"氬簇離子團 (Ar1000,2500+) 能量密度與 Ar+ 共濺射對有機金屬框架薄膜二次離子質譜縱深分析之影響"

Abstract

"有機金屬框架 (Metal-Organic-Framework, MOF) 基於其高比表面積、結構中可調控的孔洞大小與官能基團，使其成為功能性極強的孔洞材料、被廣泛應用。而倘若能對客體分子於MOF結構間的擴散、空間分佈等相互關係有更進一步地認識，將有助於其於各領域中的應用與發展。不過，如今能夠直接分析客體—MOF複合結構內成份分佈的分析方法卻極為缺少。 二次離子質譜儀 (Secondary Ion Mass Spectroscopy, SIMS) 具有足夠的空間解析度與極高的偵測靈敏度(至少達ppm等級)，是全面性地提供樣品成份與分佈之相關資訊的絕佳工具。然而，以其進行縱深分析時，高劑量離子入射將導致分析物結構損傷進而使分子訊號強度下降，且對於有機—無機成份混雜的MOFs來說，入射離子造成的影響將更為複雜。因此，本研究旨在透過不同離子束、加速電壓、電流等參數的調整，設計出一系列實驗參數對MOF縱深分析結果進行探討，企圖找出能完整保留MOF結構中有機與無機成份訊號的實驗參數，以為MOFs建立一個直接、完整且有效的縱深分析方式，作為往後這類材料的分析方針。 本研究以化性穩定且發展成熟之UiO-66作為建構MOF薄膜縱深分析的平台，利用飛行時間式二次離子質譜儀 (ToF- SIMS) 以脈衝C60+ 作為分析離子源、不同能量密度 (energy per atom, E/n = 2~20) 的氬簇離子團 (Ar-GCIB) 搭配相異加速電壓或電流密度之Ar+ 做為共濺射離子源進行縱深分析的探討。研究結果顯示，單純使用 Ar-GCIB時，隨著E/n降低，入射離子對樣品造成的損傷累積較少，UiO-66結構中有機成份的保留程度較為理想，不過因Ar-GCIB對無機成份的濺射率遠低於移除有機成份的速率，故出現明顯差異侵蝕的現象，最終樣品表面剩下大量無法移除的無機成份，導致縱深分析無法向下建構。而當配合Ar+ 進行共濺射時，能量較強的單原子離子確實有助於提高金屬節點的濺射率；其中，以使用高電壓高電流 (500 V, 5 ×10-6 A/cm2) 的 Ar +共濺射之結果最為理想，不但大幅提升整體材料移除速率，亦有效清除表面破壞之化學結構，維持MOF成份的均勻，最小化偽影現象。 總的來說，良好的MOF縱深分析需利用共濺射的方式，以低能量Ar-GCIB (E/n=4) 保留有機成份訊號，並由高電壓—高電流的 Ar + 提高無機成份的濺射率，兩者各司其職，以於有限時間內替MOF樣品建構出真實而完整的成份分佈。"