SIMS (Spectrométrie de masse à ionisation secondaire) Le procédé d'analyse de surface connu sous le nom de SIMS, d'après l'acronyme anglais signifiant Secondary Ion Mass Spectrometry consiste à bombarder la surface de l'échantillon (De manière générale, un échantillon est une petite quantité d'une matière, d'information, ou...) à analyser avec un faisceau d'ions. L'échantillon est alors pulvérisé, et une partie de la matière (La matière est la substance qui compose tout corps ayant une réalité tangible. Ses...) pulvérisée est ionisée. Ces ions secondaires sont alors accélérés vers un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant de décomposer une quantité...) de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un...) qui permettra de mesurer la composition élémentaire ou isotopique de la surface (Une surface désigne généralement la couche superficielle d'un objet. Le terme a...) de l'échantillon. Le SIMS est la technique d'analyse de surface la plus sensible, mais présente plus de difficultés dans l'interprétation quantitative précise que d'autres techniques.
L'histoire du SIMS est largement développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de...) dans le livre Secondary Ion Mass Spectrometry: Basic (En programmation, BASIC est un acronyme pour Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code. qui...) Concepts, Instrumental Aspects, Applications, and Trends référencé dans cet article. Les premières observations (L’observation est l’action de suivi attentif des phénomènes, sans volonté de les...) de la pulvérisation (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa...) ionique ont été faites par Thomson en 1910. C'est à Herzog and Viehboek que l'on doit les travaux de base qui ont conduit à l'élaboration de la technique, autour (Autour est le nom que la nomenclature aviaire en langue française (mise à jour) donne...) de 1949, à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) de Vienne, en Autriche. Deux projets d'instruments SIMS ont été développés de façon indépendante dès la fin des années cinquante. Un projet (Un projet est un engagement irréversible de résultat incertain, non reproductible a...) états-unien, sous la conduite de Liebl et Herzog fut financé par la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de...), et mené à bien au sein de la société GCA Corp dans le Massachusetts. Un projet français fut initié à l'université d'Orsay par Raimond Castaing et mené à bien par son thésard, puis continuateur Georges Slodzian. Les deux instruments furent industrialisés respectivement par GCA Corp et Cameca, une filiale de la CSF localisée dans la région parisienne. Cette société est toujours impliquée en 2005 dans les instruments SIMS. Les deux premiers instruments, l'américain et le français intégraient tous les deux un analyseur magnétique. Au début des années 70, des instruments SIMS furent développés avec des quadripôles en guise d'analyseurs: Alfred Benninghoven à l'Université de Münster (L'université de Münster (en allemand : Westfälische Wilhelms-Universität...) et K. Wittmack dans la région de Munich. Au début des années 80, à l'Université de Münster des analyseurs à temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) de vol (Time Of Flight - TOF) furent intégrés à des instruments SIMS (Benninghoven, Niehus and Steffens).
Un instrument SIMS comporte une colonne d'ions primaire qui produit sur l'échantillon à analyser une sonde (Une sonde spatiale est un vaisseau non habité envoyé par l'Homme pour explorer de plus près des...) d'ions primaires. La colonne primaire peut être équipée, comme pour les instruments IMS3f ou IMS6f de deux sources, produisant respectivement des ions d'éléments chimiques électronégatifs (Oxygène) ou électropositifs (Cesium). L'échantillon est porté à haute tension (La tension est une force d'extension.), et les ions secondaires sont accélérés vers un spectromètre de masse magnétique. Comme les ions SIMS ont souvent une dispersion (La dispersion, en mécanique ondulatoire, est le phénomène affectant une onde dans un...) en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la...) élevée, il est nécessaire que le spectromètre de masse soit "à double focalisation", c'est-à-dire que la dispersion en énergie de l'aimant (Un aimant est un objet fabriqué dans un matériau magnétique dur, c’est-à-dire dont le...) doit être compensée: C'est le rôle du secteur électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre...) qui produit une dispersion en énergie inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de...) de celle de l'aimant. Une optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement...) ionique d'adaptation constituée de lentilles électrostatiques est disposée entre l'échantillon et la fente d'entrée du spectromètre. Le fait que le secteur électrostatique, sphérique, et l'aimant soient tous deux stigmatiques permet de transporter l'image de l'échantillon et de projeter une image ionique, filtrée en masse sur un dispositif de conversion ion-photons. Plus généralement, pour les analyses quantitatives, les ions secondaires sont acheminés sur des dispositifs détecteurs, multiplieurs d'électrons ou puits de Faraday.
Le SIMS permet d'obtenir des détections limite d'éléments trace (TRACE est un télescope spatial de la NASA conçu pour étudier la connexion entre le...) entre 1012 et 1016 atomes/cm3. Du fait de la pulvérisation de la surface de l'échantillon, la technique permet la reconstitution de "profils en profondeur" jusqu'à une profondeur de 10 micromètres. Lorsque le faisceau primaire a une énergie d'impact inférieure à 500eV, la résolution en profondeur est de l'ordre du nanomètre.
En imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui...) par balayage, certains instruments permettent d'obtenir une résolution latérale meilleure que 50 nanomètres.
Avec l'utilisation d'échantillons étalons, il est possible de réaliser des analyses locales de rapports isotopiques avec une précision de 0.01%
En analyse de surface, il est courant de distinguer le SIMS statique et le SIMS dynamique. Le SIMS statique correspond à l'analyse de couches monoatomiques à la surface de l'échantillon, alors que le SIMS dynamique correspond à une analyse de volume (Le volume, en sciences physiques ou mathématiques, est une grandeur qui mesure l'extension...). Les processus physiques de production des ions secondaires sont sensiblement différents dans les deux cas.
Secondary Ion Mass Spectrometry: Basic Concepts, Instrumental Aspects, Applications, and Trends, par A. Benninghoven, F. G. Rüdenauer, et H. W. Werner, Wiley, New York (New York , en anglais New York City (officiellement, City of New York) pour la distinguer de...), 1987 (1227 pages)