Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (TOF-SIMS)
Was kann ein Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer?
Die Abkürzung TOF-SIMS ist ein Akronym für die Kombination der Sekundärionenmassenspektrometrie (SIMS) mit einem Flugzeit (TOF) -Massenanalysator.
Die zu untersuchende Probe wird mit einem primären Ionenstrahl mit einer kinetischen Energie von einigen keV beschossen. Die Ionen kollidieren mit der Oberfläche, geben dabei ihre Energie ab und erzeugen eine Stoßkaskade. Diese führt zum herauslösen einzelner Oberflächenatome und -moleküle, bzw. von Clustern und Fragmenten. Einige dieser Sekundärpartikel liegen als Ionen vor und können nach ihrer Masse getrennt analysiert werden.
Für die Massentrennung wird das Flugzeit- (Time-of-Flight) Prinzip verwendet. Partikel unterschiedlicher Masse erreichen bei gleicher Beschleunigungsspannung eine unterschiedliche Geschwindigkeit. Die beschleunigten Partikel legen im Analysator eine bestimmte Strecke zurück und erreichen den Detektor zu unterschiedlichen Zeiten, je leichter der Partikel desto schneller ist er. Da Zeiten mit sehr hoher Genauigkeit messbar sind, erreicht man mit dieser Methode eine sehr hohe spektrale Massenauflösung und man bekommt ein sehr genaues Abbild der Probenoberfläche und ihrer Zusammensetzung. Der Ablauf ist in dem Film in Abbildung 1 dargestellt.
Mit dieser Methoden erreicht man eine Ortsauflösung < 100 nm, mit einer Oberflächenempfindlichkeit auf die ersten 1-2 Lagen der Probe. Tiefenprofile mit einer Tiefengenauigkeit von < 1nm und einer Messgeschwindigkeit von bis zu 10µm/h sind erreichbar.
Mit der Integrierten fokussierten Ionenstrahl Quelle (FIB) ist es möglich sauber Querschnittsflächen von hochporösen Oberflächen und Schichtstrukturen mit stark unterschiedlicher Ionen-Ätzrate zu erzeugen und diese Querschnitte dann zu untersuchen. Die Erzeugung eines solchen Krater ist in dem Film in Abbildung 2 gezeigt. Der Krater hat eine Größe von etwa 30µmx15µm bei einer Tiefe von ca. 20µm. Dauer etwa 6h.
Wir verwenden am ICAN das TOF.SIMS 5 von Ion-TOF.
Abbildung 1: Darstellung des Time-of-Flight Prinzips. Animation bereitgestellt von der Ion-TOF GmbH.
Abbildung 2: Sekundärelektronenbilder der Erzeugung eines FIB-Kraters in dotiertem Diamant zur Untersuchung der freigelegten Querschnittsfläche. Größe des Kraters etwa 30µm x 15µm x 20µm. Dauer etwa 6h.
Depth profiling
Abbildung 3 zeigt das Massenspektrum einer Europium dotierten Aluminiumoxidschicht auf Silizium auf linearer und logarithmischer Skala. Da bei dieser Technik Unterschiede in der Flugzeit gemessen werden kommt der Umrechnung dieser Zeit-Skala in eine Masse-Skala große Bedeutung zu. Dies führt dazu, dass oft die Auswertung der Daten erheblich mehr Zeit in Anspruch nimmt als ihre Erzeugung.
In der logarithmischen Auftragung wird die enorme Sensititvät der Technik deutlich. Es ist möglich Dotier-Konzentrationen bis in den ppm-Bereich zu vermessen.
Abbildung 4 zeigt den Intensitätsverlauf des Aluminium- und Europiumsignals in Abhängigkeit von der Sputterzeit. Zwischen der Aufnahme von 2 Massenspektrum wurde die Oberfläche mit schnellen Sauerstoffmolekülen beschossen um tieferliegende Atomlagen freizulegen. Auf diese Weise erzeugt man ein Tiefenprofil des Materials. In diesem Beispiel sieht man, dass die Europiumkonzentration in die Tiefe hin zunimmt, an der Grenzfläche zum Silizium ein Maximum besitzt und dann ins Silizium hin wieder abfällt.
