TOF-SIMS（飛行時間型二次イオン質量分析装置）

概要：飛行時間型二次イオン質量分析法（TOF-SIMS：Time-of-Flight Secondary Ion Mass Spectrometry)は、固体試料にイオンビーム（一次イオン）を照射し、表面から放出されるイオン（二次イオン）を、その飛行時間差（飛行時間は重さの平方根に比例）を利用して質量分離する手法です。固体試料の最表面に存在する成分原子や分子を分析できます。

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＜TOF-SIMSの特徴＞

飛行時間型二次イオン質量分析装置(TOF-SIMS)は、1次イオンのビームを固体試料表面に照射し、試料表面から発生する２次イオンの質量を飛行時間の差によって分析する装置です。1次イオンの照射量が少なく、試料表面をほぼ非破壊的に検査することができます。分析試料は固体であれば導電物・絶縁物のいずれも分析可能です。
高い質量分解能で試料の極表面に存在する無機物・有機化合物の定性を行うことができ、1 nm程度の深さ方向の解析を行うことも可能です。フラグメントイオンピークから、有機化合物の構造解析を行うこともできます。
また、マッピングや3次元イメージ解析を行うことも可能で、数 μm～9 cm角程度の範囲の分析を行うことができます。
1 nm以上の深さ方向の解析を行いたい場合は、イオンスパッタリングを用いた表面エッジングによる解析を行うことも可能です。この場合、試料の表面は破壊されます。
　無機・有機固体試料の定性分析に効果を発揮する一方で、定量分析には向きません。

＜TOF-SIMSの原理＞

TOF-SIMSの装置は大きく1次イオンビーム発生源、試料チャンバー、飛行時間型質量分析計から構成されます。
1次イオンビームの発生には液体金属型イオン銃が用いられ、イオン源としてGa, Au, Biが主に用いられます。Gaは1量体、Au, Biは多量体を形成します。多量体イオンを1次イオン源として用いることで、高い質量をもつ分子の検出感度が向上します。
発生したイオンビームを高真空試料チャンバー内の試料表面に照射すると、試料の表面がイオン化され2次イオンが放出されます。放出された2次イオン（電荷が１の場合）の飛行時間はイオンの質量の平方根に比例するため、飛行時間の差を用いて質量分析を行うことが可能です。実際に発生する2次イオンはエネルギーと角度を持ち、同一質量でも飛行時間にズレを生じることがあるため、アナライザを用いて飛行時間を補正し、質量分解能を向上させることがあります。
深さ方向の分析をより深く行いたい場合にはスパッタ用のイオン銃を装着することが可能です。無機材料の場合は酸素やセシウムイオン、有機材料の場合はフラーレンやアルゴンクラスターイオンなど、材質や分析対象によって種々のスパッタイオン銃が用いられます。