طیف‌سنجی جرمی یون ثانویه(SIMS)

روش‌های آنالیزی بر مبنای یون به دلیل حساسیت و قابلیت آنها برای آشکار کردن تغییرات ترکیب شیمیایی در عمق نمونه (پروفیل عمق) به کار می‌روند. در روش طیف‌نگاری جرمی یون ثانویه (SIMS) پرتوی از یون‌های اولیه که می‌تواند تا قطر حدود 20 نانومتر متمرکز شود، نمونه را روبش می‌کند و برای بیرون انداختن یون‌های ثانویه از نمونه به کار می‌رود. جرم یون های ثانویه توسط یک طیف‌نگار جرمی تعیین می‌شود. این تکنیک مخرب است و لایة اتم‌های مورد بررسی از نمونه برداشته می‌شود. در جریان‌های پایین از پرتو یونی اولیه،‌ این اتفاق به آهستگی رخ می‌دهد و این تکنیک به عنوان Static SIMS شناخته می‌شود. در موارد بهینه، حتی 1/0 درصد یک تک لایه از ماده را هم می‌توان آشکار کرد. اگر از جریان‌های بیشتر پرتو یونی اولیه استفاده شود، ماده با سرعت بیشتری برداشته می‌شود و هر لایه در حین برداشته شدن آنالیز می‌شود بنابراین می‌توان پروفیل عمقی را به دست آورد. این تکنیک به عنوان Dynamic SIMS شناخته می‌شود. تجهیزات مدرن طیف نگاری جرمی یون ثانویه قدرت تفکیکی تا حدود 1 نانومتر دارند و بنابراین می‌توانند نقشه‌های ترکیب شیمیایی را نمایش دهند که مشابه نقشه‌های پرتو X می‌باشد. این نقشه‌ها Imaging نامیده می‌شوند. تمام روش ‌های طیف نگاری جرمی یون ثانویه دو مزیت عمده دارند. مزیت اول محدوده عناصر است؛ از آنجا که طیف‌نگاری جرمی نسبت به همه عناصر حساس است. تمام ایزوتوپ‌ها و حتی عناصر سبک از هیدروژن تا اکسیژن را می‌توان آنالیز کرد و نقشه آنها را تهیه کرد. مزیت دوم حساسیت است، طیف‌نگاری جرمی یون ثانویه معمولاً قادر به آشکار کردن غلظت‌هایی در حد یک قسمت در یک میلیون (ppm) است و در شرایط خوب حساسیتی در حد یک قسمت در یک میلیارد (PPb) دارد تصویر شماتیکی طیف‌نگاری جرمی یون ثانویه کاربردها SIMS عبارتند از: • آنالیز ترکیب شیمیایی سطح با قدرت تفکیک عمقی در حدود 5 تا10 نانومتر • تهیه پروفیل غلظت عناصر در عمق ماده • آنالیز عناصر در غلظت‌های بسیار کم (trace) در محدوده ppt تا ppm • شناسایی لایه‌های سطحی آلی یا غیرآلی بر روی فلزات، شیشه‌ها، سرامیک‌ها و لایه‌های نازک • تهیه پروفیل عمقی لایه‌های سطحی اکسید، لایه‌های نازک خوردگی، لایه‌های نازک حل شده (leached) و تهیه پروفیل‌های نفوذی • پروفیل‌عمقی غلظتی مقادیر کم عناصر ذوب شده (dopants) (PPm 1000 ) که به صورت نفوذی یا کاشته شده (implanted) به مواد نیمه‌هادی افزوده شده است • تعیین غلظت هیدروژن و پروفیل‌های عمقی در آلیاژهای فلزی ترد شده (embrittled) لایه‌های نازک تهیه شده از نشاندن بخار (Vapor- deposited)، شیشه‌های هیدراته و مواد معدنی • آنالیز کمی غلظت بسیار کم عناصر در جامدها • فراوانی ایزوتوپ‌ها در نمونه‌های زمین‌شناسی • مطالعات غلظت‌های بسیار کم (برای مثال نفوذ و اکسیداسیون) • توزیع فلزی در مواد معدنی زمین شناسی، سرامیک‌های چند فازی و فلزه • توزیع فاز ثانویه ناشی از جدایش مرزدانه‌ها، اکسیداسیون داخلی یا رسوب محدودیت‌های SIMS نیز به شرح زیر می‌باشند: • آنالیز به صورت مخرب است. • آنالیز کیفی و کمی به دلیل تغییرات وسیع حساسیت آشکارسازی از عنصری به عنصر دیگر و از زمینه یک نمونه به زمینه نمونه دیگر، پیچیده است. • کیفیت آنالیز (دقت، صحت، حساسیت و غیره) از طراحی دستگاه و پارامترهای عملیاتی هر آنالیز شدیداً تأثیر می‌پذیرد.