Das der Übergang vom Al2O3 zum Silizium nicht beliebig scharf ist hat verschiedene Gründe. In diesem Fall war die große Rauheit der Al2O3 Oberfläche hierfür maßgeblich verantwortlich. Die untersuchte Aluminiumoxdischicht war etwa 8 µm dick.
TOF-Sims ist keine Technik um direkt mit einer Messung totale Konzentration zu bestimmen. Der Grund dafür ist der, dass die Abtragsraten und Ioniesierungswahrscheinlichkeit eines bestimmten Elementes/Moleküls stark von der Matrix abhängt, in der es sich befindet.
Zum Beispiel würde eine bestimmte Dotiermenge an Bor in Slizium eine deutlich andere Signalintensität geben, als die gleiche Menge Bor in Diamant. Daher benötigt man idealerweise für jede Messung eine Referenzprobe, mit gleicher Matrix, bei der die Konzentration des Dotierstoffs bekannt ist.
Abbildung 3: Massenspektrum von Europium dotierten Aluminiumoxid auf linearer und logarithmischer Skala.
Abbildung 4: Verlauf der Intensität des Al+ und des Eu+ Signals in Abhänigkeit von der Ionenätzzeit (geätzt wurde mit Sauerstoff). Die Schichtdicke der Al2O3 Schicht betrug ca. 8 µm.
Ihr Ansprechpartner für das TOF-SIMS:
ICAN - Interdisciplinary Center for Analytics on the Nanoscale
47057 Duisburg
Funktionen
-
Wissenschaftliche/r Mitarbeiter/in, Center for Nanointegration Duisburg-Essen
-
apl. Professor/in, Physikalische Chemie
Aktuelle Veranstaltungen
Vergangene Veranstaltungen (max. 10)
-
2023 WS
-
2022 WS
-
2021 WS
-
2020 WS
-
2019 WS
-
2018 WS
-
2018 SS
-
2017 WS
Die folgenden Publikationen sind in der Online-Universitätsbibliographie der Universität Duisburg-Essen verzeichnet. Weitere Informationen finden Sie gegebenenfalls auch auf den persönlichen Webseiten der Person.
-
Interaction of 2-propanol with predominantly SrO- and TiO2-terminated SrTiO3(100) surfaces studied by vibrational sum frequency spectroscopyIn: Catalysis Science and Technology Jg. 13 (2023) Nr. 17, S. 4988 - 4995Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
-
N-Doped porous carbons obtained from chitosan and spent coffee as electrocatalysts with tuneable oxygen reduction reaction selectivity for H₂O₂ generationIn: RSC Advances Jg. 13 (2023) Nr. 33, S. 22777 - 22788Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
-
Beneficial Effects of Low Iron Contents on Cobalt‐Containing Spinel Catalysts in the Gas Phase 2‐Propanol OxidationIn: ChemCatChem Jg. 14 (2022) Nr. 18, e202200472Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
-
Auf Spurensuche im Nanokosmos : Katalyseforschung im Interdisciplinary Center for Analytics on the NanoscaleIn: Unikate: Berichte aus Forschung und Lehre (2021) Nr. 57: Katalyse : Alles andere als oberflächlich, S. 139 - 148Online Volltext: dx.doi.org/ Online Volltext (Open Access)
-
Segregation-Enhanced Epitaxy of Borophene on Ir(111) by Thermal Decomposition of BorazineIn: ACS Nano Jg. 15 (2021) Nr. 4, S. 7421 - 7429Online Volltext: dx.doi.org/
-
The Effect of Water on the 2-Propanol Oxidation Activity of Co-Substituted LaFe₁−CoₓO₃ PerovskitesIn: Chemistry - A European Journal Jg. 27 (2021) Nr. 68: Special Issue: Contemporary Challenges in Catalysis, S. 17127 - 17144Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
-
Experimental evidence for the separation of thermally excited bipolar charge carries within a p-n junction : A new approach to thermoelectric materials and generatorsIn: Journal of Applied Physics Jg. 125 (2019) Nr. 18, S. 184502Online Volltext: dx.doi.org/
-
