一、TOF-SIMS基本原理和技術(shù)特點介紹

01表面分析技術(shù)-SIMS (Secondary Ion Mass Spectroscopy) 二次離子質(zhì)譜

1.1 SIMS基本原理

二次離子質(zhì)譜（Secondary ion mass spectroscopy，簡稱SIMS）是一種表面分析技術(shù)，是基于一次離子與樣品表面的相互作用。SIMS工作原理是指帶有幾千電子伏特能量的一次離子束入射樣品表面，在作用區(qū)域激發(fā)出不同粒子包括二次電子、中性微粒、二次離子、反射離子等，如圖1所示；通過不同的探測器采集不同微?？傻玫讲煌畔ⅲ占坞x子通過質(zhì)量分析器分析后可得到關(guān)于樣品表面成分信息的質(zhì)譜，簡稱二次離子質(zhì)譜。

圖1 SIMS原理示意圖

1.2 二次離子激發(fā)過程

離子產(chǎn)生和表面靈敏度

• 一束高能初級離子轟擊樣品表面激發(fā)出原子和分子碎片

• 僅一小部分激發(fā)出的粒子以離子的狀態(tài)離開表面，被質(zhì)量分析器探測出來

• 對于無機材料，原子離子百分含量> 10%

• 對于有機材料，原子和分子離子碎片百分含量可以從 0.001% 到 1%

• 僅從表面2個分子層激發(fā)出的粒子可以以離子態(tài)離開表面

1.3 二次離子質(zhì)譜儀主要類型

二次離子質(zhì)譜儀主要分為靜態(tài)和動態(tài)SIMS兩種：

動態(tài)SIMS：入射電流高（10 mA/c㎡），入射源離子濃度是大于1014atoms/c㎡，對表面是動態(tài)破壞作用（剝離速率100 um/h）且產(chǎn)生的二次離子比率高，因此探測靈敏度高，適于深度剖析；

濺射和分析連續(xù)進行，每次只能采集特定的幾種元素（與分析器和探測器相關(guān)），只適用于深度剖析（如圖2）。

靜態(tài)SIMS：入射電流很低（1 nA/c㎡），入射源離子濃度是1012~1013 atoms/c㎡左右，只作用單分子層表面（剝離速率0.1 nm/h）幾乎對表面沒有破壞作用；因脈沖模式分析，且電流小，所以產(chǎn)生的二次離子比率相對少，靈敏度相比動態(tài)SIMS弱，但成像和表面分析能力強；深度剖析時濺射和分析交替進行，可以采集所有元素和化學(xué)成分信息，可進行表面分析和深度剖析（如圖2）。

現(xiàn)在通常是雙源結(jié)合，分析和濺射采用獨立附件，可實現(xiàn)表面分析和深度剖析的功能；TOF-SIMS系統(tǒng)就是同時集成了分析離子源和濺射離子源使其應(yīng)用更全面。

02TOF-SIMS的原理及技術(shù)特點

2.1 飛行時間二次離子質(zhì)譜儀（Time of Flight-Secondary Ion Mass Spectrometer，簡稱TOF-SIMS）基本原理

使用一次脈沖離子轟擊固體材料表面，通過表面激發(fā)出的二次離子的飛行時間測量其質(zhì)量，以表征材料表面的元素成分、分子結(jié)構(gòu)、分子鍵接等信息。

TOF-SIMS的主要原理：采用初級離子源（可以是Ga+、Au+、Bi+、C60等），入射到樣品表面激發(fā)出二次離子，有原子離子和分子離子等；TOF-SIMS的原理簡單講就是賽跑的觀念：給所有激發(fā)出的離子相同的動能（3 keV）去加速，遵循能量守恒公式：不同質(zhì)量的離子有不同的速度，越重的離子飛行速度越慢，當(dāng)飛行距離一定時，其飛行時間就越長，可以將時間換算成質(zhì)量來區(qū)分不同的成分，所以只用測量每一個離子到達探測器的時間就可以換算出質(zhì)量數(shù)。既然是賽跑，那大家是同時起跑，所以離子源不能用DC模式，只能用脈沖模式，一次脈沖相當(dāng)于同時起跑，等所有離子到達探測器后再進行下一個脈沖；由于電流比較小，脈沖時間為幾個納秒，其他時間都是在收集二次離子，所以通常提到TOF就是指靜態(tài)SIMS，對表面幾乎無破壞作用。

