Ионный микроанализ

ИОННЫЙ МИКРОАНАЛИЗ, метод локального анализа, основанный на регистрации масс-спектров вторичных ионов с микроучастков пов-сти твердых тел. Исследуемый образец в вакууме бомбардируют сфокусированным пучком первичных ионов (Аr⁺, О₂⁺, О^-, Cs⁺ ; диаметр пучка 1-100 мкм, энергия 10^-¹⁵ - 10^-¹⁶ Дж, плотн. тока 0,1-10 А/м²). Первичные ионы при взаимод. с пов-стью упруго и неупруго рассеиваются, перезаряжаются, испытывают многократные соударения с атомами твердого тела. При этом часть атомов вблизи пов-сти получает энергию, достаточную для их эмиссии в вакуум в виде нейтральных частиц (катодное распыление) или в виде вторичных ионов (вторичная ионная эмиссия). Интенсивность эмиссии вторичных ионов i-го элемента (I_i) сильно зависит от параметров первичного ионного пучка (типов ионов, их энергии, плотности тока), анализируемой пробы (характера хим. связей, физ. св-в, потенциала ионизации атомов, работы выхода электронов бомбардируемой пов-сти и др.), давления и состава остаточных газов в приборе. Величина I_i характеризуется величиной вторичного ионного тока (в А) или скоростью счета импульсов (имп/с). Дифференц. выход вторичных ионов g_i = K_i/С_i, где K_i = N_i⁺⁽^-⁾/N₀, представляет собой отношение числа испускаемых вторичных ионов N_i⁺⁽^-⁾ к числу первичных ионов N₀, С_i - концентрация i-го элемента в пробе. Прибор для ионного микроанализа - ионный микроанализатор - состоит из источника первичных ионов, вакуумной камеры, статич. и динамич. масс-анализаторов (см. Macc-спектрометрия) и системы регистрации вторичных ионов. Из источников первичных ионов наиб. распространен дуоплазмотрон с горячим или холодным катодом. Давление в рабочей камере микроанализатора составляет 10^-⁵ — 10^-⁸ Па. Масс-спектральное разрешение m/Dm (m - масса ионов) от 10² до 10⁴. Регистрацию вторичных ионов проводят с помощью вторично-электронного умножителя, микроканальной пластины и ионно-электронного преобразователя, снабженного сцинтиллятором и фотоэлектронным умножителем. Управление работой отдельных блоков микроанализатора и обработку получаемой информации проводят с помощью ЭВМ.

Качеств. обнаружение всех элементов периодич. системы проводят по масс-спектру вторичных ионов, в к-ром идентифицируют пики, соответствующие атомным, молекулярным, кластерным и многозарядным ионам. Пределы обнаружения зависят от I_i и масс-спектрального разрешения и составляют 10^-² - 10^-⁶% или 10^-¹² - 10^-¹⁶ г. Локальность по пов-сти 1-100 мкм, по глубине 1-5 нм. Изменение I_i м. б. связано с т. наз. реакц. вторичной эмиссией, к-рая возникает при анализе хим. соед., наличии оксидных пленок на пов-сти образца, при использовании химически активных первичных ионов, в присут. реакционноспособных остаточных газов в ионных микроанализаторах. Реакционная эмиссия м. б. источником больших систематич. погрешностей анализа, однако ее используют для увеличения воспроизводимости и снижения пределов обнаружения. Количеств. ионный микроанализ проводят, используя теоретич. и эмпирич. градуировочные характеристики С_i =f(I_i). Первые основаны на квантовомех. или термодинамич. моделях механизма вторичной ионной эмиссии. Однако более точны эмпирич. методы с использованием многоэлементных однородных стандартных образцов, чистых в-в или ионно-легированных поверхностных слоев с заданным распределением элементов. При этом обычно рассчитывают коэф. относит. чувствительности (КОЧ) - отношение выходов вторичных ионов определяемого элемента для исследуемого и стандартного образцов: КОЧ = (I_i/C_if_i)/(I_c/C_cf_c), где С_с и I_с- соотв. концентрация определяемого элемента и интенсивность ионной эмиссии в стандартном образце, f_i и f_с- доли измеряемых изотопов соотв. в исследуемом и стандартных образцах. При количеств. ионном микроанализе гетерог. материалов с резко отличающейся работой выхода электронов из разл. фаз используют реакц. эмиссию, при к-рой в камеру микроанализатора впускают реакционноспособный газ (напр., О₂, Н₂) для выравнивания работы выхода. При анализе диэлектриков проводят нейтрализацию поверхностного заряда медленными электронами или наносят на пов-сть образца металлич. сетки и диафрагмы. Ионный микроанализ проводят в статич. и динамич. режиме. В первом случае при малой плотности тока анализируют практически без разрушения реальную пов-сть твердого тела (распыление одного слоя происходит за неск. ч). Во втором случае проводят послойный анализ с относительно высокой скоростью катодного распыления (единицы-десятки нм/с). При этом осуществляют сканирование первичного пучка по большой площади и напуск реакционноспособного газа для получения плоского кратера. Ионный микроанализ применяют для изучения распределения элементов в тонких поверхностных слоях твердых тел, их изотопного и фазового анализа.

Гимельфарб Ф. А., Шварцман С. Л., Современные методы контроля композиционных материалов, М., 1979; Методы анализа поверхностей, пер. с англ., М., 1979; Черепин В. Т., Ионный зонд, К., 1981; Нефедов В. И., Черепин В. Т., Физические методы исследования поверхности твердых тел, М., 1983 Ф. А. Гимельфарб.

Читайте еще

Масс-спектрометры — принципы работы и типы анализаторов

Электронно-зондовые методы исследования

Радиоиндикаторные методы анализа в химии

Электронная микроскопия — основы и применение

Электрогравиметрия — принцип и применение метода

Сероводородный метод анализа — принципы и применение

Микрохимический анализ — основы и применение

Радиохимический анализ — методы и применение

Масс-спектроскопия — принципы и применение

Радиометрический анализ в химии