Primary ion fluence dependence in time-of-flight SIMS of a self-assembled monolayer of octadecylphosphonic acid molecules on mica discussion of static limit

Abstract

By using a self-assembled monolayer of octadecylphosphonic acid molecules, CH 3 (CH 2 ) 17 PO(OH) 2 , on mica as a model of the "soft" materials, such as self-assembled monolayers (SAMs) and multilayers in many biological systems as well as artificially engineered molecular electronic systems, we have examined the effects of primary ion fluence on time-of-flight secondary ion mass spectrometry (TOF-SIMS) of the technologically important model. Our measurements clearly show that although the intensity per unit primary ion fluence of most atomic ions and many small fragment ions do not vary by more than 10% for the fluence range of 10 10 -10 13 cm -2 , the intensity of the parent molecular ion can drop by two orders of magnitude in this fluence range. While the changes are different for the primary ion beams of Bi 3 + (25 keV, 45°), Bi + (25 keV, 45°), and Ar + (8 keV, 45°), they are all substantial, with the damage cross section induced by the Bi 3 + beam being the largest (6 000 Å 2 ). Since different secondary ions have quite different intensity changes, the analytical results derived from TOF-SIMS can vary significantly by the time and duration of the measurements in the TOF-SIMS experiment. Therefore, our results suggest that for TOF-SIMS of molecular layers such as SAMs, the primary ion fluence condition should be recorded and reported. In general, the validity of the static condition becomes questionable when the cumulative primary ion fluence exceeds 1 × 10 11 cm -2 .Résumé : En prenant une monocouche autoassemblée de molécules d'acide octadécylphosphonique, CH 3 (CH 2 ) 17 PO(OH) 2 , sur du mica comme modèle des matériaux souples, tels les monocouches autoassemblées (MAA) et les multicouches qu'on retrouve dans plusieurs systèmes biologiques ainsi que les systèmes électroniques moléculai-res mis en place artificiellement, on a examiné les effets de la fluence ionique primaire sur la spectrométrie de masse de l'ion secondaire en temps de vol (SMIS-TDV) du modèle technologiquement important. Nos mesures montrent clairement que, même si l'intensité par unité de fluence de l'ion primaire de la plupart des ions atomiques et que plusieurs petits ions fragments ne varient pas plus de 10% pour la plage de fluence allant de 10 10 à 10 13 cm -2 , l'intensité de l'ion moléculaire parent peut diminuer par deux ordres de grandeur dans cette plage de fluence. Même si les changements diffèrent avec les divers faisceaux des ions primaires du Bi 3 + (25 keV, 45°), Bi + (25 keV, 45°) et Ar + (8 keV, 45°), ils sont toutefois toujours importants et la section droite du dommage induit par le faisceau de Bi 3 + est le plus important (6 000 Å 2 ). En se basant sur le fait que les changements dans les intensités varient d'une façon importante avec la nature des ions secondaires, les résultats analytiques obtenus à l'aide de la spectrométrie de masse de l'ion secondaire en temps de vol peuvent donc varier d'une façon significative avec le temps et la durée des mesures faites de cette façon. Les résultats obtenus suggèrent donc que...