TOF-SIMS是將二次離子質(zhì)譜技術(shù)與飛行時間質(zhì)量分析技術(shù)相結(jié)合的前沿科學(xué)技術(shù)之一。早期的德國科學(xué)家Benninghoven及其研究團隊使用磁場偏轉(zhuǎn)質(zhì)量分析器和四級桿質(zhì)量分析器做S-SIMS研究，并于1979年制造了一臺TOF-SIMS，稱之為TOF-SIMS Ⅰ；隨后又制備了反射型TOF-SIMS Ⅱ。1985年Benninghoven研究團隊又將激光-SNMS裝置整合到TOF-SIMS儀器中，基于Benninghoven理論，明斯特大學(xué)研制出世界上第一套TOF-SIMS系統(tǒng)，并一直發(fā)展至現(xiàn)在的第五代TOF-SIMS。

TOF型質(zhì)譜儀的優(yōu)點主要有容易獲得高質(zhì)量的分辨率、穿透率高以及沒有質(zhì)量范圍限制等等。除了這些特性，當(dāng)TOF-SIMS儀器以小于1×1012[ions/cm2]的離子量照射樣品時，除了可同時達到包括這些優(yōu)點的質(zhì)譜數(shù)據(jù)外，而且也幾乎不會對樣品造成破壞。

2.2 TOF-SIMS分析能力及特點

TOF-SIMS 可以分析所有的導(dǎo)體、半導(dǎo)體、絕緣材料；對于材料/產(chǎn)品表面成分及分布，表面添加組分、雜質(zhì)組分、表面多層結(jié)構(gòu)/鍍膜成分、表面異物殘留（污染物、顆粒物、腐蝕物等）、表面痕量摻雜、表面改性、表面缺陷（劃痕、凸起）等有很好的表征能力。

圖4 不同表面分析技術(shù)的分辨率和靈敏度對比

圖4是美國的CHARLS EVANS實驗室整理的一張圖，幾乎匯總了各種表面分析技術(shù)的主要應(yīng)用能力，空間分辨率，探測靈敏度等，針對不同樣品如何選擇合適的測試手段這張圖對我們來說具有很強的指導(dǎo)意義。由圖4可以得出TOF-SIMS的探測靈敏度可達到ppb的級別；TOF-SIMS 的空間分辨率也比較好：小于100 nm。

2.3 TOF-SIMS與其他幾種表面成分分析技術(shù)比較表

2.4 TOF-SIMS與其他表面成分分析技術(shù)數(shù)據(jù)比較（鋰電池材料分析）

圖5中采用三種表面成分分析技術(shù)測試同樣的樣品-鋰電池材料，可以比較出三種技術(shù)的分析能力：XPS的空間分辨最差（成像模糊），但可以得出化學(xué)態(tài)的信息（Li的不同化學(xué)態(tài)：單質(zhì)鋰，氧化鋰等）；AES的空間分辨最高，成像能力最好，可清楚地表征電極表面的顆粒的形貌；而TOF-SIMS的表面靈敏度最高，可以得出分子信息（比如電解液的六氟磷酸PF6-，氟化鋰LiF2-、以及C2H3O2-等），還可以通過高分辨mapping看不同成分的分布。