Lead diffusion in CaTiO₃ : A combined study using Rutherford backscattering and TOF-SIMS for depth profiling to reveal the role of lattice strain in diffusion processesIn: American Mineralogist Jg. 104 (2019) Nr. 4, S. 557 - 568Online Volltext: dx.doi.org/
-
UV-light assisted patterned metallization of textile fabricsIn: Applied Surface Science Jg. 436 (2018) S. 1093 - 1103Online Volltext: dx.doi.org/
-
Adjusting the catalytic properties of cobalt ferrite nanoparticles by pulsed laser fragmentation in water with defined energy doseIn: Scientific Reports Jg. 7 (2017) Nr. 1, S. 13161Online Volltext: dx.doi.org/ Online Volltext (Open Access)
-
Gradual modification of ITO particle's crystal structure and optical properties by pulsed UV laser irradiation in a free liquid jetIn: Dalton Transactions Jg. 46 (2017) Nr. 18, S. 6039 - 6048Online Volltext: dx.doi.org/
-
Laser-Induced Functionalization of Organo/Carbon Interfaces for Selective Adsorption of Au Nanoparticles in Microsized DomainsIn: Langmuir Jg. 33 (2017) Nr. 35, S. 8686 - 8692Online Volltext: dx.doi.org/
-
Laser-induced surface activation of biocomposites for electroless metallizationIn: Surface and Coatings Technology Jg. 311 (2017) S. 104 - 112Online Volltext: dx.doi.org/
-
Resonant laser processing of nanoparticulate Au/TiO2 films on glass supports : Photothermal modification of a photocatalytic nanomaterialIn: Surface Science Jg. 650 (2016) S. 57 - 63Online Volltext: dx.doi.org/
-
Surface-enhanced Raman spectroscopy on laser-engineered ruthenium dye-functionalized nanoporous goldIn: Applied Surface Science Jg. 374 (2016) S. 19 - 22Online Volltext: dx.doi.org/
-
Photothermally induced bromination of carbon/polymer bipolar plate materials for fuel cell applicationsIn: Applied Surface Science Jg. 336 (2015) S. 85 - 88Online Volltext: dx.doi.org/
-
Poly(N,N-dimethylaminoethyl methacrylate) Brushes : pH-Dependent Switching Kinetics of a Surface-Grafted Thermoresponsive PolyelectrolyteIn: Langmuir Jg. 31 (2015) Nr. 49, S. 13426 - 13432Online Volltext: dx.doi.org/
-
Resonant photothermal laser processing of hybrid gold/titania nanoparticle filmsIn: Applied Surface Science Jg. 336 (2015) S. 48 - 52Online Volltext: dx.doi.org/
-
Chemical functionalization of carbon/polymer bipolar plate materials via oxygen plasma activation and subsequent silanizationIn: Surface and Coatings Technology Jg. 240 (2014) S. 255 - 260Online Volltext: dx.doi.org/
-
Photothermal Laser Fabrication of Micro- and Nanostructured Chemical Templates for Directed Protein ImmobilizationIn: Langmuir Jg. 30 (2014) Nr. 49, S. 14841 - 14848Online Volltext: dx.doi.org/
-
Photothermal laser microsintering of nanoporous goldIn: Langmuir Jg. 30 (2014) Nr. 24, S. 7190 - 7197Online Volltext: dx.doi.org/
-
Fabrication of chemical templates via selective laser-induced desorption of hexadecanethiol self-assembled monolayersIn: Applied Surface Science Jg. 278, Laser materials processing for micro and nano applications, E-MRS 2012 Symposium V (2013) S. 57 - 61Online Volltext: dx.doi.org/
-
Fabrication of periodic surface topographies via sequential photothermal laser microsintering of silicon nanoparticle filmsIn: Applied Surface Science Jg. 278 (2013) S. 278 - 283Online Volltext: dx.doi.org/
-
Femtosecond-laser processing of nitrobiphenylthiol self-assembled monolayersIn: Applied Surface Science Jg. 278: Laser materials processing for micro and nano applications, E-MRS 2012 Symposium V (2013) S. 43 - 46Online Volltext: dx.doi.org/
-
