飞行时间二次离子质谱的应用进展

飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）作为材料表面成分组成与结构表征的重要分析手段，近年来已在各研究领域得到了广泛的应用。其对元素含量的探测极限可达ppm量级，并可以对元素周期表内从H开始的所有元素、同位素及其分子碎片进行表面质谱、二维成像以及深度分析的表征，且深度分析的纵向分辨率可达1nm。近日，利用二次离子质谱逐层剥离的纵向深度分析技术结合三维成像技术，清晰地分辨出金属与陶瓷异质界面微量元素的扩散，并且基于ToF-SIMS所获得的成分数据，发展了一种新的三维成分分析方法，更详实地提供了各元素在真实三维空间中的分布情况。相应结果发表在Surface and Interface Analysis杂志上，详见Lei Zhang et al. Surf Interface Anal. 2020;52:306-310. 与此同时，ToF-SIMS对钢中稀土的表征也取得了一定的进展。受限于基体效应的影响，二次离子质谱应用于稀土成分含量的定量分析需要依据定标的方法，利用ToF-SIMS测得Ce元素在纯铁和钢中的离子强度，再依据电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）的含量测试结果作为外部标准，对Ce含量从10ppm到大约3%的稀土钢表面二次离子质谱结果进行了定量比较研究。ToF-SIMS中Ce和CeO的计数强度与ICP-MS所测得含量有一定的线性相关性。二次离子像的量化分析显示Ce及其氧化物的晶界偏析量随含量的增大而增多。进一步根据CeO/Ce比率的定量分析结果判断出晶界偏析的绝大多数以CeO化合物的形式存在。该结果证明了Ce的氧化物会严重影响稀土在钢中的添加效果。相应结果发表在Surface and Interface Analysis杂志上，详见Chunli Dai et al. Surf Interface Anal. 2020;52:301-305.