b"\n_START_ARTICLE_\nSpettrometria di massa di ioni secondari\n_START_PARAGRAPH_\nLa spettrometria di massa di ioni secondari, indicata comunemente con l'acronimo SIMS, dall'inglese secondary ion mass spectrometry \xc3\xa8 una tecnica di spettrometria di massa utilizzata per la caratterizzazione di superfici. Consiste nel bombardare il campione con un fascio di ioni (detti ioni primari) ed analizzare gli ioni prodotti dal bombardamento (ioni secondari). La tecnica SIMS garantisce un'altissima sensibilit\xc3\xa0 nel rilevare sostanze presenti in traccia (ppm-ppb) e un'eccellente risoluzione in profondit\xc3\xa0 (3\xc3\xb710 nm).\n_START_SECTION_\nStoria\n_START_PARAGRAPH_\nLe origini della spettrometria SIMS risalgono all'inizio del XX secolo, con gli esperimenti di sir Joseph John Thomson sugli effetti degli ioni positivi su superfici metalliche e la costruzione del primo spettrometro di massa (1912). Il primo strumento di analisi SIMS venne realizzato negli anni sessanta per conto della NASA, al fine di analizzare la distribuzione spaziale e isotopica di tutti gli elementi dall'idrogeno all'uranio delle rocce lunari che erano state riportate sulla Terra. La tecnica SIMS si \xc3\xa8 poi evoluta ed \xc3\xa8 attualmente una tecnica standard assai diffusa nel campo dell'industria dei semiconduttori, in particolare per la caratterizzazione di giunzioni e impiantazioni ioniche. Pi\xc3\xb9 recentemente la spettrometria di ioni secondari (specialmente il cosiddetto SIMS-statico) si \xc3\xa8 affermata in svariati campi: dell'analisi geochimica e cosmochimica all'archeologia e all'investigazione giudiziaria.\n_START_SECTION_\nMicroscope e microprobe mode\n_START_PARAGRAPH_\nIl metodo di lavoro del SIMS statico si chiama microscope mode, cio\xc3\xa8 modo da microscopio. Le analisi puntuali, come quelle fatte nel SIMS dinamico, invece, sono fatte in microprobe mode cio\xc3\xa8 come una microsonda.\n_START_SECTION_\nIl processo SIMS\n_START_PARAGRAPH_\nNella tecnica SIMS il campione viene posto in una camera ad alto vuoto (10\xe2\x81\xbb\xe2\x81\xb5\xc3\xb710\xe2\x81\xbb\xe2\x81\xb9 Pa) e bombardato con un fascio di ioni primari a media energia (1\xc3\xb7100 keV). Il bombardamento provoca l'emissione di materiale (atomi, molecole, ioni molecolari, ecc.) dalla superficie del campione (processo di erosione o sputtering). La gran parte del materiale emesso \xc3\xa8 elettricamente neutro; una piccola frazione (circa l'1%) \xc3\xa8 invece ionizzata, positivamente o negativamente: le particelle emesse con carica elettrica sono dette ioni secondari.  Gli ioni secondari sono emessi solo dagli strati superficiali del campione (1\xc3\xb710\xc2\xa0nm di profondit\xc3\xa0). Gli ioni secondari sono successivamente analizzati da uno spettrometro di massa; gli ioni della massa selezionata vengono raccolti da un rivelatore. L'output del rivelatore \xc3\xa8 inviato ad un computer, che pu\xc3\xb2 mostrare i dati sotto forma di profili di profondit\xc3\xa0 della composizione chimica del campione, mappe elementali della superficie del campione, spettri di massa.\n_START_SECTION_\nSistema da vuoto\n_START_PARAGRAPH_\nSpesso nella descrizione delle tecniche SIMS e dell'apparato di misura si trascura o sottintende il fatto che tutte le operazioni avvengono in condizioni di vuoto spinto (10\xe2\x81\xbb\xe2\x81\xb5\xc3\xb710\xe2\x81\xbb\xe2\x81\xb9 Pa). Tali condizioni sono necessarie per due motivi: prima di tutto, nell'analisi SIMS, gli ioni secondari devono viaggiare per diversi centimetri senza subire deviazioni a causa degli urti con molecole dell'ambiente; in secondo luogo, poich\xc3\xa9 la spettrometria SIMS \xc3\xa8 una tecnica di superficie molto sensibile, si deve evitare l'adsorbimento di molecole ambientali da parte del campione._NEWLINE_Oltre ad una pompa meccanica per il raggiungimento del vuoto primario, si utilizzano generalmente una o pi\xc3\xb9 pompe turbomolecolari (a seconda delle dimensioni dell'apparecchio). Nel SIMS dinamico non sono necessarie condizioni di vuoto estremo, poich\xc3\xa9 la corrente di ioni secondari \xc3\xa8 relativamente intensa e quindi la presenza di gas residui influisce in modo minore. Nel SIMS statico invece \xc3\xa8 necessario un vuoto migliore di qualche ordine di grandezza e dunque il sistema da vuoto \xc3\xa8 spesso pi\xc3\xb9 articolato._NEWLINE_Le pompe sono collocate nei punti dove la condizione di vuoto spinto \xc3\xa8 pi\xc3\xb9 cruciale: in prossimit\xc3\xa0 della sorgente del fascio primario, per garantirne la purezza e stabilit\xc3\xa0, vicino al campione da analizzare, per ridurre le eventuali contaminazioni introdotte dal/sul campione e in prossimit\xc3\xa0 dei rivelatori, per abbattere la corrente di buio._NEWLINE_All'interno della camera da vuoto sono in genere presenti un vacuometro a termocoppia (misura del vuoto primario) e un vacuometro a ionizzazione (misura del vuoto spinto) per il monitoraggio delle condizioni di lavoro.