Масс-спектрометрия вторичных ионов (МСВИ) (англ. Secondary-Ion Mass Spectrometry, SIMS) — метод получения ионов из низколетучих, полярных и термически нестойких соединений в масс-спектрометрии.

Первоначально применялся для определения элементного состава низко-летучих веществ, однако впоследствии стал использоваться как десорбционный метод мягкой ионизации органических веществ. Используется для анализа состава твёрдых поверхностей и тонких плёнок. МСВИ — самая чувствительная из техник анализа поверхностей, способная обнаружить присутствие элемента в диапазоне 1 часть на миллиард.

Сущность метода

Проба облучается сфокусированным пучком первичных ионов (например Xe⁺, Cs⁺, Ga⁺) с энергией от 100 эВ до нескольких кэВ (большая энергия используется в методе FAB). Образующийся в результате пучок вторичных ионов анализируется с помощью масс-спектрометра для определения элементного, изотопного или молекулярного состава поверхности.

Выход вторичных ионов составляет 0,1-0,01 %.

История

Вакуум

Метод МСВИ требует создания условий высокого вакуума с давлениями ниже 10⁻⁴ Па (примерно 10⁻⁶ мбар или торр). Это необходимо, чтобы гарантировать, что вторичные ионы не сталкиваются с молекулами окружающего газа на их пути к датчику (длина свободного пробега), а также для предотвращения поверхностного загрязнения адсорбция частицами окружающего газа во время измерения.

Измерительный прибор

Классический анализатор на основе МСВИ включает в себя 1) первичную ионную пушку, производящую первичный ионный пучок, 2) коллиматор первичных ионов, ускоряющий и сосредотачивающий луч на образце (в некоторых устройствах с возможностью отделить первичные ионы специальным фильтром или создать пульсацию луча), 3) высоковакуумную камеру, содержащую образец и ионную линзу для извлечения вторичных ионов, 4) массовый анализатор, разделяющий ионы согласно их отношению заряда к массе, 5) устройства детектирования ионов.

Разновидности

Различают статический и динамический режимы МСВИ.

Статический режим

Используется небольшой поток ионов на единицу поверхности (< 5нА/см²). Таким образом исследуемая поверхность остаётся практически невредимой.

Применяется для исследования органических проб.

Динамический режим

Поток первичных ионов большой (порядка мкА/см²), поверхность исследуется последовательно, со скоростью примерно 100 ангстрем в минуту.

Режим является деструктивным, и, следовательно, подходит больше для элементного анализа.

Эрозия пробы позволяет получить профиль распределения веществ по глубине.