Nükleer Reaksiyon Analizi Derinlik Profiling yoluyla Yüzey ve Arayüz Katmanlar ve Dökme Malzeme Hidrojen Konsantrasyonları miktar tayini

bir kirlilik olarak ya da malzemelerin çok çeşitli bir kurucu ve hidrojen kaynaklı etkileşim olayların zenginlik olarak hidrojen yaygınlığı birçok alanında önemli bir görev yüzeye yakın bölgede ve katıların gömülü arayüzleri hidrojen dağılımı ortaya yapmak mühendislik ve temel malzeme bilimi. Tanınmış bağlamlarda nükleer ve füzyon reaktörü mühendisliği, epitaksiyel büyüme imalat ve hydrogen hidrojen kaynaklı yüzey etkileri hidrojen enerji uygulamaları, yakıt hücresi, fotoğraf ve hidrojenasyon kataliz, hidrojen tutma ve kırılganlığını depolama ve arıtma malzemeleri hidrojen emilim çalışmalarını içermektedir yarı iletken cihaz teknolojisi ile ilgili elektrik güvenilirlik sorunları.

onun her yerde hazır olma ve basit atom yapısına rağmen, hidrojen kantitatif tespiti analitik zorluklar teşkil etmektedir. Hidrojen tek bir elektron, aksi takdirde çok yönlü element analys içerdiğindenelektron spektroskopisi tarafından etkisiz hale getirilir. Bu metalürjik füzyon termal desorpsiyon, kızılötesi emilme ya da NMR spektroskopisiyle kitle analitik optik veya nükleer rezonans teknikleri ile ortak olarak hidrojen algılama yöntemleri hidrojen derinliği konuma temel olarak duyarsızdır. Bu onların fiziksel ve kimyasal madde etkileşimleri önemli ölçüde farklılık yüzey adsorbe ve toplu absorbe hidrojen arasında ayrım, örneğin, engeller ve bunların ayrım dolayısıyla küçük hacimli ve geniş yüzey alanları oluşturan nano yapılı malzemelerin analizi için giderek daha önemli hale gelmektedir. ikincil iyon kütle spektroskopisi ile hidrojen profilleme, derinlik çözüme kantitatif H konsantrasyonları sağlamakla birlikte, metalürjik füzyon olarak analiz hedefe eşit yıkıcı ve sıçratma etkileri güvenilmez yüzeye yakın elde edilen derinlik bilgisini hale getirebilir.

dar nükleer reaksiyon analiziEnerji rezonans ¹ H (E _S) ⁽¹⁵ N, αγ) 6,385 MeV ^{1-3 12} Cı Reaksiyon, diğer taraftan, bir kaç sırasına yüksek derinliği çözünürlükte tahribatsız olarak hidrojen kantitatif avantajlarını bir araya yüzeye yakın nanometre. Yöntem 10 ^{13 cm-2} arasında sırayla bir hassasiyetle yüzey lH Kapsamlı belirler (~ tipik atom tek tabakalı yoğunluğunun% 1). Malzemelerin iç hidrojen konsantrasyonu ¹⁸ 10 birkaç cm ^-3 (en. Ppm ~ 100) ve yaklaşık 2 um bir sondalama derinliği aralığı bir saptama sınırı ile değerlendirilebilir. Yüzeye yakın derinlik çözünürlüğü rutin analiz hedef üzerine ¹⁵ N iyon ışınının yüzey normal insidansı 2-5 nm. yüzey otlatma sıklığı geometrileri ise, çözünürlük 1 nm altında değerlere daha fazla artabilir. Ref bakın. ayrıntılı bir hesap için 3.

