Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8463
Main Title: Megaelectron volt secondary-ion mass spectrometry – yield dependence on experimental parameters and new capabilities of the technique
Translated Title: Megaelektronenvoltsekundärionenmassenspektrometrie – Abhängigkeit des Ertrags von experimentellen Parametern und neue Möglichkeiten der Technik
Author(s): Stoytschew, Valentin
Advisor(s): Kanngießer, Birgit
Referee(s): Kanngießer, Birgit
Jakšić, Milko
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Time of flight Mega-electron Secondary Ion Mass Spectroscopy (TOF MeV SIMS) is a mass spectrometry technique using swift heavy ions (𝑚>16 𝑢, 𝐸𝑘𝑖𝑛>1 𝑀𝑒𝑉) to induce desorption of secondary ions from a sample. While swift heavy ions have been used for several decades to achieve high molecular secondary ion yields in mass spectrometry, there has been no systematic investigation into the experimental parameters’ influence on the secondary ion yield for TOF MeV SIMS. This thesis tries to fill this knowledge gap and while doing so, various assumptions that have been made about TOF MeV SIMS are tested and new possibilities of the technique are explored, using the RBI heavy ion microprobe. The work began with an upgrade of the setup to provide accurate yield measurements. For this purpose, a detector that periodically measures the beam current was installed. Additionally, the possibilities for capillary usage in Ion Beam analysis and primary ion triggered MeV SIMS were explored. With the setup ready, the influence of various experimental parameters on the secondary ion yield for MeV SIMS has been tested. The reproducibility as well as the efficiency of the measurement process were improved and a value for the error of an MeV SIMS measurement at the RBI-Setup was determined. Further on dynamic MeV SIMS as well as standard based quantitative MeV SIMS were tried out in analogy to keV-SIMS. The results indicate that it is possible to realise depth scans with MeV SIMS and that standard based MeV SIMS is possible, if the experimental parameters are well known and controlled. After the work on the experimental technique itself, MeV SIMS was applied to four different applications: Analysis of varnish used in church icons, study of the effects of MeV-Ion beams on the bonds in PMMA, forensics investigations on ink, showing who last wrote on a document, and testing of PCBs for materials not allowed under RoHS regulations. The potential of the Method has been shown in these tests of techniques and applications. There is more than the ambient pressure application alone for MeV SIMS in the future and combining the ambient pressure setup with the applications explored in this thesis provides many possibilities to further develop the MeV SIMS technique.
Time-of-Flight Mega-Elektron Sekundärionenmassenspektroskopie (TOF MeV SIMS) ist eine Massenspektrometrietechnik die schnelle, schwere Ionen verwendet (𝑚>16 𝑢, 𝐸𝑘𝑖𝑛>1 𝑀𝑒𝑉), um Sekundärionendesorption von einer Probe zu induzieren. Obwohl schnelle, schwere Ionen schon seit einigen Jahrzehnten zur Desorption von Sekundärionen mit hohem Ertrag verwendet werden, gibt es bis heute noch keine systematische Untersuchung zum Einfluss der experimentellen Parameter auf den Sekundärionenertrag. Diese Arbeit versucht diese Informationslücke zu schließen und dabei wurden, mit dem MeV SIMS System des RBI, einige der bestehenden Thesen bezüglich TOF MeV SIMS überprüft und das Entwicklungspotential der Technik ausgelotet. Die Arbeit begann mit einer Verbesserung des Aufbaus. Um exakte Gewinnmessungen zu ermöglichen, wurde eine Messmethode für den Primärionenstrom, der während einer MeV SIMS Messung auf die Probe fällt, entwickelt. Zusätzlich wurde eine neue Art Glaskapillare für die Verringerung des Ionenstrahldurchmessers erprobt und TOF MeV SIMS mit einem Startsignal, das durch die Primärionen erzeugt wird. Nach diesen Arbeiten am Aufbau wurde der Einfluss verschiedener Parameter im Messaufbau auf die Sekundärionendetektion geprüft. Wichtige Parameter sind hier der Winkel zwischen Probe und Extraktor, der Abstand zwischen Extraktor und Probe, die Beschleunigungsspannung zwischen Probe und Extraktor, die Größe des Messbereiches über den gerastert wird und der Primärionentyp. So wurde die Effizienz der Messmethode verbessert und die Reproduzierbarkeit der Messungen erhöht. Zusätzlich wurde eine Abschätzung des Fehlers einer MeV SIMS Messung gefunden, die auf experimentellen Daten beruht. Anschließend wurden zwei neue MeV SIMS-Techniken in Analogie zur keV-SIMS getestet: Dynamische MeV SIMS und standardbasierte quantitative MeV SIMS. Den Ergebnissen nach können beide Techniken in MeV SIMS angewandt werden. Besonders nachdem die Vorarbeit bei der Bestimmung des Einflusses der experimentellen Parameter die Reproduzierbarkeit einer Messung deutlich erhöht hat, was die standardbasierte Quantifikation exakter macht. Nach diesen Arbeiten an der Technik allein, wurde MeV SIMS zur Lösung einiger Fragestellungen angewandt. Dazu gehörte die Frage welche Art Lack auf einer religiösen Ikone verwendet wurde, um so die Reparatur durch den Konservatoren zu ermöglichen, die Frage welche chemischen Bindungen sich in PMMA nach Bestrahlung durch Ionen bilden, eine Fragestellung aus der Forensik, bei der festgestellt werden soll mit welchem Stift ein Dokument zuletzt bearbeitet wurde und die Suche nach Materialien in einer PCB, die unter den RoHS-Bestimmungen verboten sind. Die Tests und Anwendungen, die in dieser Arbeit präsentiert werden, zeigen die Möglichkeiten von MeV SIMS. Neben der Arbeit an der Entwicklung von MeV SIMS bei Normaldruck gibt es noch zahlreiche Erweiterungen und Techniken, die sowohl in der Kombination mit MeV SIMS bei Normaldruck, als auch bei MeV SIMS im Vakuum, von großem Nutzen sein können.
URI: https://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/9407
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-8463
Exam Date: 26-Apr-2019
Issue Date: 2019
Date Available: 28-May-2019
DDC Class: 530 Physik
Subject(s): MeV-SIMS
electronic stopping desorption
dynamic SIMS
quantitative SIMS
high mass secondary ions
elektronische Desorption
dynamische SIMS
quantitative SIMS
Sekundärionen mit hoher Masse
Sponsor/Funder: EC/FP7/317169/EU/Supporting Postgraduate Research with Internships in industry and Training Excellence/SPRITE
License: https://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/
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