Ortsaufloesende Analyse von Mikropartikeln mit Sekundaermassenspektrometrie

Angela Schweiker
1991
ZUSAMMENFASSUNG Zur ortsaufgelösten Analyse heterogener Mikropartikel wurden methodische Grundlagen geklärt sowie das Leistungsvermögen der beiden empfindlichen, ortsauflösenden Analysenmethoden Plasma-SNMS und SIMS für Salze und Oxide experimentell überprüft. Ferner konnte die Anwendung eines Konzepts zur Quantifizierung und Lokalisierung der Elemente in Mikropartikeln demonstriert werden. Der Schwerpunkt lag bei der Ausarbeitung einer Methode zur Tiefenprofilanalyse mit SNMS für
more » ... S für Mikropartikel. Zur Umrechnung der Zerstäubung in die Tiefe ist die Kenntnis der Erosionsraten erforderlich. Zu diesem Zweck wurde eine neuartige gravimetrische Pulvermethode entwickelt, die es ermöglicht, Zerstäubungsausbeute und Tiefenvorschub in Partikeln zu bestimmen. Für ionische und oxidische Pulver ergeben sich Sputterausbeuten von 0,42 bis 2,0 Atome/Ion. Der Vergleich verschiedener Sulfate und Nitrate zeigt die Abnahme der Werte mit zunehmender Masse des Kations und den Einfluß chemischer Effekte, da Sulfate und Carbonat größere Sputterausbeuten besitzen als Nitrate. Die Zerstäubungsraten betragen bei den gegebenen Meßbedingungen 0,09 bis 0,44 nm/s. Die geringe Variationsbreite zeigt den unbedeutenden Einfluß von der Art der Salze. Für alle untersuchten Pulver ergibt sich ein mittlerer Tiefenvorschub von 0, 28 nm/s, der weniger als 50% variiert. Damit könnte mit externer Tiefenskalierung in Material komplexer Zusammensetzung die Tiefe bis auf einen Fehler von 50% bestimmt werden. Da die Einstellung des Sputtergleichgewichts im Mittel 100 s benötigt, ergibt sich mit der mittleren Zerstäubungsrate eine Tiefe von ca. 30 nm, die notwendigerweise zerstäubt werden muß, bis Quantifizierung möglich wird. Weiterhin wurde ein einfaches Konzept zur internen Tiefenskalierung aus den Signalintensitäten erarbeitet. Die damit bestimmten Erosionsraten wurden mit den gravimetrisch berechneten Werten verglichen und stimmen im Mittel bis auf einen Fak-tor zwei überein. Die interne Tiefenskalierung erlaubt auch bei Material komplexer Zusammensetzung die Erosionsrate zu jeder Zeit näherungsweise aus dem Zeitprofil selbst zu bestimmen. Dabei wird auch die Änderung der Sputterausbeute berücksichtigt. Zur Bestimmung von Elementkonzentrationen wurden absolute Elementdetektionsfaktoren für 12 Elementen in verschiedenen Verbindungen berechnet und mit effektiven Nachionisierungswahrscheinlichkeiten verglichen. Trotz vergleichbar hohem Anteil atomarer Emission wie bei Metallen, zeigen die Elementdetektionsfaktoren Abweichungen von einer strikten Proportionalität zur effektiven Nachionisierungswahrscheinlichkeit. Diese sind durch verbindungsabhängige Einflüsse auf die Detektion, wie z.B. Energie-und Winkelverteilung sowie die Topographie der Probe zu erklären. Die Variationsbreite von 60% des Elementdetektionsfaktors repräsentiert den Rahmen für diese verbindungsabhängigen Einflüsse. Für Na, K, Pb, N und S betrug die verbindungsabhängige Variationsbreite ca. 40%. Zur Oberprüfung der Tiefenauflösung an nichtebenen Proben wurden gekrümmte Schichtsysteme benutzt. Die erzielte Tiefenauflösung von nur 14 nm zeigt, daß der Abtrag zumindest im detektierten Bereich annähernd oberflächenparallel erfolgt. Es wurden zwei beschichtete Pigmente analysiert. Durch interne Tiefenskalierung wurde die Schichtdicke eines Pigments bestimmt und entsprechend zu den Herstellerangaben gefunden. Mit externer Tiefenskalierung ergab sich für die Schichtdicke des gleichen Pigments ein nur um 66% abweichender Wert. Die Schichtdickenbestimmung des zweiten Pigments war überhaupt nur mittels interner Skalierung möglich, da eine externe Bestimmung des Tiefenvorschubs von Reinsubstanzen nicht übertragbar ist. Mit SNMS wurde die Elementzusammensetzung von Aerosolpartikeln untersucht. Es waren Signale von C, 0, Na, Mg, S, Cl, K, und Ti nachzuweisen. Die Unterschiede der einzelnen Aerosolpartikelgrößen zeigten sich am deutlichsten in der Abnahme des C-Gehalts mit kleiner werdender Partikelgröße. Mit Hilfe von SIMS gelang bei einer Mischung zweier Salze mit einem Ionenstrahl von Submikrometerbreite ein Verbindungsnachweis trotz der hohen Beschußenergie von 30keV. Für Aerosolpartikel auf Aluminiumträger konnten Haupt-und Nebenbestandteile (Na+, ca+, Al+ und Mg+, K+, Fe+, cu+, Cl-) sowie der oxidische Ursprung von Ca und Al bestimmt werden. Durch die laterale Auflösung von :s; lllm wurde die Elementverteilung auf einzelnen Aerosolpartikeln demonstriert. Es gelang der Nachweis, daß sich Al und Cu auf den Partikeln befinden und Na sowie K über sämtliche Partikel ungleichmäßig verteilt waren. Damit konnte gezeigt werden, daß und wie es prinzipiell möglich ist, durch Kombination der Methoden Plasma-SNMS und SIMS, mit tiefenaufgelöster Gesamt-und lateral aufgelöster Partikelanalyse, die örtliche Verteilung von Elementen und Verbindungen in Mikropartikeln zu bestimmen. ABSTRACT SPATIAL RESOLVED ANALYSIS OF MICROPARTICLES BY SECONDARY MASS
doi:10.5445/ir/248291 fatcat:ixlbn3nvknd2tj6smvfw2j642m