圖5 不同表面成分分析數(shù)據(jù)比較

2.5 TOF-SIMS 主要應(yīng)用領(lǐng)域：

TOF-SIMS被廣泛應(yīng)用于各種材料開發(fā)，材料剖析，多層薄膜/結(jié)構(gòu)剖析與失效機理的分析和研究具有不可替代的作用。

研發(fā)領(lǐng)域：半導(dǎo)體器件、納米器件、生物醫(yī)藥、量子結(jié)構(gòu)、能源電池材料等

高新技術(shù)：高分子材料、金屬、半導(dǎo)體、玻璃陶瓷、納米鍍層、紙張、薄膜、纖維等

2.6 TOF-SIMS 提供的主要數(shù)據(jù)信息：

以鋰電池材料為例：

2.6.1 質(zhì)譜圖：TOF-SIMS高質(zhì)量分辨可準(zhǔn)確識別元素、同位素以及分子結(jié)構(gòu)信息

圖6 鋰電池材料質(zhì)譜圖

2.6.2 離子分布成像（2D成像）：鋰電池極片表面成分分布，可直觀顯示不同成分在表面的分布情況

電池極片斷面離子成像：可直觀顯示不同成分在剖面、斷面的分布情況

2.6.3 深度剖析：鋰電池極片表面成分深度分布（SEI膜層成分以及深度分布），可定位到單個顆粒表面進行深度剖析

2.6.4 深度剖析-3D 重構(gòu)（半導(dǎo)體案例）：

TOF-SIMS不僅可以得到深度剖析曲線，逐層分析每一層的2D成像，每個像素點的二次離子質(zhì)譜圖都能被保存，且還具有圖像3D重構(gòu)的功能

圖10 半導(dǎo)體元件深度剖析-3D重構(gòu)

2.6.5 TOF-SIMS對高分子材料的分析（以O(shè)LED材料為例：）

圖11 OLED有機膜層成分質(zhì)譜圖

2.7 TOF-SIMS原始文件的回溯性數(shù)據(jù)分析能力：

回溯分析是指所有的二次離子信息都保存在原始數(shù)據(jù)文件里（MB 到 GB）用于之后對已采集的數(shù)據(jù)進行分析。

圖12 數(shù)據(jù)回溯分析

初級離子源在樣品表面特定區(qū)域上掃描，每個像素點都有對應(yīng)的質(zhì)譜和離子分布圖保存下來，以上呈現(xiàn)的是整個分析區(qū)域的總離子分布圖和總離子質(zhì)譜圖。通常能譜比如XPS，EDS，AES都是圖譜和mapping 分開采集的，而且是區(qū)分不同的能量范圍掃描，時間比較長；但TOF-SIMS的總離子質(zhì)譜圖和分布圖是同時采集的，所以分析效率非常高，通常幾秒到幾分鐘就可以得到比較完整的圖譜和成像。

當(dāng)客戶關(guān)心總離子分布成像中某個特定區(qū)域的成分時，可通過軟件選定特定區(qū)域進行質(zhì)譜圖回溯，根據(jù)質(zhì)譜圖分析成分；當(dāng)客戶發(fā)現(xiàn)總質(zhì)譜圖中的某個特定譜峰（成分），想看其在表面的分布時，可選定特定譜峰進行離子mapping的回溯，看其在表面的分布。

可以看出TOF-SIMS的數(shù)據(jù)信息很全面，數(shù)據(jù)處理功能很強大，可避免重復(fù)檢測，大大提高檢測和分析結(jié)果的可靠和高效。

二、TIES測試分析中心TOF-SIMS設(shè)備介紹

01設(shè)備基本信息

名稱：飛行時間二次離子質(zhì)譜儀

型號：PHI Nano TOF II

廠商：ULVAC-PHI.INC

配置清單

序號TOF-SIMS儀器主要配置

1飛行時間質(zhì)量分析器和探測器

2液態(tài)金屬離子槍（LMIG）

3品觀察及操控系統(tǒng)（包括五軸樣品臺等）

4UHV超高真空進樣&分析腔室

5脈沖荷電中和系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)