Hofmeister Effect of Sodium Halides on the Switching Energetics of Thermoresponsive Polymer BrushesIn: Macromolecular Rapid Communications Jg. 34 (2013) Nr. 5, S. 417 - 422Online Volltext: dx.doi.org/
-
Laser-doping of crystalline silicon substrates using doped silicon nanoparticlesIn: Thin Solid Films Jg. 548 (2013) S. 437 - 442Online Volltext: dx.doi.org/
-
Sintering of thin titanium dioxide nanoparticle films via photothermal processing with ultraviolet continuous-wave lasersIn: Applied Surface Science Jg. 278, Laser materials processing for micro and nano applications, E-MRS 2012 Symposium V (2013) S. 336 - 340Online Volltext: dx.doi.org/
-
VerNETZungen : Integrierte Nanopartikel-Synthese und -Verarbeitung im NanoEnergieTechnikZentrumIn: Unikate: Berichte aus Forschung und Lehre (2013) Nr. 43: NanoEnergie – Materialentwicklung für eine nachhaltige Energieversorgung, S. 26 - 41Online Volltext: dx.doi.org/ Online Volltext (Open Access)
-
Photothermal laser processing of thin silicon nanoparticle films : On the impact of oxide formation on film morphologyIn: Applied Physics A: Materials Science and Processing Jg. 106 (2012) Nr. 4, S. 853 - 861Online Volltext: dx.doi.org/
-
Substrate-mediated effects in photothermal patterning of alkanethiol self-assembled monolayers with microfocused continuous-wave lasersIn: Beilstein Journal of Nanotechnology Jg. 3 (2012) Nr. 1, S. 65 - 74Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
-
Probing the intrinsic switching kinetics of ultrathin thermoresponsive polymer brushesIn: Angewandte Chemie International Edition Jg. 50 (2011) Nr. 19, S. 4513 - 4516Online Volltext: dx.doi.org/
-
Micro- and nanopatterning of functional organic monolayers on oxide-free silicon by laser-induced photothermal desorptionIn: Small Jg. 6 (2010) Nr. 17, S. 1918 - 1926Online Volltext: dx.doi.org/
-
Nonlinear femtosecond laser processing of alkylsiloxane monolayers on surface-oxidized silicon substratesIn: Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films Jg. 28 (2010) Nr. 4, S. 814 - 817Online Volltext: dx.doi.org/
-
Photothermal micro- and nanopatterning of organic/silicon interfacesIn: Langmuir Jg. 26 (2010) Nr. 9, S. 6826 - 6831Online Volltext: dx.doi.org/
-
Photothermally induced bromination and decomposition of alkylsiloxane monolayers on surface-oxidized silicon substratesIn: Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films Jg. 28 (2010) Nr. 4, S. 834 - 837Online Volltext: dx.doi.org/
-
Self-assembled organic monolayers as high-resolution resists in rapid nonlinear processing with single femtosecond laser pulsesIn: Applied Physics A: Materials Science and Processing Jg. 101 (2010) Nr. 3, S. 461 - 466Online Volltext: dx.doi.org/
-
Sub-wavelength patterning of organic monolayers via nonlinear processing with continuous-wave lasersIn: New Journal of Physics (NJP) Jg. 12 (2010) S. 125017Online Volltext: dx.doi.org/ Online Volltext (Open Access)
-
Temporal stability of photothermally fabricated micropatterns in supported phospholipid multilayersIn: Journal of Vacuum Science and Technology A: Vacuum, Surfaces, and Films Jg. 28 (2010) Nr. 4, S. 953 - 957Online Volltext: dx.doi.org/
-
Direct Laser Patterning of Soft Matter: Photothermal Processing of Supported Phospholipid Multilayers with Nanoscale PrecisionIn: Small Jg. 5 (2009) Nr. 18, S. 2099 - 2104Online Volltext: dx.doi.org/
-
Laser-induced local dehydroxylation on surface-oxidized silicon substrates: mechanistic aspects and prospects in nanofabricationIn: Applied Physics A: Materials Science and Processing Jg. 94 (2009) Nr. 1, S. 95 - 103Online Volltext: dx.doi.org/
