二次离子质谱（Secondary Ion Mass Spectrometry，SIMS）技术凭借其超高灵敏度和精准分析能力，广泛应用于半导体、材料科学及生物医疗等领域。其核心是是通过高能离子轰击样品表面产生二次离子，再经质谱分析实现元素、同位素及分子的高灵敏度表征。本文主要介绍SIMS技术的工作原理、技术优势与其在各领域的应用场景。
SIMS技术原理
SIMS本质上通过“轰击-电离-分析”三步法，从而解析样品的微观成分：
1、离子轰击：用一次离子束（如Cs+、O2+、Ar+等）轰击样品表面，将样品表面的原子或分子溅射出来；
2、二次离子生成：这些被溅射出来的粒子在电场作用下加速，部分被电离形成带电荷的二次离子；
3、质谱分析：二次离子进入质谱仪，按质荷比（m/z）分离检测，最终通过信号强度和质荷比的数据，从而确认样品的成分、浓度及分布规律。
图1 SIMS技术原理示意图
技术优势
· 灵敏度极高：检测限可达 ppm（百万分之一）至 ppb（十亿分之一）级别，轻松捕捉痕量杂质与微量元素；
· 分析范围广：既能检测金属、非金属等无机元素，也能分析有机官能团和同位素，适配半导体、生物、地质等多种样品类型；
· 空间分辨率强：横向分辨率可达亚微米级，纵向能实现纳米级深度分析，通过逐层溅射，绘制出三维元素分布图像；
· 多元素同步分析：可同时检测多种元素的含量与分布，无需多次样品处理，高效支撑多成分协同研究。
图2 SIMS技术的多元素、同位素的同步分析优势
局限性：溅射过程可能对样品表面造成轻微损伤，分析速度相对较慢，操作难度大，成本较高等。然而这些不足，并不影响其在高精度分析场景中的使用。
应用场景
半导体行业：把关芯片质量
半导体芯片对杂质含量和掺杂均匀性要求极高。SIMS能精准检测硅片、光刻胶、金属化层中的痕量污染物，及镁、硅等掺杂元素的深度分布，其分辨率可达10 nm级别，为芯片制造工艺优化和质量控制提供核心数据。
图3 通过SIMS技术对GaN中的Si离子产率进行分析
（DOI：10.1116/6.0000138）
材料科学：新材料研发
从航空航天的防护涂层到日常使用的油漆涂层，SIMS技术可以分析涂层的均匀性和厚度，评估材料稳定性和耐用性；在金属合金领域，其能捕捉痕量元素对材料强度、耐腐蚀性等性能的影响。
图4 TOF-SIMS技术对汽车漆面表面污染物分析
（DOI：10.1002/sia.6315）
生物医疗：探索有机质中的微量元素
在生物医学研究中，SIMS能精准分析细胞膜、蛋白质、DNA中的微量元素和有机化合物分布，为疾病机制研究和药物研发提供数据支持。
图5 SIMS技术表征金属药物在细胞中分布情况
（DOI：10.1007/s00775-017-1462-3）
本文源自微信公众号：中材新材料
原文标题：《二次离子质谱（SIMS）技术：原理、优势及多领域应用全攻略》
原文链接：https://mp.weixin.qq.com/s/XaoaTHLVv-XZaNu7xD1zSQ
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