\n_START_SECTION_\nSorgenti ioniche\n_START_PARAGRAPH_\nMentre in origine si utilizzavano fasci primari formati da ioni di gas nobili (tipicamente Ar\xe2\x81\xba), oggi si preferisce utilizzare ioni O\xe2\x81\xbb, O\xc2\xb2\xe2\x81\xba e Cs\xe2\x81\xba (o Ga\xe2\x81\xba) poich\xc3\xa9 questi garantiscono una migliore efficienza del processo di ionizzazione._NEWLINE_Le pi\xc3\xb9 diffuse sorgenti di plasma sono: duoplasmatron, catodo cavo, bombardamento elettronico (di solito con filamenti di W o Ir) e uso di radiofrequenze._NEWLINE_La sorgente tipica per gli ioni O \xc3\xa8 il duoplasmatron. Al suo interno viene creato un plasma di ioni O\xe2\x81\xbb e O\xc2\xb2\xe2\x81\xba, che vengono estratti tramite l'applicazione di un campo elettrico. A seconda della polarit\xc3\xa0 del campo di estrazione \xc3\xa8 quindi possibile produrre un fascio primario negativo o positivo. Il duoplasmatron pu\xc3\xb2 funzionare, almeno virtualmente, con qualsiasi tipo di gas._NEWLINE_La sorgente ionica a metallo liquido \xc3\xa8 utilizzata per la produzione di ioni Ga\xe2\x81\xba. Questo tipo di sorgente garantisce le migliori prestazioni in fatto di luminosit\xc3\xa0 e collimazione del fascio primario. \xc3\x88 composta da un ago di tungsteno di 10 \xc2\xb5m di diametro immerso parzialmente in un bagno di metallo liquido; il metallo bagna l'ago e risale per capillarit\xc3\xa0. Vicino alla punta dell'ago si trova un elettrodo di estrazione: a causa del potenziale elettrostatico e delle forze di tensione superficiale, si forma un cono di Taylor sulla punta dell'ago. Se il campo elettrico \xc3\xa8 sufficientemente intenso si ha emissione di ioni positivi dalla punta del cono. La sorgente \xc3\xa8 esposta a contaminazione da parte dei gas residui della camera e alla formazione di irregolarit\xc3\xa0 sul cono (probabilmente dovute a ossidazione)._NEWLINE_La sorgente a ionizzazione superficiale \xc3\xa8 la pi\xc3\xb9 diffusa sorgente di ioni Cs\xe2\x81\xba. Gli ioni sono prodotti dalla vaporizzazione del cesio attraverso un setto poroso di tungsteno (effetto termoionico).\n_START_SECTION_\nColonna primaria\n_START_PARAGRAPH_\nGli spettrometri SIMS montano in genere almeno due sorgenti di ioni primari di natura diversa, tipicamente un duoplasmatron e una sorgente termoionica a Cs o una pistola a metallo liquido (Ga). Il fascio primario attraversa innanzitutto un settore magnetico che agisce da filtro di massa, eliminando le eventuali impurit\xc3\xa0, e dirige il fascio verso le lenti elettrostatiche di condensazione e focalizzazione, che controllano l'intensit\xc3\xa0 e la dimensione del fascio primario._NEWLINE_In prossimit\xc3\xa0 del campione si trovano i deflettori elettrostatici, che consentono di muovere il fascio primario sul campione ed eventualmente di effettuare una scansione nel caso si voglia acquisire una mappa elementale della superficie. Il processo di scansione permette di distribuire uniformemente l'intensit\xc3\xa0 del fascio su un'ampia zona del campione, garantendo la formazione di crateri di erosione pi\xc3\xb9 omogenei.\n_START_SECTION_\nColonna secondaria\n_START_PARAGRAPH_\nIl sistema di raccolta degli ioni secondari \xc3\xa8 composto essenzialmente da due parti: innanzitutto un intenso campo di estrazione riduce la dispersione degli ioni secondari, dovuta alla loro distribuzione angolare ed energetica iniziale, e seleziona la polarit\xc3\xa0 degli ioni che raggiungeranno lo spettrometro. Quindi una sezione di accoppiamento consente un compromesso tra l'emittanza del fascio secondario e l'accettanza angolare dello spettrometro._NEWLINE_La prima lente, detta lente di immersione, raccoglie gli ioni secondari e li convoglia verso la lente di trasferimento che li focalizza verso l'ingresso dello spettrometro di massa. I deflettori di emittanza dinamica lavorano in modo sincrono con i deflettori del fascio primario e consentono di allineare verso lo spettrometro gli ioni secondari a mano a mano che il fascio primario effettua la scansione del campione. All'ingresso dello spettrometro un diaframma di contrasto esclude dall'analisi gli ioni con traiettorie troppo inclinate, riducendo cos\xc3\xac le aberrazioni (ma anche la trasmissivit\xc3\xa0 dello strumento).