6氬氣團簇離子槍（GCIB）

7樣品傳送管

8電氣控制柜

9計算機、打印機和軟件系統(tǒng)

設(shè)備主要技術(shù)參數(shù)

1） 低質(zhì)量時質(zhì)量分辨率：m/z = 28（Si+）和 29（SiH+）的m/?m ≥ 12,000

2） 高質(zhì)量時質(zhì)量分辨率：m/z > 200的m/?m ≥ 16,000

3） 絕緣材料質(zhì)量分辨率：PET標(biāo)準(zhǔn)樣品m/z = 104的m/?m ≥ 12,000

4） 質(zhì)量范圍：1～12000 amu以上

5） 質(zhì)量精度：< 2 mu @ m < 100 u；< 10 ppm @ m > 100 u

6） 空間分辨率：水平空間分辨率：≤ 70 nm

7） 靈敏度：m/z = 27時 ≥ 5.5 ×108 Al+ cts / nanocoulomb

8） 信噪比：≥ 2×105

9） GCIB團簇離子源能量范圍：1 keV ~ 20 keV

02設(shè)備介紹

PHI Nano TOF II 是PHI第六代非常成功的TOF-SIMS產(chǎn)品，是基于專利的 TRIFT 分析儀設(shè)計技術(shù)。Nano TOF II 獨特的質(zhì)譜儀對于痕量檢測以及對帶有紋理形貌的真實樣品成像具有無與倫比的分析能力。優(yōu)化的液態(tài)金屬離子槍提供了優(yōu)異的質(zhì)量分辨，靈敏度和空間分辨能力。一套創(chuàng)新的樣品臺以及雙束荷電中和方法結(jié)合質(zhì)譜儀和離子槍技術(shù)，使 Nano TOF II 成為功能強大并易于使用的TOF-SIMS儀器。

TRIFT質(zhì)譜儀由1992年引入市場，由于其寬大的接收角以及極低的譜峰背景，在成像和痕量檢測方面的性能超過以前的 Poschenrieder 和 reflectron 質(zhì)譜儀技術(shù)。近期對 TRIFT 質(zhì)譜儀的改進包括增加 20 kV 后加速探測器以提高對高質(zhì)量數(shù)探測的靈敏度。

Nano TOF II 分析腔室最多可安裝四套離子槍，包括新型高性能液態(tài)金屬離子槍（LMIG）和可選配的 C60、Cs、Ar2500 氣團簇和氣體（Ar/O2）離子槍。 C60 離子槍經(jīng)過優(yōu)化，在成像和采譜模式下都能提供高的空間分辨率和高質(zhì)量分辨率。Cs、Ar2500 氣團簇和氣體離子槍僅用于濺射深度剖析。分析腔室的精心設(shè)計為每種離子槍提供了最佳的工作距離和入射角度，以便在高分析性能下滿足廣泛的應(yīng)用需求。

Nano TOF II 樣品托可直接連到5軸樣品臺上，其可在快速進樣室和分析室之間來回傳輸。與傳統(tǒng)的樣品操控系統(tǒng)相比，Nano TOF II 樣品操控系統(tǒng)在冷熱控制和自動化控制方面發(fā)揮了顯著的優(yōu)勢。在傳統(tǒng)的樣品控制系統(tǒng)中，快速進樣室與分析室中冷熱裝置是分別獨立的系統(tǒng)，而 Nano TOF II 使用的樣品加熱/冷卻裝置是同一套，在樣品傳輸中溫度監(jiān)控和控制沒有任何中斷。樣品冷卻是由柔軟靈活的銅編織管路提供，仍可保持全 x、y、z旋轉(zhuǎn)和傾斜移動，包括TOF-SIMS拼接成像時可同時冷卻樣品。

