在上一篇文章中，我們探討了TOF-SIMS高精度測(cè)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(jì)以應(yīng)對(duì)這些挑戰(zhàn)。三重飛行時(shí)間聚焦質(zhì)量分析器（TRIple Focusing Time of flight，簡(jiǎn)稱TRIFT）作為ULVAC-PHI獨(dú)有的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(dú)特設(shè)計(jì)，在靜態(tài)SIMS分析中表現(xiàn)出優(yōu)越性能。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。

本文將著重介紹TRIFT質(zhì)量分析器的結(jié)構(gòu)組成、功能特點(diǎn)及其在實(shí)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(dú)特的光路設(shè)計(jì)，能夠有效補(bǔ)償二次離子因初始動(dòng)能差異、發(fā)射角度與樣品高度差所引起的飛行時(shí)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(gè)ESA分析器，每一個(gè)ESA分析器可將二次離子偏轉(zhuǎn)90°，經(jīng)過三個(gè)ESA分析器的偏轉(zhuǎn)后，二次離子會(huì)累計(jì)偏轉(zhuǎn)270°，終于到達(dá)雙微通道板探測(cè)器(DMCP)，整個(gè)飛行路徑為2 m。

3、能量過濾器(Energy Slit)：

在一個(gè)ESA分析器的后端配置有一個(gè)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(diǎn)

1、動(dòng)能補(bǔ)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(dòng)能差異所帶來的飛行時(shí)間偏差。如圖4所示，初始動(dòng)能大于零的二次離子，在ESA分析器中的飛行路徑會(huì)增加，這樣飛行時(shí)間延長(zhǎng)，使其與質(zhì)荷比相同且初始動(dòng)能為零的二次離子同時(shí)到達(dá)探測(cè)器。

圖4. TRIFT質(zhì)量分析器動(dòng)能補(bǔ)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(jì)，可以對(duì)不同出射角度的二次離子進(jìn)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(shí)修正由二次離子初始動(dòng)能和不同出射角度所造成的飛行時(shí)間偏差，在不失去傳輸效率和檢測(cè)靈敏度的前提下，可實(shí)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(jì)

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(shí)，可實(shí)現(xiàn)優(yōu)異的成像景深。如圖6所示，對(duì)聚合物纖維樣品進(jìn)行TOF-SIMS成像分析時(shí)，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(hào)。

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(shí)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(duì)二次離子動(dòng)能和出射方向進(jìn)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(shí)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(dú)特的三重聚焦設(shè)計(jì)——即對(duì)二次離子的能量、角度和空間位置同時(shí)進(jìn)行補(bǔ)償與聚焦，成功攻克了高精度TOF-SIMS分析中的多項(xiàng)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(chǎng)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(tái)，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(qiáng)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(hào)