\n_START_SECTION_\nSelettore energetico\n_START_PARAGRAPH_\nIl fascio secondario viene poi monocromatizzato, selezionando gli ioni di opportuna energia cinetica tramite un settore elettrostatico, un apparecchio che deflette gli ioni proporzionalmente alla loro energia cinetica. Il settore elettrostatico \xc3\xa8 composto da due settori sferici posti ad una differenza di potenziale che \xc3\xa8 generalmente un decimo del voltaggio di estrazione (10V-1000V)._NEWLINE_All'interno del settore elettrostatico si ha equilibrio tra la forza centripeta e la forza elettrostatica: (mv\xc2\xb2/r = qE). Per un dato campo elettrico E, il raggio di curvatura r dipende dall'energia cinetica K della particella: r = mv\xc2\xb2/qE = K\xe2\x88\x992/qE. Una slitta mobile con una fenditura consente di selezionare solo gli ioni deviati con un determinato raggio di curvatura, ovvero di una certa energia cinetica prestabilita. Grazie alla sfericit\xc3\xa0 del selettore, il trasferimento dell'immagine dal campione ai successivi apparati avviene con una distorsione minima. Inoltre, a causa della curvatura, tutti i prodotti di erosione elettricamente neutri non riescono a superare il settore elettrostatico e sono impediti dall'entrare nel selettore di massa._NEWLINE_L'acromaticit\xc3\xa0 della separazione di massa \xc3\xa8 ottenuta accoppiando il settore elettrostatico con quello magnetico attraverso una lente che focalizza il fascio in uscita dal selettore di energia cinetica nel punto acromatico del settore magnetico.\n_START_SECTION_\nRivelatori\n_START_PARAGRAPH_\nAttraversato lo spettrometro, il fascio attraversa una serie di lenti di proiezione, che si attivano quando si desidera acquisire un mappa elementale diretta del un campione focalizzando il fascio secondario sul rivelatore a microchannel plate. In modalit\xc3\xa0 standard, gli ioni secondari sono invece deviati da un settore elettrostatico verso i rivelatori: un elettromoltiplicatore o un pozzo di Faraday. Il settore elettrostatico funge anche da filtro per le particelle neutre che si sono generate per l'urto di uno ione secondario contro le pareti e che contribuirebbero ad aumentare il rumore dei rivelatori. L'elettromoltiplicatore \xc3\xa8 il dispositivo pi\xc3\xb9 sensibile: quando il fascio di secondari \xc3\xa8 troppo intenso, il pozzo di Faraday viene spostato automaticamente davanti ad esso in modo da raccogliere e misurare la corrente ionica._NEWLINE_Gli elettromoltiplicatori pi\xc3\xb9 precisi (e costosi) sono quelli a dinodi, tuttavia le prestazioni del channel electron multiplier e il minor costo lo rendono un'alternativa spesso utilizzata negli apparecchi SIMS. Il channel electron multiplier \xc3\xa8 costituito da un cono rivestito di materiale semiconduttore. I capi del channel electron multiplier sono mantenuti ad un'elevata differenza di potenziale (l'ingresso \xc3\xa8 a terra per permettere la raccolta di ioni di entrambe le polarit\xc3\xa0); gli ioni secondari incidenti sulle pareti del channel electron multiplier provocano l'emissione di elettroni, che viene amplificata per effetto cascata. L'amplificazione del channel electron multiplier \xc3\xa8 elevata (10\xe2\x81\xb8): per ogni ione incidente si genera alla fine del cono una scarica elettrica, che viene registrata dal sistema di conteggio. Il segnale di buio dei channel electron multiplier \xc3\xa8 molto basso (circa un conteggio al secondo) e il tempo di desaturazione \xc3\xa8 di circa 10\xe2\x81\xbb\xe2\x81\xb6 s. Le prestazioni dei channel electron multiplier decrescono nel tempo e sono fortemente compromesse da utilizzo in regime di saturazione._NEWLINE_I rivelatori ionici per la generazione di immagini dirette sono in genere composti da una serie di piccoli channel electron multiplier disposti lungo un piano. I microchannel plate utilizzati negli strumenti SIMS hanno un diametro di circa 2000 canali e ciascun canale \xc3\xa8 largo circa 10\xc2\xa0\xc2\xb5m e lungo 400\xc2\xa0\xc2\xb5m. Il diametro complessivo del rivelatore \xc3\xa8 di circa 25\xc2\xa0mm. Per ottenere un guadagno di 106 si accoppiano due microchannel plates, disposti uno sopra l'altro. Collegando l'uscita dei microchannel plate ad uno schermo si ottiene facilmente un'immagine in tempo reale della composizione chimica del campione."