PHI SmartSoft-TOF軟件可控制所有 Nano TOF II 儀器功能。這允許可以在實時模式中獲取的任何分析放入隊列中進行無人值守式的自動分析。PHI SmartSoft-TOF 是一個全面的軟件程序，可提供一套完整的數(shù)據(jù)處理用于采譜，圖像和深度剖析。用戶友好界面和任務(wù)導(dǎo)向使 SmartSoft成為TOF-SIMS用戶軟件平臺的選擇。

03設(shè)備的主要優(yōu)勢及特點

1） 三重聚焦飛行時間質(zhì)量分析器：用于接收和傳輸二次離子；其包括三套90o 扇形靜電分析器（ESA）；擁有共點觀察，寬角度能量接收和高景深，提高了質(zhì)量分辨率，對粗糙、表面不平整（有Patterns）、表面有優(yōu)異靈敏的化學(xué)成像和成分分析能力；

2） 液態(tài)金屬離子槍LMIG可同時進行高質(zhì)量采譜和成像分析：采用HR2模式（即高質(zhì)量分辨模式下保持高空間分辨模式）的化學(xué)態(tài)/分子成像能力，使之可同時在高空間分辨和高質(zhì)量分辨下進行分析，其使用高分析束流（ i.e. ≥ 1 nA），因此分析時間依然可以控制在短時間內(nèi)，e.g. ≤ 10 min；

3） 脈沖荷電中和系統(tǒng)和電子控制系統(tǒng)：在分析絕緣材料時可對荷電效應(yīng)進行自動中和；采用低能量脈沖、聚焦電子槍和超低能量的離子束流進行荷電中和使系統(tǒng)適于高分子和玻璃等絕緣材料分析；

4） 全自動化分析能力：使用高精度5-軸樣品臺可在快速進樣腔室和分析腔室里運行，在進樣腔室里可直接把樣品托安裝在樣品臺上；從進樣腔室到分析室全自動控制，無需手動傳輸；

5） GCIB離子槍：對于許多有機材料，聚合物和生物樣品，這種離子源在采集代表分子主要結(jié)構(gòu)的二次離子碎片時可獲得最大的二次離子產(chǎn)額，同時擁有絕佳的成像和采譜性能；

6） 樣品傳輸裝置：可在真空或惰性氣體環(huán)境下從其它設(shè)備或手套箱中轉(zhuǎn)移樣品到儀器分析腔室里進行分析，保護樣品表面在分析前不受環(huán)境，空氣和氧氣的影響；

7） 低噪音背景和亞穩(wěn)離子抑制的能力。

04設(shè)備主要構(gòu)成

4.1 專利技術(shù)的三重聚焦ESA飛行時間質(zhì)量分析器

Nano TOF II 是基于PHI專利的 TRIFT 飛行時間質(zhì)譜儀，包括三個90o扇形靜電分析器（ESA）。TRIFT 的三重 ESA 設(shè)計可非常有效地去除亞穩(wěn)態(tài)離子，采集的圖譜背景信號非常低而痕量水平靈敏度高。TRIFT 的三重聚焦ESA設(shè)計提供大接收角度，其在表征表面有紋理或不平整形貌的樣品時可提高圖像質(zhì)量。能量狹縫位于ESA1和ESA2之間，其可改變能量接收窗口以滿足特定分析需求。TRIFT質(zhì)譜儀標(biāo)準(zhǔn)二次離子能量接收窗口是240 eV，這個寬能量接收窗口提供了最佳的二次離子傳輸和大景深分析能力用于實際樣品分析。

對于分析技術(shù)人員，TRIFT 分析儀使用起來很簡單。分析儀通常是優(yōu)化為測量3 keV二次離子，樣品之間移動無需調(diào)校。在分析絕緣樣品時，樣品表面只需調(diào)整到3 kV 以優(yōu)化質(zhì)量分辨率，無需調(diào)校分析儀?？傊琓RIFT 分析儀提供高靈敏度用于采譜和深度剖析，寬接收角用于優(yōu)異的成像，單一參數(shù)設(shè)置用于絕緣樣品分析。

