Analisis filem nipis organik [Aplikasi MALDI]

Spektrometer Jisim: JMS-S3000 "SpiralTOF™"

JMS-S3000 "SpiralTOF™" (Rajah 2a) ialah spektrometer jisim masa penerbangan MALDI (TOFMS) yang mempunyai trajektori ion lingkaran yang dibuat oleh empat sektor elektrostatik (Rajah 2b). Jumlah panjang laluan penerbangan ion untuk SpiralTOF™ ialah 17 m (lima kali lebih lama daripada TOFMS konvensional) sekali gus membolehkannya mencapai resolusi jisim tertinggi yang tersedia secara komersial untuk sistem TOFMS MALDI. Selain itu, gangguan daripada latar belakang kimia dikurangkan dengan menghapuskan ion pereputan pasca sumber dalam sektor elektrostatik. Ciri-ciri ini adalah kelebihan untuk mengesan komponen kecil pada permukaan sampel yang tercemar.

Rajah.1 Prinsip Ag SALDI.

Rajah.2 a) JMS-S3000 "SpiralTOF™" dan b) lintasan ion lingkaran.

Spektroskopi Fotoelektron X-ray: JPS-9030

JPS-9030 ialah sistem XPS yang boleh digunakan untuk menganalisis komposisi unsur dan keadaan ikatan kimia permukaan sampel (Rajah 3). Sinar-X disinari ke dalam permukaan sampel untuk menghasilkan fotoelektron daripada analit permukaan yang berbeza (Rajah 4). Pemprofilan kedalaman komposisi unsur dan keadaan ikatan kimia adalah mungkin apabila XPS dan GCIB digabungkan. Baru-baru ini, teknik ini telah digunakan untuk sampel organik yang mudah rosak dengan menggunakan ion kelompok gas untuk etsa ion.

Rajah.3 JPS-9030 Spektrometer fotoelektron sinar-X.

Rajah.4 Prinsip Spektroskopi foto-elektron sinar-X.

Penyediaan Contoh: Filem Dua Lapisan

Rajah 5. Gambar rajah filem nipis dua lapis

Filem nipis dua lapisan dibuat menggunakan IRGANOX 1010 (C₇₃H₁₀₈O₁₂) dan IRGANOX 3114 (C₄₈H₆₉N₃O₆). Pertama, lapisan IRGANOX 150 ketebalan 3114 nm telah didepositkan pada wafer Si. Seterusnya, IRGANOX 1010 didepositkan pada separuh daripada filem IRGANOX 3114 pada ketebalan 10, 50 atau 100 nm. Filem dua lapisan IRGANOX 1010/3114 ini dirujuk sebagai Wilayah 1, manakala wilayah IRGANOX 3114 sahaja dirujuk sebagai Wilayah 2 (Rajah 5). Perak telah didepositkan ke Wilayah 1 dan 2 pada ketebalan 10 nm. Selepas itu, FE SEM JSM-7610F (Rajah 6a) digunakan untuk melihat zarah nano perak pada permukaan sampel. Voltan pecutan 5 kV digunakan untuk memerhati imej elektron sekunder (Rajah 6b). Kawasan kelabu berbentuk pulau dalam imej SEM ialah zarah nano perak sebenar. Imej ini menunjukkan bahawa zarah nano telah diedarkan secara seragam ke permukaan sampel. Perlu diingatkan bahawa medan pandangan untuk imej SEM adalah jauh lebih kecil daripada diameter laser (20 μm) yang digunakan semasa Ag SALDI-MSI.

IRGANOX ialah tanda dagangan berdaftar atau tanda dagangan BASF SE.

Rajah 6. a) JSM-7610F dan b) imej SEM bagi Ag-NP yang dimendapkan pada permukaan sampel.

Syarat Pengukuran

Pemprofilan kedalaman IRGANOX 1010/3114 dilakukan menggunakan SALDI-MSI dan XPS dengan GCIB. Syarat pengukuran disenaraikan di bawah. Semasa pengukuran XPS, spektrum diperoleh untuk setiap 10 nm dari permukaan IRGANOX ke wafer Si dengan mengetsa dengan rasuk ion kelompok Ar.

