離子探針分析儀，即離子探針（Ion Probe Analyzer，IPA），又稱二次離子質譜（Secondary Ion Mass Spectrum，SIMS），是利用電子光學方法把惰性氣體等初級離子加速並聚焦成細小的高能離子束轟擊樣品表面，使之激發和濺射二次離子，經過加速和質譜分析，分析區域可降低到1-2μm直徑和5nm的深度，正是適合表面成分分析的功能，它是表面分析的典型手段之一。
基本介紹
- 中文名：離子探針分析儀
- 外文名：Ion Probe Analyzer，IPA
- 又稱：二次離子質譜
- 套用：表面分析
基本原理,儀器組成,特點,套用,
基本原理
離子探針的原理是利用能量為1～20KeV的離子束照射在固體表面上，激發出正、負離子（濺射），利用質譜儀對這些離子進行分析，測量離子的質荷比和強度，從而確定固體表面所含元素的種類和數量。
被加速的一次離子束照射到固體表面上，打出二次離子和中性粒子等，這個現象稱作濺射。濺射過程可以看成是單個入射離子和組成固體的原子之間獨立的、一連串的碰撞所產生的。 右圖說明入射的一次離子與固體表面的碰撞情況。
入射離子一部分與表面發生彈性或非彈性碰撞後改變運動方向，飛向真空，這叫作一次離子散射（如圖中Ⅰ）；另外有一部分離子在單次碰撞中將其能量直接交給表面原子，並將表面原子逐出表面，使之以很高能量發射出去，這叫作反彈濺射（如圖中Ⅲ）；然而在表面上大量發生的是一次離子進入固體表面，並通過一系列的級聯碰撞而將其能量消耗在晶格上，最後注入到一定深度（通常為幾個原子層）。固體子受到碰撞，一旦獲得足夠的能量就會離開晶格點陣，並再次與其它原子碰撞，使離開晶格的原子增加，其中一部分影響到表面，當這些受到影響的表面或近表面的原子具有逸出固體表面所需的能量和方向時，它們就按一定的能量分布和角度分布發射出去（如圖中Ⅱ）。通常只有2-3個原子層中的原子可以逃逸出來，因此二次離子的發射深度在1nm左右。可見，來自發射區的發射粒子無疑代表著固體近表面區的信息，這正是SISM能進行表面分析的基礎。
一次離子照射到固體表面引起濺射的產物種類很多（下圖），其中二次離子只占總濺射產物的很小一部分（約占0.01-1%）。影響濺射產額的因素很多，一般來說，入射離子原子序數愈大，即入射離子愈重，濺射產額愈高；入射離子能量愈大，濺射產額也增高，但當入射離子能量很高時，它射入晶格的深度加大將造成深層原子不能逸出表面，濺射產額反而下降。
儀器組成
離子探針主要由三部分組成：一次離子發射系統、質譜儀、二次離子的記錄和顯示系統。前兩者處於壓強〈10-7Pa的真空室內。其結構原理如圖所示。
① 一次離子發射系統
一次離子發射系統由離子源（或稱離子槍）和透鏡組成。離子源是發射一次離子的裝置，通常是用幾百伏特的電子束轟擊氣體分子（如惰性氣體氦、氖、氬等），使氣體分子電離，產生一次離子。在電壓作用下，離子從離子槍內射出，再經過幾個電磁透鏡使離子束聚焦，照射在樣品表面上激發二次離子。用一個電壓約為1KV的引出電極將二次離子引入質譜儀。
② 質譜儀
質譜儀由扇形電場和扇形磁場組成。二次離子首先進入一個扇形電場，稱為靜電分析器。在電場內，離子沿半徑為r的圓形軌道運動，由電場產生的力等於向心力。運動軌道半徑r等於mv2/eE，與離子的能量成正比。所以扇形電場能使能量相同的離子作相同程度的偏轉。由電場偏轉後的二次離子再進入扇形磁場（磁分析器）進行第二次聚焦。由磁通產生的洛侖茲力等於向心力。不同質荷比的離子聚焦在成像面的不同點上。如果C狹縫固定不動，聯繫改變扇形磁場的強度，便有不同質量的離子通過C狹縫進入探測器。B狹縫稱為能量狹縫，改變狹縫的寬度可選擇不同能量的二次離子進入磁場。
③ 離子探測系統
離子探測器是二次電子倍增管，內是彎曲的電極，各電極之間施加100-300V的電壓，以便逐級加速電子。二次離子通過質譜儀後直接與電子倍增管的初級電極相碰撞，產生二次電子發射。二次電子被第二級電極吸引並加速，在其上轟擊出更多的二次電子，這樣逐級倍增，最後進入記錄和觀察系統。
二次離子的記錄和觀察系統與電子探針相似，可在陰極射線管上顯示二次離子像，給出某元素的面分布圖，或在記錄儀上畫出所有元素的二次離子質譜圖。
特點
SISM有以下幾個特點：
1. 由於離子束在固體表面的穿透深度（幾個原子層的深度）比電子束淺，可對這樣的極薄表層進行成份分析。
2. 可分析包括氫、鋰元素在內的輕元素，特別是氫元素，這種功能是其它儀器不具備的。
3. 可探測痕量元素（～50×10-9，電子探針的極限為～0.01%）。
4. 可作同位素分析。
套用
由於SISM的特點，目前可以套用於下列五個方面的分析研究：
1. 表面分析（包括單分子層的分析），諸如催化、腐蝕、吸附、和擴散等一些表面現象均通過SISM獲得了成功的分析研究。
2. 深度剖面分析（深度大於50nm的分析），在薄膜分析、擴散和離子諸如等有關研究中，SISM是測定雜質和同位素的深度濃度 分布最有效的表面分析工具。
3. 面分析 通過離子成像法可以提供關於元素橫向分布的信息和適當條件下單定量信息。目前離子成像已經用於研究晶界析出物、冶金和單晶的效應、橫向擴散、礦物相的特徵以及表面雜質分布等。
4. 微區分析（區域直徑小於25μm的微區），用於元素的痕量分析、雜質分析、空氣中懸浮粒子的分析等。
5. 體分析 即對固體一般特性的分析。 由於離子探針有許多優點，故自問世以來在半導體、金屬、礦物、環境保護、同位素和催化劑各個方面的套用都有很大發展。
（1）在半導體材料方面的套用
由於半導體材料純度要求很高，要求分析的區域最小，迫切要求做表面分析和深度分析，因此也是最適合離子探針發揮作用的領域，其中有代表性的工作有：
· 表面、界面和體材料的雜質分析
· 離子注入濃度及摻雜的測定
· 在實效分析方面的套用
（2）在金屬材料方面的套用
離子探正在金屬材料的表面，薄層深度和微量分析方面套用是很廣泛的。
· 測定各種鋼材和合金表面的鈍化膜、滲氮層、氧化墨中的成分。
· 測定各種金屬之間的相互擴散、滲透，了解其性質。
· 測定鋼和金屬的析出相、夾雜物、碳化物的成分、稀土元素以及硼、磷等在鋼材晶界上的偏析。
· 測定注入到金屬表層中的摻雜元素的深度分布。
· 測定金屬表面的沾污和沾物的成分。
（3）在地質礦物方面的套用
由於離子探針不需要預先分離樣品，樣品消耗量少，並可以直接利用電學方法加以紀記錄，因此在地質方面有著廣泛的套用：
· 測定隕石中微量元素含量及其分布，以及同位素的豐度比。
· 測定月球上的稀土元素、鹼土元素並與地球上的元素進行對比。
· 測定長石中的氧、氟化鋰中的氟，雲母中的鉀的擴散。
