应用解读
1）半导体工业：用于分析掺杂分布、污染物和材料界面，例如在半导体器件中检测微量杂质。
案例：矽油（硅油）是一种广泛应用于电子制造的材料，因其绝缘介质特性（如抗腐蚀、耐高温、防尘防潮）而受到青睐。然而，在印刷电路板（PCB）的生产过程中，若矽油未完全清洁，可能残留在 PCB 表面，导致后续制造过程出现问题，例如吃锡不良（焊接不良）或灌封胶无法覆着（封装失败）。
过程：TOF-SIMS 工作原理涉及使用聚焦的初级离子束轰击样品表面，导致表面发射出二次离子。这些二次离子携带了表面化学组成和分子结构的信息，通过飞行时间分析，可以生成表面质谱（Mass Spectrum）。科学家通过比较正常 PCB 和异常 PCB 的表面质谱，寻找差异。例如，在异常 PCB 上，可能在荷质比（mass-to-charge ratio，m/z）为 147 的位置观察到明显信号，这被认为是矽油的特征信号。
图1.英格尔—矽油(Silicon Oil)污染的TOF-SIMS表面质谱图。
2）高分子材料：研究聚合物表面的组成和界面特性，帮助理解粘附性、退化和功能化。例如，分析涂层的均匀性和降解机制。
论文案例：Determination of chemical composition in multilayer polymer film using ToF-SIMS
过程：在该研究中，研究者使用TOF-SIMS分析了多层聚合物薄膜的化学成分。他们通过微切聚合物薄膜以暴露横截面，并使用铋液态金属离子枪（LMIG）对横截面进行成像。这种方法使得他们能够识别多层结构中的无机和有机层。通过铋离子溅射，他们成功去除了有机质量的干扰，从而准确确定了薄无机层在薄膜中的空间分布。这种技术特别适用于评估多层聚合物材料中涂层的均匀性，确保涂层在厚度和成分上的一致性，这对于工业应用至关重要。
图2. 从ToF-SIMS分析推导出的多层膜图示。
3）催化材料：分析催化剂表面的化学组成和反应机制，优化催化性能。
论文案例：Recent advances in secondary ion mass spectrometry of solid acid catalysts: large zeolite crystals under bombardment
过程：研究者使用 TOF-SIMS（PHI nanoTOF II）对大尺寸 H-ZSM-5 沸石晶体进行了表征，这些沸石是 MTH 反应的重要催化剂。通过 TOF-SIMS 的高质量分辨率（高达 m/Δm = 3,000,000）和空间分辨率（低至 60 nm），研究者实现了对催化剂表面和体相的详细分析。TOF-SIMS 揭示了 Si 和 Al 的分布梯度，以及在 MTH 反应过程中形成的焦炭沉积物的分布和化学性质。通过深度剖析，研究者观察到反应温度（350°C 和 500°C）对焦炭的比例和性质的影响。此外，TOF-SIMS 还显示了 Na⁺ 离子的异质分布，表明离子交换的不完全性，从而影响了催化活性。
图3. 沿短晶轴（尺寸为100×20×20 mm³）存在铝梯度的证据。(a) 由ZSM-5（MFI）骨架的 (18 0 0) 反射的微束X射线衍射（mXRD）推导出的短晶轴方向上的晶格参数 a。(b) 晶体的飞行时间二次离子质谱（ToF-SIMS）溅射深度剖析，显示估算的硅铝比（Si/Al）。(c) Si⁺ 和 Al⁺ 二次离子深度分布的三维表示，作为溅射时间的函数。转载自参考文献46，经Wiley-VCH许可。
4）能源材料：在锂电池、太阳能电池和燃料电池研究中，映射锂离子分布，研究电极材料的老化机制。
论文案例：Nanoscale chemical mapping of Li-ion battery cathode material by FIB-SEM and TOF-SIMS multi-modal microscopy
过程：研究者通过 TOF-SIMS（PHI nanoTOF II）结合 FIB-SEM，对 Li-rich NMC 氧化物阴极材料进行了纳米级化学成像。结果显示，充电状态下锂浓度较低，而放电状态下锂浓度显著增加，浓度比约为 4:1。此外，TOF-SIMS 揭示了锂离子在晶粒界面和粒子-基体界面处的“困住”现象，这可能影响电池的循环性能和老化机制。
图4. FIB-SEM/TOF-SIMS 映射。FIB-SEM 次级电子图像与 Li（7）、Mn（55）和 Co（59）三种归一化元素分布图一起展示，分别对应完全放电（上排）和完全充电（下排）样品。整个视场范围为 8 mm。
5）生物材料：分析生物组织、细胞和生物材料的表面化学，支持药物递送和组织工程研究。
论文案例：Time-of-flight secondary ion mass spectrometric analysis of the interface between bone and titanium implants
过程：在组织工程中，TOF-SIMS被用于研究生物材料与组织之间的相互作用，特别是骨组织的矿化过程。论文探讨了钛植入物在老鼠胫骨中的矿化过程。研究通过TOF-SIMS分析了植入物-骨界面的化学组成，发现羟基磷灰石（HA）的分布，这对理解骨组织再生和植入物整合至关重要。
图5. 钛植入物在大鼠胫骨内植入2周和4周后的切片光镜图像。这些切片使用碱性品红染色。I=界面，T=钛植入物，B=骨，S=软组织。白色方框指示的区域是通过成像TOF-SIMS分析的区域。图像宽度=1000微米。植入时间为(a)2周和(b)4周。放大倍数50倍。
6）药品分析：检测药物制剂中活性成分和辅料的分布，确保产品质量和药物释放一致性。
论文案例：From surface to core: Comprehensive ToF-SIMS insights into pharmaceutical tablet analysis
过程：研究者通过 TOF-SIMS 对市售对乙酰氨基酚（paracetamol）片剂进行了分析，无需任何预处理（如溶解或过滤），直接对片剂进行表征。利用多变量统计分析（MVSA），研究者成功识别了对乙酰氨基酚的唯一 TOF-SIMS 信号，克服了复杂片剂基质中的光谱干扰。通过高质量分辨率的 TOF-SIMS 成像，结合延迟提取 TOF 分析模式，研究者实现了片剂表面二维分布的成像，重点分析了对乙酰氨基酚的分布情况。本研究还挑战了之前对某些 TOF-SIMS 信号的解释，强调了重新评估这些信号的必要性，为无需样品预处理的药物分析开辟了新途径。
图6.在含有对乙酰氨基酚的药片表面测量的正离子ToF-SIMS MS1谱图。所标识物质的确切位置（理论值）用红色箭头标记
7）光电子材料：研究光电子器件中的材料组成和结构，优化器件性能。
论文案例：Fluoroethylamine Engineering for Effective Passivation to Attain 23.4% Efficiency Perovskite Solar Cells with Superior Stabilityg
过程：研究者通过ToF-SIMS（PHI nanoTOF II）深度剖析结果发现不同个数氟的添加剂在薄膜中呈现梯度分布，可以钝化薄膜不同位置的缺陷，其中，一氟乙胺实现了从体相到表面的整体钝化，因此将电池效率22.2%提高到了23.4%
图7ToF-SIMS深度剖析分析添加剂在钙钛矿薄膜中的分布情况。返回搜狐，查看更多