-
Photothermally induced microchemical functionalization of organic monolayersIn: ChemPhysChem Jg. 10 (2009) Nr. 12, S. 2000 - 2003Online Volltext: dx.doi.org/
-
Surface-initiated polymerization on laser-patterned templates : morphological scaling of nanoconfined polymer brushesIn: Langmuir Jg. 25 (2009) Nr. 20, S. 12393 - 12398Online Volltext: dx.doi.org/
-
Subwavelength patterning of alkylsiloxane monolayers via nonlinear processing with single femtosecond laser pulsesIn: Applied Physics Letters (APL) Jg. 92 (2008) S. 223111Online Volltext: dx.doi.org/
-
Oriented growth of osteoblast-like cells on two-dimensionally structured films of functionalized calcium phosphate nanoparticles on a silicon substrateIn: Advanced Engineering Materials Jg. 9 (2007) S. 1077 - 1081Online Volltext: dx.doi.org/
-
Self-assembled organic templates for the selective adsorption of gold nanoparticles into confined domains
24th European Conference on Surface Science (ECOSS-24) ; 4-8 September 2006, Paris, France,In: Surface Science Jg. 601 (2007) Nr. 18, S. 3916 - 3920Online Volltext: dx.doi.org/ -
1D Nanofabrication with a Micrometer-Sized Laser SpotIn: Nano Letters Jg. 6 (2006) Nr. 10, S. 2358 - 2361Online Volltext: dx.doi.org/
-
Direct laser patterning of octadecylsiloxane monolayers on surface-oxidized silicon substrates : Indications for a photothermal excitation mechanismIn: Surface Science Jg. 600 (2006) Nr. 18, S. 4034 - 4038Online Volltext: dx.doi.org/
-
Laser-assisted decomposition of alkylsiloxane monolayers at ambient conditions : rapid patterning below the diffraction limitIn: Applied Physics A: Materials Science and Processing Jg. 82 (2006) Nr. 4, S. 689 - 695Online Volltext: dx.doi.org/
-
Laser-assisted fabrication of submicron-structured hydrophilic/ hydrophobic templates for the directed self-assembly of alkylsiloxane monolayers into confined domainsIn: Applied Physics A: Materials Science and Processing Jg. 82 (2006) Nr. 1, S. 15 - 18Online Volltext: dx.doi.org/
-
Preparation of two-dimensionally patterned layers of functionalised calcium phosphatenanoparticles by laser direct writingIn: Journal of Materials Chemistry Jg. 16 (2006) Nr. 19, S. 1798 - 1802Online Volltext: dx.doi.org/
-
Characterization of the telomere complex, TERF1 and TERF2 genes in muntjac species with fusion karyotypesIn: Experimental Cell Research Jg. 306 (2005) Nr. 1, S. 64 - 74Online Volltext: dx.doi.org/
-
Preparation of stacked organosiloxane bilayers on hydrophilic and hydrophobic silicon substrates by spin coatingIn: Thin Solid Films Jg. 488 (2005) Nr. 1-2, S. 124 - 131Online Volltext: dx.doi.org/
-
Characterization of ancestral chromosome fusion points in the Indian muntjac deerIn: Chromosoma Jg. 112 (2004) Nr. 5, S. 213 - 220Online Volltext: dx.doi.org/
-
Imaging surface topographical changes during plastic deformation of a metal with chemical wave patternsIn: Surface Science Jg. 548 (2004) Nr. 1-3, S. 163 - 169Online Volltext: dx.doi.org/
-
Preparation of Submicron-Structured Alkylsiloxane Monolayers Using Prepatterned Silicon Substrates by Laser Direct WritingIn: Langmuir Jg. 20 (2004) Nr. 9, S. 3525 - 3527Online Volltext: dx.doi.org/
-
An AFM study of the growth kinetics of the self-assembled octadecylsiloxane monolayer on oxidized silicon