4.2 液態(tài)金屬離子槍(LMIG)

PHI最新一代 LMIG 提供卓越的成像性能可同時使用高分析束流得到高質(zhì)量分辨率。LMIG 有一個電腦控制的孔徑/光闌板，可提供寬范圍的入射離子電流以滿足用戶對靈敏度和空間分辨率的不同要求。只需切換到適當(dāng)?shù)墓怅@，LMIG 直流電流的鎵發(fā)射燈絲可以從 10 pA 到 35 nA變化。在"unbunched非聚束" （高空間分辨率）和"bunched聚束" （高質(zhì)量分辨率）兩種操作模式下，LMIG槍設(shè)計用于優(yōu)化圖像分辨率。聚束是指壓縮離子束脈沖寬度以達到高質(zhì)量分辨率。Nano TOF II LMIG 槍的設(shè)計目的是在聚束過程中盡量減少離子束的分散以獲得高的空間分辨率同時獲得高質(zhì)量分辨率（即 < 0.4 μm束斑直徑下，質(zhì)量分辨 > 12000 m/?m@Ga+入射離子源）。同時在高束流下獲得高質(zhì)量分辨和高空間分辨性能稱之為HR2，其是PHI Nano TOF II TOF-SIMS獨特和優(yōu)異的性能體現(xiàn)。Nano TOF II LMIG可配鉍源、金源或鎵源。每種發(fā)射源都有其獨特的優(yōu)勢和不足，可根據(jù)客戶應(yīng)用需求選擇。

4.3 雙束荷電中和系統(tǒng)

TOF-SIMS大多數(shù)應(yīng)用是針對絕緣材料，如聚合物、玻璃、細(xì)胞以及組織等。在用TOF-SIMS分析絕緣樣品時，由于入射離子的作用會使樣品表面局部帶電，從而改變了二次離子發(fā)射的產(chǎn)額以及能量分布。因此，在對絕緣樣品進行分析時，一般使用電子中和槍中和表面荷電效應(yīng)。圖13是Nano TOF Ⅱ 配置的一套雙束荷電中和系統(tǒng)，可用于全自動分析絕緣樣品。

圖13 雙束荷電中和示意圖

此項技術(shù)主要是采用雙束荷電中和系統(tǒng)即同時使用低能量離子束來減少樣品表面靜電，使得低能量的電子束可以到達樣品表面而中和由初級離子照射產(chǎn)生的正電荷，從而實現(xiàn)荷電補償?shù)男Ч?，以保證絕緣材料和粗糙樣品表面的分析能正常進行。

4.4 UHV超高真空進樣和分析腔室

超高真空系統(tǒng)是進行現(xiàn)代表面分析及研究的主要部分，其中質(zhì)譜的光源等激發(fā)源、進樣室、分析室及探測器等都應(yīng)安裝在超高真空中。對真空系統(tǒng)的要求是高抽速，高真空度，耐烘烤，無磁性和無振動等。通常超高真空系統(tǒng)的真空腔室主要由不銹鋼材料制成，真空度優(yōu)于10-8 Pa。

超高真空系統(tǒng)一般由多級組合泵來獲得。常見的泵體組合有：(1)吸附泵+離子泵；(2)低溫泵+離子泵；(3)機械泵+渦輪分子泵+離子泵；(4)機械泵+擴散泵等，這幾種泵的組合各有優(yōu)缺點?，F(xiàn)代質(zhì)譜儀中通常使用離子泵和渦輪分子泵，渦輪分子泵尤其適用于大量惰性氣體的抽除，超高真空腔室和相關(guān)的抽氣管道等通常用不銹鋼材料制成，相互連接處使用具有刀口的法蘭和銅墊圈密封。

