Spettrometria di massa 2

LA SPETTROMETRIA DI MASSA DI IONI SECONDARI (SIMS): PRINCIPI E APPLICAZIONI

Nella moderna scienza dei materiali sono sempre più richieste tecniche analitiche che consentano lo studio e la caratterizzazione di superfici e di sub-superfici di solidi con una elevata sensibilità utilizzando minime quantità di campione, ciò poiché la zona superficiale di un materiale rappresenta la zona di frontiera alla quale avviene l'interazione dello stesso con il mondo circostante. La composizione chimica della superficie e della sub-superficie sono quelle che, ad esempio, determinano il comportamento di un materiale nei confronti di molti fenomeni (adesione, scorrimento, bagnabilità, corrosione, etc.)

Fra le varie tecniche disponibili, la Spettrometria di Massa di Ioni Secondari presenta alcune interessanti peculiarità che

è quello di frenamento nucleare(stopping power) che può essere visto, approssimativamente, come una serie di urti balistici fra il proiettile e gli atomi del campione.

L’energia trasferita dallo ione primario agli atomi del campione, nel corso del suo progressivo frenamento attraverso il solido, può essere sufficiente a rompere i legami atomici e/o molecolari dando origine a tutta una serie di fenomeni tra i quali il principale è il rimescolamento degli atomi che vengono spostati dai loro siti reticolari (recoil mixing).

Tutti i frammenti, atomici e molecolari, carichi e non, che hanno acquistato sufficiente energia ed hanno direzione ed verso opportuno possono abbandonare la superficie del solido.

Mentre lo spessore di campione attraversato dallo ione primario, in dipendenza della energia, della massa che questo possiede e dell’angolo con cui incide sulla superficie, può variare dai nm alle decine di nm (limitatamente al range di energie e di

proiettili più comunemente utilizzati), lazona di solido che contribuisce alla emissione di particelle secondarie è essenzialmente quellasuperficiale e sub-superficiale, poichè il libero cammino medio di tali particelle è tipicamentedell’ordine di 1-2 nm.

L’insieme di atomi e molecole, di aggregati atomici e molecolari (cluster) emessi si trovanoessenzialmente nello stato neutro e possiedono una energia cinetica che ha una distribuzionediversa a seconda che si tratti di specie monoatomiche o poliatomiche.

Non è ancora chiaro quale sia il meccanismo che porta alla emissione delle specie molecolarinonostante i numerosi esperimenti ad hoc compiuti. Sono stati ipotizzati due meccanismiprincipali: il primo sostiene che le specie molecolari e i cluster atomici si formano in seguito aprocessi di ricombinazione di atomi e ioni appena emessi che avvengono nell’immediato intornodella superficie; il secondo invece sostiene che tali specie

Il processo di emissione è intrinsicamente distruttivo, acquisendo numerose mappe in funzione del tempo di bombardamento, si può ottenere la distribuzione tridimensionale delle varie specie osservate nello spettro di massa del campione.

In connessione con quanto sopra detto, si individuano tre modi di funzionamento denominati: static SIMS, dynamic SIMS, imaging SIMS.

In static SIMS si opera a bassissime densità di corrente primarie, minimizzando la velocità di erosione cosicché il tempo necessario a rimuovere il primo monostrato atomico o molecolare risulta superiore al tempo di analisi. Ciò permette che:

1. le informazioni molecolari vengano conservate anche su sistemi labili;
2. tali informazioni provengano solamente dalla superficie del campione.

Ciò è molto importante sia per studi di carattere fondamentale, sia per studi di carattere applicativo. Alla riduzione della corrente ionica primaria corrisponde un abbassamento della corrente.

Ionica secondaria a scapito quindi del limite di rivelabilità. Per ovviare a questo inconveniente bisogna migliorare l’efficienza di trasmissione e di rivelazione.

In dynamic SIMS si opera ad elevate densità di corrente primarie in modo da ottenere una notevole corrente di ioni secondari che, a sua volta, determina un elevato rapporto segnale/rumore. Ciò innalza il limite di rivelabilità consentendo di rivelare, nei casi più favorevoli, elementi presenti a livello di parti per miliardo.

Se, come già detto, si registra il segnale in funzione del tempo di erosione si otterrà un profilo di profondità. Seguendo il segnale di più specie in funzione del tempo si potrà ottenere la loro distribuzione in funzione dello spessore del campione. La massima risoluzione in profondità ottenibile è determinata essenzialmente dal libero cammino medio dello ione secondario che, come già detto, è di circa 1-2 nm.

E dallo spessore della zona in cui avviene il mixing indotto dallo ione primario. Tale spessore dipende dalla massa e dall'energia del proiettile, quindi operando su questi due parametri è possibile ottenere una risoluzione di circa 2-3nm.

Nella zona del campione colpita dal fascio primario, a causa della erosione causata dal bombardamento, si aprirà un cratere la cui forma e la cui profondità saranno determinate dall'angolo di incidenza, dalla energia e dalla intensità degli ioni primari. Un cratere ideale dovrebbe possedere la forma di un cubo o di un parallelepipedo; un cratere reale, a causa delle aberrazioni del fascio primario e di fenomeni di rideposizione assume una forma a tronco di piramide invertito. Se si acquisisse il segnale da tutta l'area bombardata si avrebbero contemporaneamente contributi alla corrente ionica totale provenienti da altezze diverse (dal fondo del cratere e dalle sue pareti); ciò causa un peggioramento

1. distribuzione isotopica elementare;
2. analisi elementare qualitativa e semiquantitativa di tutti gli elementi del sistema.

periodico idrogeno incluso;

3) informazioni molecolari. Si può correlare l'intensità