Визначення хімічного складу та дослідження розподілу елементів методом мас – спектроскопии вторинних іонів

Мета роботи. Ознайомитись з фізичними основами метода мас – спектроскопії вторинних іонів. Засвоїти методику розшифрування спектрів. Визначити якісний та кількісний хімічний склад зразків.

Матеріали, прилади, довідкове і програмне забезпечення роботи

1. Прилад МС – 7201М

2. Зразки лазернолегованих сплавів

3. Мас – спектри полі ізотопних одноелементних матеріалів та багатокомпонентних славів

4. Дані для вивчення розподілу елементів

5. Додаток1

Масові числа стабільних ізотопів та їх відносна розповсюдженість

2.Загальні та теоретичні відомості

Абревіатуру метода мас – спектроскопії вторинних іонів прийнято записувати в іншій послідовності слів – ВІМС.

1.1.Фізичні основи методу ВІМС

Якщо на поверхню твердого тіла падає високоенергетичний потік іонів, то при достатньої енергії вони можуть втілюватися в кристалічну гратку передаючи частину своєї енергії іонам гратки (мал.1)

Мал.1. Процес виникнення вторинних іонів

Первинні іони з енергією 10кеВ втілюються в на глибину 100Å. В процесі їх гальмування в гратці твердого тіла, в наслідок парної взаємодії, розгортаються каскади послідовних зіткнень між іонами матриці. Частина каскадів має вірогідність вийти на поверхню. Якщо енергія поверхневого іона матриці в кінці каскаду достатня для його відриву від поверхні, то виникає його емісія, або по іншому – розпилення. На останньому етапі виникає дуже сильна взаємодія між іонами, що емітуються та газом вільних електронів. Ця взаємодія настільки сильна, що абсолютна більшість іонів відриваються від поверхні після приєднання електронів останнього енергетичного рівня, тобто в якості нейтральних атомів.

Дуже невелика кількість іонів відривається маючи заряд q=1 (в одиницях елементарного заряда), верогідність відриву двозарядних іонів ще на два порядка меньша. Співвідношення однозарядних іонів та атомів 10^-3…10^-4 . В мас – спектроскопії вторинних іонів аналізуються тільки іони, тобто абсолютна більшість розпиленої речовини для подальшого аналізу непридатна. Але чутливість методу настільки велика, що і такої малої кількості елемента досить для його ідентифікації. Глибина, на який

знаходились іони до їх емісії, зветься глибиною виходу (h_вих). При звичних параметрах падаючого іонного проміня для більшості металів та сплавів можна вважати, що h_вих 10Å.

1.2.Мас - аналізатори вторинних іонів.

Мас – аналізатори вторинних іонів це пристрої для просторового або в часі розділення іонів з різним значенням відношення М_i/q, де – М_i-маса іона. Розглянемо принцип дії одного з них ( всього їх біля двох десятків), що зветься мас – аналізатором з однорідним магнітним полем (мал.2).

Вторинні іони прискорені електричним полем U попадають в зону дії (позначена на мал. 2 трикутником) постійного магнітного поля Н, силові лінії якого направлені перпендикулярно к траєкторії руху іона. Взаємодія іона з магнітним полем

Мал.2. Схема аналізатора з однорідним магнітним полем

приводить до зміни траєкторії його руху з прямолінійної на колову. Радіус кола R_i визначається за формулою

R = (2UM_i/qH²)^1/2 (1)

За формулою (1) виходить,що іони які мають однакову кінетичну енергію але різне відношення M_i/q будуть фіксуватися приємною щілиною в різних крапках. На практиці щілину не переміщують, а змінюють величину напруженості магнітного поля (розгортка по магнітному полю). При цьому в детектор, що стоїть за щілиною попадають іони різних елементів. Якщо врахувати сказане раніше про величину заряду іона можна вважати, що розгортка по магнітному полю дає розподіл змісту зразка по атомним масам елементів,що входять до його складу. Оскільки атомна маса елементу величина строго індивідуальна, то якісний хімічний аналіз металів та сплавів можна вважати однозначним. Тобто, якщо детектор зафіксував іони з масовою вагою М_і = 55, то згідна даними додат.1 це означає, що в складі зразка присутній Mn.