PHI Nano TOF Ⅱ 是一套可完全烘烤以及離子泵和渦輪分子泵抽真空的超高真空系統(tǒng)，真空基準(zhǔn)為1.2×10-7Pa，在發(fā)生脫氣或停電的情況下可真空互鎖以保護儀器。如果電源暫時切斷，所有閥門都將關(guān)閉以保持真空完好。

4.5 高精密五軸樣品臺

Nano TOF II 樣品托盤可直接連接到一個高精度的5軸樣品臺上, 其可在快速進樣室和分析室之間來回傳輸移動。樣品臺行程：x 和 y 軸的移動范圍：+/-50 mm，1 μm 分辨率。z 軸行程為20 mm，5 μm 的分辨率。樣品臺采用光學(xué)編碼器回讀實現(xiàn)高精度控制。樣品臺上可以放100 mm×100 mm的樣品。在快速進樣室將樣品托放置在樣品臺上后可以對樣品托采集一張高分辨率的數(shù)字成像用于樣品導(dǎo)航。由于樣品托安穩(wěn)地安裝到樣品臺上并拍照后，當(dāng)樣品臺傳輸進入分析腔室后無需對成像重新校準(zhǔn)。對于大多數(shù)早期的樣品操控系統(tǒng)，是由樣品傳送桿把樣品托從快速進樣室傳到樣品臺上。為修正放樣品托帶來的位置誤差，在進樣室拍攝的光學(xué)圖片必須重新校準(zhǔn)。Nano TOF II 新樣品臺的創(chuàng)新設(shè)計使之完全不再需要對進樣室圖片重新校準(zhǔn)。一旦樣品在快速進樣室中放入樣品臺上，只要點擊鼠標(biāo)，快速進樣室的真空抽氣以及樣品傳輸?shù)椒治銮皇沂峭耆詣踊绍浖刂仆瓿?。相機可對樣品分析位置進行實時觀察，視場范圍3 mm到400 μm可調(diào)。

圖15 Nano TOF II 的樣品臺可直接從快速進樣室移動到所制備樣品表面的分析位置上

4.6 用戶界面和數(shù)據(jù)站

NanoTOF II 的用戶界面由 SmartSoft軟件支持，Nano TOF II 的設(shè)備控制和數(shù)據(jù)處理軟件都安裝在一套使用英特爾處理器和 Windows 10?操作系統(tǒng)的Hewlett-Packard?個人計算機上。Windows 10 和集成 LAN 端口可將 Nano TOF系統(tǒng)連接到本地計算機網(wǎng)絡(luò)中。

PHI SmartSoft -TOF是一套全面的軟件程序，可提供一系列完整的數(shù)據(jù)處理方法如采譜、成像和深度剖析。SmartSoft-TOF 是為在數(shù)據(jù)采集過程中可實時處理數(shù)據(jù)而設(shè)計。例如，在采集過程中，在 PC 屏幕上可實時更新圖像。所有數(shù)據(jù)解析過程，如峰值ID、化合物 ID 以及同位素比值標(biāo)記，都可以在數(shù)據(jù)采集過程中執(zhí)行。此外還提供了大量的數(shù)據(jù)回溯功能。軟件工具（如工作向?qū)?、微量金屬分析和有機數(shù)據(jù)處理）可使其快速、便捷地分析大量數(shù)據(jù)。

PHI SmartSoft-TOF 提供計算機控制所有儀器功能。這允許任何可在實時模式中運行的分析置于隊列中從而進行無人值守式自動分析。對于樣品表面特定區(qū)域預(yù)設(shè)置的大量分析點來說自動分析功能特別有用。在自動分析程序結(jié)束后儀器會自動關(guān)機以保護離子源使用壽命。

