Spectrométrie de masse à ionisation secondaire
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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 d'une solution. Le mot est utilisé dans différents...) 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 trois états les plus communs sont l'état solide, l'état liquide, l'état gazeux. La...) pulvérisée est ionisée. Ces ions secondaires sont alors accélérés vers un spectromètre (Un spectromètre est un appareil de mesure permettant d'étudier de décomposer une quantité observée — un faisceau lumineux en spectroscopie, ou bien un mélange de molécules par exemple en spectrométrie...) de masse (Le terme masse est utilisé pour désigner deux grandeurs attachées à un corps : l'une quantifie l'inertie du corps (la masse inerte) et l'autre la contribution du corps à la force de...) 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 plusieurs acceptions, parfois objet géométrique, parfois frontière physique, et est souvent...) 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.

Histoire

L'histoire du SIMS est largement développée (En géométrie, la développée d'une courbe plane est le lieu de ses centres de courbure. On peut aussi la décrire comme l'enveloppe de la famille des droites normales à la courbe.) dans le livre Secondary Ion Mass Spectrometry: Basic (En programmation, BASIC est un acronyme pour Beginner's All-purpose Symbolic Instruction Code. qui désigne une famille de langages de programmations de haut niveau.) 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 modifier, à l’aide de moyens d’enquête et d’étude appropriés. Le plaisir procuré explique la très grande participation des...) de la pulvérisation (Le terme de pulvérisation a été introduit en 1975 par J. M. Steele dans sa thèse de doctorat, à l'université Stanford.) 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 à 31 espèces d'oiseaux qui, soit appartiennent au genre Accipiter, soit constituent les 5 genres Erythrotriorchis, Kaupifalco, Megatriorchis,...) de 1949, à l'Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la production du savoir (recherche), sa conservation et sa transmission (études...) 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 priori à l’identique, nécessitant le concours et l’intégration...) états-unien, sous la conduite de Liebl et Herzog fut financé par la NASA (La National Aeronautics and Space Administration (« Administration nationale de l'aéronautique et de l'espace ») plus connue sous son abréviation NASA, est...), 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 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 changement dans le monde.) de vol (Time Of Flight - TOF) furent intégrés à des instruments SIMS (Benninghoven, Niehus and Steffens).

Instrumentation (Le mot instrumentation est employé dans plusieurs domaines :)

SIMS Magnétique

IMS 3f de Cameca: Ce modèle, lancé en 1978 est équipé, ci-dessus, de 2 sources d'ions primaires: Duoplasmatron et Césium
IMS 3f de Cameca: Ce modèle, lancé en 1978 est équipé, ci-dessus, de 2 sources d'ions primaires: Duoplasmatron et Césium (Le césium est un élément chimique de symbole Cs et de numéro atomique 55.)
Schéma de l'IMS 6f, de Cameca (1994)
Schéma de l'IMS 6f, de Cameca (1994)

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 objets du système solaire et, pour certaines, l'espace qui est au-delà. Cela couvre à la fois les...) 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 milieu dispersif, c'est-à-dire dans lequel les différentes fréquences constituant l'onde ne se propagent pas...) en énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) 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 champ rémanent et l'excitation coercitive sont grands...) doit être compensée: C'est le rôle du secteur électrostatique (L'électrostatique traite des charges électriques immobiles et des forces qu'elles exercent entre elles, c’est-à-dire de leurs interactions.) qui produit une dispersion en énergie inverse (En mathématiques, l'inverse d'un élément x d'un ensemble muni d'une loi de composition interne · notée multiplicativement, est un élément y tel que...) de celle de l'aimant. Une optique (L'optique est la branche de la physique qui traite de la lumière, du rayonnement électromagnétique et de ses relations avec la vision.) 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.

Performances de la technique

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 champ magnétique à petite échelle du Soleil et la géométrie du plasma coronal, à travers des images...) 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 représentent des êtres ou des choses. La fabrication se faisait jadis soit à la main, soit par...) 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 d'un objet ou d'une partie de l'espace.). Les processus physiques de production des ions secondaires sont sensiblement différents dans les deux cas.

Bibliographie

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 l’État de New York, est la principale ville des États-Unis, elle compte...), 1987 (1227 pages)

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