、表面多层结构/镀膜成分、表面异物残留(污染物、颗粒物、腐蚀物等)、表面痕量掺杂、表面改性、表面缺陷（划痕、凸起等）等有很好的表征能力。

这是美国的CHARLS EVANS实验室整理的一张图，几乎汇总了各种表面分析技术的主要应用能力，空间分辨率，探测灵敏度等，针对不同样品如何选择合适的测试手段这张图对我们来说具有很强的指导意义。TOF-SIMS的探测灵敏度可达到PPB的级别；TOF-SIMS的空间分辨率也比较好:小于100nm。

图3 不同表面成分分析数据比较

图3 中采用三种表面成分分析技术测试同样的样品-锂电池材料，可以比较出三种技术的分析能力：·XPS的空间分辨最差（成像模糊），但可以得出化学态的信息(Li的不同化学态：单质锂，氧化锂等）；·AES的空间分辨最高，成像能力最好，可清楚地表征电极表面的颗粒的形貌；·TOF-SIMS的表面灵敏度最高，可以得出分子信息（比如电解液的六氟磷酸 PF6， 氟化锂、以及粘接剂PVDF的C2H3O2等），还可以通过高分辨mapping看不同成分的分布。

TOF-SIMS被广泛应用于各种材料开发，材料剖析，多层薄膜/结构剖析与失效机理的分析和研究具有不可替代的作用。

-研发领域：半导体器件、纳米器件、生物医药、量子结构、能源电池材料等

-高新技术：高分子材料、金属、半导体、玻璃陶瓷、纳米镀层、纸张、薄膜、纤维等

-质谱图：TOF-SIMS高质量分辨可准确识别元素、同位素以及分子结构信息

-离子分布成像（2D成像）：锂电池极片表面成分分布，可直观显示不同成分在表面的分布情况

-电池极片断面离子成像：可直观显示不同成分在剖面、断面的分布情况：

02.表面微量痕量杂质检测