Jadual 1. Keadaan pengukuran SALDI-MSI dan XPS

Keputusan dan perbincangan

1. Ag SALDI-MSI

Keputusan Ag SALDI-MSI untuk lapisan 10, 50 dan 100 nm IRGANOX 1010 ditunjukkan dalam Rajah 7 ac. Ini ialah imej jisim untuk [M+Ag]⁺ daripada IRGANOX 1010 dan IRGANOX 3114. Setiap sempadan filem nipis untuk Wilayah 1 dan 2 ditunjukkan dalam imej jisim IRGANOX 1010 sebagai hijau (dicerap) dan hitam (tidak diperhatikan). Profil garis untuk Ag SALDI-MSI diukur sepanjang garis putus-putus merah dalam Rajah 7a, dan hasilnya ditunjukkan dalam Rajah 7d. Keamatan ion relatif untuk profil talian telah dinormalkan dengan purata keamatan IRGANOX 3114 di Wilayah 2. Keamatan untuk lapisan bawah IRGANOX 3114 berkurangan apabila lapisan atas IRGANOX 1010 meningkat dalam ketebalan. Akhirnya, ion tidak dikesan di bawah lapisan 100 nm IRGANOX 1010. Oleh itu, kedalaman probing untuk pengukuran Ag SALDI-MSI ialah 50-100 nm, yang lebih dalam daripada XPS boleh menganalisis tanpa GCIB. Dalam bahagian seterusnya, XPS telah digabungkan dengan GCIB untuk mengukur profil kedalaman rantau IRGANOX 1010(50nm)/3114.

Rajah 7. Imej jisim untuk ion tambah perak ([M+Ag]⁺) untuk IRGANOX 1010/3114 yang diperoleh menggunakan Ag-NP SALDI-MSI (ac). Profil garisan ion tambah perak IRGANOX 3114 juga ditunjukkan(d).

2．Pemprofilan Kedalaman Menggunakan XPS dan GCIB

Rajah 8. Pemprofilan kedalaman untuk 1010(50 nm)/3114
(150 nm) menggunakan XPS dengan GCIB.

XPS telah digabungkan dengan GCIB untuk menentukan profil kedalaman IRGANOX 1010(50nm)/3114(150nm). Variasi kepekatan atom untuk karbon, nitrogen, oksigen, dan silikon ditunjukkan dalam Rajah 8. Kepekatan atom silikon digunakan untuk memantau penyingkiran lengkap lapisan organik oleh pengetsaan ion gugusan Ar, yang mengambil masa kira-kira empat minit (lihat Rajah 8). Kepekatan atom nitrogen, digunakan untuk membezakan IRGANOX 3114 (mengandungi nitrogen) daripada IRGANOX 1010 (tiada nitrogen). Gabungan XPS dan GCIB digunakan untuk pemprofilan kedalaman pada kenaikan 10 nm sambil memantau perbezaan dalam nisbah komposisi unsur untuk lapisan sasaran.
Resolusi kedalaman 10 nm ini memberikan kelebihan berbanding Ag SALDI-MSI, yang hanya boleh mendapatkan maklumat purata pada kedalaman 50 nm untuk lapisan organik, seperti yang diterangkan sebelum ini. Sebaliknya, jika nisbah komposisi unsur untuk setiap lapisan menunjukkan perbezaan yang minimum, maka adalah penting untuk menganalisis permukaan dengan Ag SALDI-MSI untuk mengenal pasti molekul sebenar yang terdapat pada/di permukaan.

Kesimpulan

• Ag SALDI-MSI dan XPS/GCIB digunakan untuk melihat filem nipis dua lapisan IRGANOX 1010 pada IRGANOX 3114.
• Lapisan nanopartikel perak 10-nm telah didepositkan pada filem nipis untuk pengukuran Ag SALDI-MSI.
• Kedalaman penyelidikan untuk Ag SALDI-MSI ditentukan antara 50-100 nm.
• Kedalaman probing untuk XPS digabungkan dengan GCIB ditentukan sebagai 10 nm.

Penghargaan

Kami ingin mengucapkan terima kasih kepada Prof. Matsuo dan Dr. Fujii di Universiti Kyoto kerana menyediakan filem nipis dua lapisan.