應(yīng)用分享 | TOF-SIMS質(zhì)量分析器（下）：TRIFT結(jié)構(gòu)及特點

在上一篇文章中，我們探討了TOF-SIMS高精度測量所面臨的挑戰(zhàn)，指出質(zhì)量分析器需要具備精密的離子光學(xué)設(shè)計以應(yīng)對這些挑戰(zhàn)。三重飛行時間聚焦質(zhì)量分析器（TRIple Focusing Time of flight，簡稱TRIFT）作為ULVAC-PHI的TOF質(zhì)量分析器，憑借其寬通能、高景深和較大二次離子接收角等獨特設(shè)計，在靜態(tài)SIMS分析中表現(xiàn)出y性能。TRIFT起初由Charles Evans & Associates公司開發(fā)，后經(jīng)PHI持續(xù)優(yōu)化與迭代，已成為當(dāng)前性能優(yōu)先的靜態(tài)SIMS質(zhì)量分析器之一。

本文將重點介紹TRIFT質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)組成、功能特點及其在實際分析中的應(yīng)用。

一、TRIFT質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)

為滿足復(fù)雜形貌樣品的高精度TOF-SIMS分析需求，TRIFT質(zhì)量分析器采用了獨特的光路設(shè)計，能夠有效補償二次離子因初始動能差異、發(fā)射角度與樣品高度差所引起的飛行時間偏差。如圖3所示，TRIFT質(zhì)量分析器主要由以下部分構(gòu)成：

1、提取透鏡組

TRIFT配置了由浸沒透鏡(Immersion Lens)和傳輸透鏡(Transfer Lens)組成的提取透鏡組，用于提取樣品表面激發(fā)的二次離子，并將其聚焦后送入靜電分析器。

2、靜電分析器(ESA)

提取透鏡組的后端設(shè)有三個ESA分析器，每一個ESA分析器可將二次離子偏轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過三個ESA分析器的偏轉(zhuǎn)后，二次離子會累計偏轉(zhuǎn)270°，終于到達(dá)雙微通道板探測器(DMCP)，整個飛行路徑為2 m。

3、能量過濾器(Energy Slit)：

在一個ESA分析器的后端配置有一個帶通能量過濾器，用于調(diào)整二次離子通過的能量范圍，去除亞穩(wěn)態(tài)離子干擾。

4、其它組件

TRIFT還配有Matsuda Plate、Contrast Diaphram、HiMass Blanker等光學(xué)組件，這些精密組件協(xié)同工作，共同保障高精度TOF-SIMS分析。

圖3. TIRFT質(zhì)量分析器結(jié)構(gòu)示意圖

二、TRIFT質(zhì)量分析器功能特點

1、動能補償

TRIFT質(zhì)量分析器通過調(diào)整二次離子在ESA中的飛行軌跡，來修正因初始動能差異所帶來的飛行時間偏差。如圖4所示，初始動能大于零的二次離子，在ESA分析器中的飛行路徑會增加，這樣飛行時間延長，使其與質(zhì)荷比相同且初始動能為零的二次離子同時到達(dá)探測器。

圖4. TRIFT質(zhì)量分析器動能補償示意圖

2、方向聚焦

如圖5所示，TRIFT質(zhì)量分析器采用雙提取透鏡組設(shè)計，可以對不同出射角度的二次離子進行聚焦，增加二次離子的接收范圍。配合后端的三組ESA，能夠同時修正由二次離子初始動能和不同出射角度所造成的飛行時間偏差，在不失去傳輸效率和檢測靈敏度的前提下，可實現(xiàn)高達(dá)± 21°的二次離子接收角。

圖5. TRIFT質(zhì)量分析器方向聚焦示意圖

3、高帶通能量設(shè)計

TRIFT質(zhì)量分析器所配置的能量過濾器具有較高的通能(240 eV),在保證分析效率與精度的同時，可實現(xiàn)優(yōu)異的成像景深。如圖6所示，對聚合物纖維樣品進行TOF-SIMS成像分析時，得益于TRIFT質(zhì)量分析器出色的成像景深，在0-150 μm縱向范圍內(nèi)清晰分辨出交織重疊的纖維結(jié)構(gòu)，并在每根纖維上都能采集到高靈敏度和高分辨率的質(zhì)譜信號。

圖6. TRIFT質(zhì)量分析器高景深成像分析-聚合物纖維樣品

三、實際應(yīng)用案例

PHI旗下的NanoTOF系列TOF-SIMS設(shè)備均搭載TRIFT質(zhì)量分析器，能夠在寬能量范圍內(nèi)對二次離子動能和出射方向進行聚焦，適用于復(fù)雜形貌樣品的高精度表面成像分析。以下為實際應(yīng)用案例：

圖7. 聚合物微球TOF-SIMS成像分析，微球材質(zhì)：聚甲基丙烯酸乙酯；襯底材質(zhì)：亞力克膠

圖8. 人類頭發(fā)TOF-SIMS成像分析

圖9. 小鼠胚胎組織TOF-SIMS成像分析

TRIFT質(zhì)量分析器通過其獨特的三重聚焦設(shè)計——即對二次離子的能量、角度和空間位置同時進行補償與聚焦，成功攻克了高精度TOF-SIMS分析中的多項關(guān)鍵挑戰(zhàn)。隨著表面分析技術(shù)不斷向更高靈敏度、更高空間分辨率和更復(fù)雜應(yīng)用場景發(fā)展，TRIFT質(zhì)量分析器所表示的高性能離子光學(xué)平臺，將繼續(xù)為科學(xué)家揭示材料表面與界面的化學(xué)信息提供強大而可靠的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)

Schueler B W .Microscope Imaging by Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry[J].Microscopy Microanalysis Microstructures, 1992, 3(2-3):119-139.DOI:10.1051/mmm:0199200302-3011900.

-轉(zhuǎn)載于《PHI表面分析 UPN》公眾號