TOF-SIMS在有机材料研究中的应用

飞行时间质量分析器具备全质量范围扫描的特点，在一次采集过程中能够收集到较大质量范围内的所有分子离子碎片。当使用TOF-SIMS对有机材料进行分析时，我们通过谱图解析可以识别出这些分子离子对应的有机分子碎片，揭示有机材料键接结构。这些丰富的化学信息能够直接反映有机物的组成与结构特征，为有机材料设计、合成和性能优化提供重要的实验室数据支持。在本期文章中，我们将通过一系列案例来介绍TOF-SIMS在有机材料中的应用。

有机材料是由不同类型的官能团和化学键所构成的，在TOF-SIMS电离过程中会形成质量数不同的分子离子。这些特征离子具有指纹效应，携带了有机材料分子结构的关键信息，可以据此解析有机材料的分子结构。图1为PET材料在正离子模式下所采集的SIMS谱图，展示了 PET分子被电离产生的一系列离子片段。我们对谱峰进行识别，可以明确每一个质量数所对应的结构，从而推断出PET的分子结构。

图1. PET材料在正离子模式下采集的TOF-SIMS质谱图。

在一些特定的样品体系中，TOF-SIMS技术具有区分有机材料同分异构体的卓越能力。如图2所示，聚丙二醇和聚乙烯基甲基醚是一组同分异构体，尽管他们的分子式相同，但在TOF-SIMS分析时，两者在电离过程中化学键的断裂位置以及分子碎片的组合方式却展现出显著的差异。这种差异导致了两种结构在正离子模式下所采集到的特征峰类型和信号强度的不同，从而使我们能够准确地区分这两种同分异构体。

图2. 一组同分异构体在正离子模式下采集的TOF-SIMS质谱图。

TOF-SIMS具有较高的空间分辨率，可以对有机样品进行较高空间分辨的化学成像分析，能够直观地展示有机组分在表面上的空间分布。图3为两组聚合物样品（PS和PMMA）在TOF-SIMS高空间分辨模式下所采集的正离子mapping影像，通过微区成像结果可清晰地观察到不同的混合比例下两种聚合物所呈现出的物相分离现象。

图3. PS和PMMA在不同混合比例下的TOF-SIMS影像。

在使用TOF-SIMS对有机膜层进行深度分析时，为了减少刻蚀过程中离子束对有机分子结构所造成的损伤，通常使用氩团簇离子源(Gas Cluster Ions Beam, GCIB)对有机材料进行深度分析。如图4所示，相较于单原子离子源和C60离子源，GCIB离子源能够减少溅射过程中对有机样品的结构损伤，实现较为“温和”的刻蚀。这种“温和”的刻蚀方式确保了有机分子在深度分析过程中能够保持较为恒定的离子产额，从而为我们提供了更为准确、可靠的深度分布信息。

图4. 不同离子源的刻蚀损伤与有机分子离子产额比较。

基于GCIB离子源溅射效率高、刻蚀损伤较小的特性，我们得以对各类有机材料进行TOF-SIMS深度分析。更进一步地，结合TOF-SIMS三维建模分析功能，我们还可以直观地观察目标分子在三维空间中的分布。如图5所示，通过构建的TOF-SIMS三维模型，我们不仅能通过特征离子峰确定尼龙与聚乙烯的分布深度，还能观察到两种聚合物在微观层面上的混合程度。