7th International Conference on Nanometer-Scale Science and Technology and the 21st European Conference on Surface Science (NANO-7 / ECOSS-21) ; 24-28 June 2002, Malmö, Sweden,In: Surface Science Jg. 532-535 (2003) S. 963 - 969Online Volltext: dx.doi.org/ -
Mutations in the polyglutamine binding protein 1 gene cause X-linked mental retardationIn: Nature Genetics Jg. 35 (2003) Nr. 4, S. 313 - 315Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
-
Two-dimensional aggregation of species with weak and strong bonding interactions : Modeling the growth of self-assembled Alkylsiloxane monolayersIn: Langmuir Jg. 19 (2003) Nr. 17, S. 6590 - 6593Online Volltext: dx.doi.org/
-
Reaction of sulfur dioxide with Ag(110)–p(2x1)-O : a LEED, TPRS, and STM investigationIn: Surface Science Jg. 504 (2002) S. 223 - 234Online Volltext: dx.doi.org/
-
Pattern formation in restricted geometries : The NO+CO reaction on Pt(100)In: The Journal of Chemical Physics (JCP) Jg. 112 (2000) Nr. 15, S. 6795 - 6803Online Volltext: dx.doi.org/ (Open Access)
-
Catalysis on microstructured surfacesIn: Faraday Discussions Jg. 105 (1997) S. 47 - 56Online Volltext: dx.doi.org/
-
Nonlinear processing and multiphoton ablation of self-assembled monolayers for application as ultrathin resists and in biochemical sensorsIn: Optically Induced Nanostructures: Biomedical and Technical Applications / König, Karsten; Ostendorf, Andreas (Hrsg.) 2015, S. 117 - 139Online Volltext: dx.doi.org/
-
Laser Patterning of Silanized Carbon/Polymer Bipolar Plates with Tailored Wettability for Fuel Cell ApplicationsIn: Laser Surface Modification and Adhesion / Mittal, K. L.; Bahners, Thomas (Hrsg.) 2014, S. 263 - 287
-
Micro-patterning of self-assembled organic monolayers by using tunable ultrafast laser pulsesIn: Frontiers in ultrafast optics: biomedical, scientific, and industrial applications XIV / SPIE photonics west , 2 - 5 February 2014, San Francisco, California, United States 2014Online Volltext: dx.doi.org/
-
Sub-wavelength patterning of self-assembled organic monolayers via non-collinear optical parametric amplifierIn: ICALEO 2013 - 32nd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics / 32nd International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics, ICALEO 2013, Miami, FL, United States, 6 October 2013 through 10 October 2013 2013, S. 893 - 897
-
Fabrication, laser structuring and field emission properties of carbon nanowallsIn: 25th International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC 2012) / International Vacuum Nanoelectronics Conference, Jeju, South Korea, 9 - 13 July 2012 2012, S. 354 - 355Online Volltext: dx.doi.org/
-
Electron emission of laser-structured carbon nanowalls on Si and stainless steel substratesIn: 24th International Vacuum Nanoelectronics Conference (IVNC), 2011 / International Vacuum Nanoelectronics Conference, 18 - 22 July 2011, Historische Stadthalle Wuppertal, Germany / Klümper, Andreas (Hrsg.) 2011, S. 139 - 140
-
Preparation of organic monolayers on uniform and patterned silicon substratesIn: Physical chemistry of interfaces and nanomaterials II: 6 - 8 August 2003, San Diego, California, USA II / Optical Science and Technology, SPIE's 48th Annual Meeting, 2003, 06.-08.08.2003, San Diego, California, United States / Lian, Tianquan; Dai, Hai-Lung (Hrsg.) 2003, S. 9 - 23Online Volltext: dx.doi.org/
-
Photothermal laser processing of thin silicon nanoparticle films : prospects in photovoltaic applications
1st International Conference on Materials for Energy, 4. - 8. Juli 2010 Karlsruhe, Germany,Karlsruhe (2010)