二次離子質譜( Secondary-ion mass spectrometry，SIMS) 是一種固體原位微區分析技術，具有高分辨率
、高精度、高靈敏等特征，廣泛應用於地球化學、天體化學、半導體工業、生物等研究中。本文主要闡明了SIMS 技術的原理、儀器類型，簡要介紹了其主要應用

，分析了其特點。

二次離子質譜儀(Secondary-ion mass spectrometry
，SIMS)也稱離子探針
，是一種使用離子束轟擊的方式使樣品電離，進而分析樣品元素同位素組成和豐度的儀器
，是一種高空間分辨率
、高精度
、高靈敏度的分析方法。檢出限一般為ppm-ppb級，空間分辨率可達亞微米級，深度分辨率可達納米級。被廣泛應用於化學、物理學、生物學
、材料科學、電子等領域。

SIMS分析技術

一定能量的離子打到固體表麵會引起表麵原子、分子或原子團的二次發射
，即離子濺射。濺射的粒子一般以中性為主
，其中有一部分帶有正、負電荷，這就是二次離子。利用質量分析器接收分析二次離子就得到二次離子質譜[1,2]。

離子探針實際上就是固體質譜儀，它由兩部分組成：主離子源和二次離子質譜分析儀。常見的主離子源有Ar＋、Xe＋、O-、O2+、Cs+
、Ga+……從離子源引出的帶電離子如Cs+
、或Ga+等被加速至keV～MeV能量，被聚焦後轟擊樣品表麵。

高gao能neng離li子zi進jin入ru樣yang品pin後hou
，一yi部bu分fen入ru射she離li子zi被bei大da角jiao度du反fan彈dan出chu射she，即ji發fa生sheng背bei散san射she，而er另ling一yi部bu分fen則ze可ke以yi深shen入ru到dao多duo個ge原yuan子zi層ceng，與yu晶jing格ge原yuan子zi發fa生sheng彈dan性xing或huo非fei彈dan性xing碰peng撞zhuang。這zhe一yi過guo程cheng中zhong
，離li子zi所suo帶dai能neng量liang部bu分fen或huo全quan部bu轉zhuan移yi至zhi樣yang品pin原yuan子zi
，使shi其qi發fa生sheng晶jing格ge移yi位wei、激發或引起化學反應。經過一係列的級聯碰撞

，表麵的原子或原子團就有可能吸收能量而從表麵出射
，這一過程稱為離子濺射。

濺射出的粒子大部分為電中性
，隻有小部分是帶電的離子、分(fen)子(zi)或(huo)團(tuan)簇(cu)。攜(xie)帶(dai)了(le)樣(yang)品(pin)表(biao)麵(mian)成(cheng)分(fen)信(xin)息(xi)的(de)二(er)次(ci)離(li)子(zi)出(chu)射(she)之(zhi)後(hou)，被(bei)引(yin)出(chu)電(dian)場(chang)加(jia)速(su)後(hou)進(jin)入(ru)分(fen)析(xi)係(xi)統(tong)並(bing)被(bei)探(tan)測(ce)器(qi)所(suo)記(ji)錄(lu)。經(jing)過(guo)計(ji)算(suan)機(ji)分(fen)析(xi)，就(jiu)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)關(guan)於(yu)表(biao)麵(mian)信(xin)息(xi)的(de)能(neng)譜(pu)。譜(pu)中(zhong)的(de)計(ji)數(shu)與(yu)樣(yang)品(pin)的(de)各(ge)種(zhong)成(cheng)分(fen)原(yuan)子(zi)濃(nong)度(du)有(you)關(guan)，通(tong)過(guo)與(yu)標(biao)準(zhun)樣(yang)品(pin)的(de)對(dui)比(bi)，就(jiu)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)待(dai)測(ce)樣(yang)品(pin)中(zhong)的(de)原(yuan)子(zi)濃(nong)度(du)。

fashenglizijiansheshi，miaoshujianshexianxiangdezhuyaocanshushijiansheyunenghejianshechane。jiansheyunengzhideshikaishichuxianjiansheshi
，chujilizisuoxudenengliang。jianshechanejuedingjieshoudaodeercilizideduoshao
，tayurushelizinengliang、入射角度、原子序數均有一定的關係，並與靶材晶格取向有關。

SIMS儀器類型

根據微區分析能力和數據處理方式，可以將SIMS分為三種類型：

(1)非成像型離子探針。用於側向均勻分布樣品的縱向剖析或對樣品最外表麵層進行特殊研究；

(2)掃描成像型離子探針。利用束斑直徑小於10Lm的一次離子束在樣品表麵作電視形式的光柵掃描
，實現成像和元素分析；

(3)直接成像型離子顯微鏡。以較寬(5～300Lm)的一次離子束為激發源，用一組離子光學透鏡獲得點對點的顯微功能。

根據一次束能量和分析縱向
，二次離子質譜可分為靜態二次離子質譜(SSIMS)和動態二次離子質譜(DSIMS)兩種。SSISM一般都采用流強較低的初級離子束
，轟擊僅影響表麵原子層，對樣品的損傷可忽略不計，被稱為是靜態二次離子質譜。相反，DSISM則一般使用流強較大的初級離子束
，將樣品原子逐層剝離
，從而實現深層原子濃度的測量，因此也被稱為動態二次離子質譜。

二次離子質譜的主要應用

根據工作模式的不同，二次離子質譜要有3個方麵的應用，分別是表麵質譜

、表麵成像和深度剖析。

（1）元素及同位素分析

（2）表麵質譜

（3）表麵成像

（4）深度剖析

SIMS的特點

SIMS的主要優點：

(1)在超高真空下(<10-7Pa)進行測試
，可以確保得到樣品表層的真實信息；

(2)原則上可以完成周期表中幾乎所有元素的低濃度半定量分析

；

(3)可檢測同位素；

(4)可分析化合物
；

(5)具有高的空間分辨率；

(6)可逐層剝離實現各成分的縱向剖析
，連續研究實現信息縱向大約為一個原子層；

(7)檢測靈敏度高。

當然
，SIMS自身也存在一定的局限性，主要在於：

(1)分析絕緣樣品必須經過特殊處理
；

(2)樣品組成的不均勻性和樣品表麵的光滑程度對分析結果影響很大；

(3)濺射出的樣品物質在鄰近的機械零件和離子光學部件上的沉積會產生嚴重的記憶效應。

結語

二次離子質譜(SIMS)技術是一種高空間分辨率
、高精度、高靈敏度的分析方法。它作為目前最為先進的微區分析手段
，已經得到了令人矚目的發展。隨著SIMS技術的不斷發展，在化學
、物理學、生物學

、材料科學、電子、地球科學方麵的應用越來越廣泛，對SIMS技術的應用的探究也越來越多。相信其將在地球科學研究方麵做出重大的貢獻。