2.Принципова схема спектрометрів вторинних іонів

Більшість спектрометрів вторинних іонів мають принципову схему показану на мал.3 і відрізняються типом роздільника (аналізатора).

Мал.3. Загальна принципова схема ВІМС

Для аналізу розподілу елементів по глибині зразку після визначення хімічного складу поверхні проводять іонне розпилення поверхневого шару. Для цього збільшують енергію первинних іонів і екранують реєстраційний блок. Після виходу на задану глибину прибор переводять в режим спектрометрії. По інтенсивності ліній спектру будують залежності розподілу елементів по глибині шару.

На мал.4 приведена блок – схема спектрометра МС -7201М, на якому проводяться дослідження на кафедрі.

Мал.4 Принципова схема спектрометра МС – 7201М

1 – живільник іонів, 2 – фокусуюча лінза, 3 – обектив, 4 – аналізатор, 5 – іонно – електронний перетворювач, 6 – вторинно – електронний множник, 7 – електромір, 8 – підсилювач, 9 – зразок, 10 – система керувння натіканням, 11 – вакумна система.

. 3.Послідовність розшифрування мас – спектрів

Зразок має в своєму складі один елемент. Розшифровку починають з аналізу найбільш інтенсивних максимумів. При цьому треба враховувати три важливі обставини

• є елементи, які мають кілька ізотопів (ізотопи мають однакове зарядове число воно дорівнює числу протонів, але різну кількість нейтронів, а значить і різну величину М_і), тобто елемент, що має стабільни ізотопи дає спектр з кількістю ліній, що дорівнює кількості ізотопів; їх відносна інтенсивність визначається їх розповсюдженням в природі (додаток 1)

• для розділення ізотопів, маса яких відрізняється на одиницю спектрометр повинен мати достатню роздільну здатність R=Mi/δ_m (; в магнітному одноканальному аналізаторі (мал.2) величина R залежить від ширини приймальної щілини)

• на спектрах практично завжди присутні лінії вуглецю, водню та лужних металів, що пов’язано з їх легкою іонізацією; перші два елементу входять до складу залишкових газів, лужні метали – випадкові домішки; достатньо оператору доторкнутися до зразка, щоб на ньому залишився NaCl (пот)

Зразок – сплав двох або більше компонентів. Мас – спектр має максимуми всіх ізотопів елементів, що входять до складу об’єкту. По співвідношенню сумарних інтенсивностей ізотопів елементів визначають масову долю кожного з них.

Кількісний хімічний аналіз. Треба мати еталон з відомим хімічним складом. Масова доля елементу в зразку (С_зр) вираховується за формулою

С_зр=С_ет(І_зр/І_ет) (2)

де – С_ет – масова доля елементу еталоні,

І_зр, І_ет – інтенсивності ліній зразка та еталона

відповідно

ВІМС має цілий ряд унікальних можливостей. А саме

• можна аналізувати будь які тверди тіла без спеціальної попередньої підготовки (метали та сплави, напівпровідники, діелектрики)

• регіструються всі елементи від водню до трансуранових

• ідентифікація ізотопів не потребує інших методів

• чутливість методу ~10^-4…10^-7%

• можна проводити пошаровий аналіз з дуже високою роздільною здатністю по глибині 10…50Å; для цього збільшенням енергії первинних іонів переводять прилад в режим катодного розпилення і після виходу на потрібну глибину повертають в режим вимірювання

• ідентифікуються не тільки окремі елементи, але також їх хімічні сполукі

• можна оцінювати фазовий склад зразка.

Е і недоліки, зокрема

• достовірний кількісний аналіз можна провести тільки при наявності еталону

• сильна дія первинного іонного проміня на об’єкт,що може привести до виникнення сегрегацій, або навпроти до перемішування атомів в зразку.