【摘要】 D.Dowsett团队创新研发氦离子显微镜-SIMS联用技术，实现钛酸锂与氧化镁纳米粒子的10nm级双模成像。解析二次电子成像与元素质谱分析的技术原理、实验数据及在新能源材料表征中的应用价值。

随着纳米科技的快速发展，氦离子显微镜（HIM）与二次离子质谱（SIMS）的协同应用正在开创纳米分析新纪元。近期D.Dowsett团队在《Analytical Chemistry》发表的创新性研究（图1），通过双模成像技术实现了钛酸锂（LTO）与氧化镁（MgO）纳米粒子的精准鉴别，为纳米材料表征提供了突破性解决方案。

 

技术原理与设备创新

研究采用自主研制的双聚焦磁扇形质谱仪，结合气场离子源产生的氦/氖双束流系统。氦离子束可实现0.5nm超高分辨率成像，而氖离子束在快速扫描20nm以上结构时展现独特优势。这种双束流设计使得：

图1. 在InP晶圆上的LTO/MgO纳米颗粒混合物的模拟图像。[1]

  • 二次电子成像（SE）捕获纳米形貌
  • SIMS分析获取元素分布
  • 10nm级空间分辨率突破传统质谱极限

 

实验数据与发现

研究团队对混合纳米粒子样本进行原位分析时发现：

1.双模图像融合：SE图像清晰显示20nm级粒子结构，SIMS则通过24Mg+信号精确定位氧化镁分布

2.材料鉴别突破：即便在复合团簇中，仍能识别钛酸锂（Li信号）与氧化镁（Mg信号）的分布规律

3.​动态监测能力：通过对比多次成像数据，成功捕捉到氦离子束溅射效应对粒子的影响

 

应用价值与注意事项

该技术为新能源材料（如锂离子电池正极材料）、催化材料等领域提供：

  • 成分-结构关联分析
  • 纳米级缺陷检测
  • 表面反应过程追踪
    需注意：
  • 氦束流强度需根据检测模式调整
  • SIMS扫描次数需控制在3次以内以保证图像相关性
  • 样品制备需确保表面清洁度

图2. 在InP晶片上共同配准了LTO和MgO纳米颗粒混合物的SIMS和SE图像。[1]

研究证实，通过优化扫描参数，可在保持样品完整性的同时获得最高质量的双模数据。这种联用技术将材料表征精度推进到单纳米粒子级别，为纳米制造工艺优化提供关键支撑。

 

参考文献：[1] D. Dowsett, T. Wirtz, Co-Registered In Situ Secondary Electron and Mass Spectral Imaging on the Helium Ion Microscope Demonstrated Using Lithium Titanate and Magnesium Oxide Nanoparticles, Analytical Chemistry, 89 (2017) 8957-8965.

 

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