基于表面的多质量三维速度场成像技术

《The Journal of Physical Chemistry Letters》：Multimass Three-Dimensional Velocity Map Imaging from Surfaces

离子表面散射的三维速度分布测量与动力学分析

　　这篇研究探讨了一种利用三维速度映射离子成像（3D VMI）技术，用于分析表面散射实验中多种离子的速度分布。传统的速度映射离子成像（VMI）方法主要用于气体相中由激光诱导产生的离子速度分布测量，其核心在于通过特定的离子光学系统，将离子的速度信息映射到二维或三维图像上，从而获得更精确的速度信息。然而，对于表面反应和散射过程中的离子，由于时间分辨率的限制，传统方法往往只能获取部分信息。本文提出了一种改进的三维速度映射离子成像方法，结合高时间分辨率的探测器，使得能够直接测量多种离子的完整三维速度分布，从而更深入地理解表面散射过程中离子的形成机制。

在实验中，研究人员使用了一种有机染料薄膜，将其电喷雾沉积在载玻片上，该载玻片表面覆盖了氧化铟锡（ITO）材料。为了进行实验，他们对一种修改后的二次离子质谱（SIMS）仪器进行了调整，并结合TimePix3相机进行三维速度映射离子成像。这种方法的关键在于，将样品直接安装在离子光学系统的反冲板上，使离子在垂直于表面的方向上被提取，并通过调节反冲板、提取器和离子透镜的电压比例，可以灵活地在空间映射模式和速度映射模式之间切换。空间映射模式用于确定离子在表面的初始位置，而速度映射模式则用于测量其速度分布。

通过TimePix3相机，研究人员能够以1.56纳秒的时间分辨率记录离子的到达时间，这使得在时间飞行（TOF）坐标轴上获得更高的速度分辨率。在实验中，他们测量了多个金属离子（如Na?和K?）以及有机离子（如[Au-Cl?]?）的速度分布，并发现不同种类的离子表现出显著不同的行为。例如，金属离子的分布更加接近表面法线方向，呈现出较高的动量和较窄的角度分布，而有机离子则显示出更广的角度分布，表明其动量转移方式与金属离子不同。

这些结果对理解二次离子的形成机制具有重要意义。研究发现，当主离子束能量增加时，金属离子和有机离子的速度分布也发生了变化。金属离子的动量和动能随着主离子能量的增加而增加，但其速度分布的变化幅度相对较小，而有机离子则表现出更大的变化。这表明，有机离子的形成机制可能更依赖于表面的直接作用，而金属离子则可能受到更深层次的表面相互作用影响。此外，主离子束能量的增加还导致有机离子的角度分布变得更集中，这可能是由于主离子束的穿透深度增加，从而影响了有机离子的运动轨迹。

研究还提到，不同的离子形成机制可能影响其速度分布的特征。例如，金属离子可能主要通过线性碰撞级联机制形成，这种机制涉及多个碰撞过程，导致其具有较高的动能和较广的分布范围。而有机离子则可能更倾向于通过热蒸发机制形成，这种机制通常发生在表面附近，导致其速度分布更集中。研究还指出，随着主离子能量的增加，有机离子的动量和动能也随之增加，这可能反映了更高效的能量传递过程。

实验中所采用的TimePix3相机具有较高的时间分辨率和空间分辨率，使得能够准确捕捉到离子的速度和角度信息。此外，研究还讨论了实验设置中的其他因素，如离子光学系统的调整、样品的制备方法以及离子轨迹的模拟。这些因素共同作用，使得研究人员能够获得更精确的离子速度分布数据，并进一步分析其形成过程。

总的来说，这项研究展示了三维速度映射离子成像技术在表面散射实验中的应用潜力。通过这种技术，研究人员能够直接测量多种离子的完整三维速度分布，从而更全面地理解表面反应和离子形成机制。此外，该方法还可以应用于其他表面光引发过程，如激光解吸附离子化（LDI）和基质辅助激光解吸附离子化（MALDI），只要这些过程能够产生脉冲式的离子信号，就可以进行时间飞行质谱分析。这一研究为未来表面动力学的研究提供了新的工具和方法，有助于揭示更复杂的离子形成机制和表面相互作用过程。