4.7 Ar氣團簇離子槍（GCIB）

選配的Ar氣團簇離子槍可對廣泛的聚合物和有機薄膜進行濺射深度剖析，這種獨特的離子槍也具有從無機以及有機材料表面去除表面污染物的能力。將高壓、高純度Ar氣體流引入到離子槍中，通過快速絕熱膨脹和注入電子沖擊離子器中形成巨型Ar離子簇。Ar團簇離子源通過提取透鏡加速，將束源聚焦進入到維恩（Wien）過濾器中，從而去除小團簇離子和單原子Ar。Ar團簇離子的能量可從2.5 keV到20 keV。隔離閥集成到離子光學(xué)系統(tǒng)中，以在不破壞分析室真空的條件下可進行源維護。該離子槍可以4度折彎，能消除離子束中的中性粒子，保持樣品化學(xué)態(tài)不被破壞，并提高深度分辨率，減少鄰近區(qū)域的濺射損傷。

如圖16所示，單個Ar離子對材料破壞較大，適合用于金屬和半導(dǎo)體材料表面清潔和深度剖析，但不適合于有機材料的深度剖析以及部分金屬氧化物的深度剖析；團簇離子作用于樣品表面，對材料破壞較小，適合于所有材料的表面清潔以及高分子有機材料的深度剖析，由于濺射速率慢，所以不適用于金屬以及半導(dǎo)體材料深度剖析。

4.8 樣品傳送管

質(zhì)譜儀作為一種高靈敏、高通量分析儀器，其主要部件必需工作于高真空環(huán)境。而常見的待測樣品基本存于常壓環(huán)境下，因此在早期質(zhì)譜儀器中需要一些專用裝置實現(xiàn)樣品從常壓環(huán)境到真空環(huán)境的引入。在現(xiàn)代質(zhì)譜技術(shù)中，常壓下離子源（如電噴霧離子化技術(shù)（ESI））的發(fā)展，使得樣品在大氣壓環(huán)境中被電離后以離子的形式通過質(zhì)譜離子傳輸系統(tǒng)進入質(zhì)譜。

傳統(tǒng)的直接進樣系統(tǒng)是利用一個推桿（或稱探頭，probe）將樣品送到離子源的電離盒樣品口，用于固體與高沸點液體樣品進樣。傳統(tǒng)的直接進樣系統(tǒng)主要是由推桿、樣品管、閘閥、預(yù)抽室等組成。由于離子源處于高真空狀態(tài)，當(dāng)推桿推入或拉出離子源時，為了不破壞離子源的真空度或真空狀態(tài)，必須在離子源和直接進樣系統(tǒng)之間安裝一個高真空閘閥，閘閥關(guān)閉時，真空系統(tǒng)對預(yù)抽室抽真空，待真空達到一定要求時，閘閥打開，推桿便可推入，將樣品送入離子源；測試完成后，將推桿拉至預(yù)抽室，關(guān)閉閘閥，然后將預(yù)抽室放空，再拔出推桿，更換樣品管。

樣品管可在真空或惰性氣體環(huán)境下從其它設(shè)備或手套箱中將樣品轉(zhuǎn)移到Nano TOF Ⅱ TOF-SIMS系統(tǒng)時，保護樣品不受大氣、氧氣和水氣的影響。樣品管主要用于表面化學(xué)活性，氣敏性材料如電池材料，OLED，催化劑等樣品的制備和傳輸。

如圖18所示，表示電池負(fù)極表面測量結(jié)果。圖a是當(dāng)樣品透過大氣傳送時，分析結(jié)果因樣品氧化而無法得到有用的數(shù)據(jù)；圖b使用樣品傳送管時鋰電池保留了原始樣品信息；圖c使用了TOF-SIMS成像功能，觀察到來自電解液中的C2H3O2-和PF6-，以及LiF2-分布情況。

4.9 各種類型的樣品托盤選擇：

各種類型的樣品托盤：

圖19 不同種類樣品托盤

各種類型的樣品托可制備多種不同樣品，樣品托盤尺寸為 100 mm × 100 mm可放置多個樣品進行全自動化分析。

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