Kütle Spektrometri; İkincil İyonizasyon (secondary ionisation mass spectrometry)

İkincil iyonizasyon kütle spektrometri (SIMS), yüzeylerin kimyasal analizi için uygulanan, substratın odaklanmış bir iyon demeti (Xe+, Cs+, Ga+, v.s.) ile bombardımanı yoluyla moleküler veya atomik monotabakaların iyonizasyonuna dayanan bir yöntemdir.

Birkaç keV kinetik enerjili bir iyon demeti ile (‘primer iyonlar’ olarak adlandırılır) bir yüzeyin bombardımanı, nötral partiküllerin (nötraller) yanı sıra, bunların yüklü partiküllerinin (iyonları) de desorpsiyonuna neden olur (Şekil). Yüzeyi bombalayan birincil iyonlar genellikle atıl gazların (Ar+, Xe+), oksijenin (O2+, O-) veya metallerin (Ga+, In+, Bi+, Cs+, v.s.) Iyonlarıdır. Desorpsiyon sırasında oluşan iyonlara ‘ikincil iyonlar’ denir; bunların kütle spektrumu, numune yüzeyinin kimyasal bileşimi hakkında bilgi verir.

Kütle spektrometresi ile ölçülen ikincil iyonların verimi bazı faktörlere dayanır; birincil iyonların enerjisi, demetin geliş açısı, dışarı atılan iyonların açısı ve malzemenin yüzey kompozisyonu gibi. 
Çıkarılan nötrallerin maksimum iyonizasyonunu sağlamak için numune, silindirik simetrik bir manyetik alanda hareket eden bir düşük enerjili iyonlar demetine maruz bırakılır. Kantitatif analiz, ikincil iyon verim katsayısının yüzey tabakasının kimyasal bileşimine bağımlılığını gösteren kalibrasyon eğrileri kullanılarak yapılır. Örneğin, aynı koşullar altında,%2 bakır içeren bir alüminyum alaşımından bakır iyonlarının verimi, saf bakırdan elde edilen bakır iyonu miktarından fazladır.

Üç tip ikincil iyonizasyon kütle spektrometresi (SIMS) vardır:

·         Statik (yüzey monutabakanın element analizi
·         Dinamik (derinliğin fonksiyonu olarak birkaç tabakanın elemental kompozisyonunun tayini)
·         SIMS görüntü (önceki iki yaklaşımın bir kombinasyonu, kimyasal kompozisyon ile yüzey morfolojisi arasındaki ilişkileri kurmak); odaklanma sistemi ve Ga+ iyon demeti kullanan SIMS'nin modern yöntemleri, 50-60 nm'lik bir çözünürlük elde etmeyi mümkün kılar

İkincil iyonizasyon kütle spektrometresi, diğer yüzey kimyasal analiz yöntemlerinden (X-ışını mikroanalizi, Auger spektroskopisi) çok daha yüksek bir hassasiyete sahiptir; yabancı maddeleri veya katkı maddelerini tespit edebilir.

Diğer taraftan, bu yöntemin bazı dezavantajları vardır: Atomik tabakaların yüzeyden giderek uzaklaştırılması sorun yaratır; spesifik iyonların verimi önemli derecede diğer elementlerin konsantrasyonuna bağlı olduğundan kütle spektrometresinin kalibrasyonunda problem olur, spektrumun yorumlanması için izotopik kompozisyon ve üretilen iyon yükü bilgisi gereklidir.

Yüzey analiz yöntemi olarak SIMS, polimerik malzemelere (oligomerlerin bileşimi ve monomer birimlerinin yapısı, katkıların tanımlanması), metaller, cam, kağıt, yarı iletken malzemeler, ilaçlar, biyomalzemeler, kaplamalar ve çeşitli substratlar üzerindeki boyaların analizinde uygulanabilir.



SIMS teknik konsepti