Bu yetenekler ⁽¹ H kanıtlanmış <syukarı> 15 N, αγ) ¹² C NRA süreçleri ve malzemelerin ³ büyük bir çeşitlilik yüzeyler ve arayüzler hidrojen statik ve dinamik davranışını aydınlatmak için güçlü bir teknik olarak. 1976 yılında Lanford ⁴ tarafından kurulan ¹⁵ N NRA ilk nicel Kayrak malzemeler ve ince filmlerde ses H konsantrasyonlarını belirlemek için ağırlıklı olarak kullanıldı. Başka amaçlar arasında, ¹⁵ N NRA yoluyla elde mutlak hidrojen konsantrasyonları diğer doğrudan kantitatif, hidrojen algılama teknikleri ^5,6 kalibre için kullanılır olmuştur. Tabakalı ince film yapılarında iyi tanımlanmış arayüzler ile hedeflerde de ¹⁵ N NRA hidrojen profilleme ^7-10 tarif edilmiştir. Daha yakın bir zamanda, çok fazla ilerleme HAZIRLIK yüzey analitik ultra yüksek vakum (UHV) araçları ile ¹⁵ N NRA birleştirerek kimyasal temiz ve yapısal olarak iyi tanımlanmış hedeflerin yüzeye yakın bölgede hidrojen okuyan elde edilmiştire atomik H analizi ³ yerinde yüzeyleri kontrol edilir.

Tek kristal yüzeylerde hidrojen kapsama miktarının ederek, NRA birçok malzeme üzerinde hidrojen adsorpsiyon fazların mevcut mikroskobik anlaşılmasına önemli katkılarda bulunmuştur. ¹ H ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C NRA doğrudan sıfır ölçmek için ayrıca sadece deneysel bir tekniktir yani yüzey adsorbe H atomlarının ^11, titreşim enerjisini işaret, bu olay iyon ışınının yönünde emilmiş H atomlarının kuantum-mekanik titreşim hareketi ortaya çıkarabilir. Yüzey adsorbe ve toplu absorbe arasındaki nanometre ölçekli ayrımcılık yeteneği sayesinde H ¹⁵ N NRA, mineral hidrasyon kalma ¹² ile ilgili olarak ya da H yüzeyleri altında hidrür çekirdeklenme gözlemlemek için maddi yüzeyler aracılığıyla hidrojen girişine değerli bilgiler sağlayabilir ses emici metaller ^13-15. Yüksek Resolution ¹⁵ N NRA uygulamaları adlayers ¹⁶ alt tek tabaka kalınlığı varyasyonları tespit etmek ve yüzey çekilmiş Pd nanokristaller ¹⁷ hacim-absorbe hidrojen ayırt potansiyeli ortaya koymuştur. Termal yayılım spektroskopisi (TDS) kombinasyon _H2 termal yayılım özelliklerinin net kimlikleri ve adsorbe termal stabilitesi derinliği çözülmüş değerlendirme sağlar ve desorpsiyon ve difüzyon ^13,15,18 karşı hidrojen halleri emilir. Sayesinde tahribatsız doğa ve yüksek derinlik çözünürlüğü ^1H için ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C NRA da metal / metal ^19-22 ve metal hidrojen yakalama çalışmak için izin veren sağlam arayüzleri gömülü hidrojeni tespit etmek için ideal bir yöntemdir / yarı iletken arayüzleri ^16,23-25 ​​ve yığılmış ince film sistemleri ⁹ hidrojen difüzyon izlemek için. doğrudan görüntülenmesi hidrojen yeniden dağıtım fenomenlerinden tarafındanelektrikli cihaz bozulması ile ilgili SiO ₂ arayüzleri arasında / Si tabanlı metal oksit yarıiletken (MOS) yapılar, NRA cihaz güvenilirlik araştırması ²⁶ özellikle değerli katkılarda bulunmuştur.

NRA hidrojen saptama prensibi ¹⁵ N ¹ H arasındaki rezonant ^{1H (15} N, αγ) ¹² C nükleer reaksiyon başlatmak için en az E _res = 6,385 MeV ¹⁵ K iyon ışını ile analiz hedef ışın için malzeme. Bu reaksiyon numunesinin yakın bir parıldama detektörü ile ölçülür 4.43 MeV karakteristik γ-ışınları yayınlar. γ-verimi hedefin belirli bir derinliğe H konsantrasyonu ile orantılıdır. Olay ¹⁵ N iyonların sayısına göre bu sinyali normalleştirme γ-algılama sistemi, bilinen, H konsantrasyonu standart bir hedef ile kalibre edilmesinden sonra, mutlak lH yoğunluğu dönüştürür. ¹⁵ </sup> N hedef yüzeyinde hidrojen ile reaksiyona girebilen E _res de olayı iyonlar. Gömülü hidrojen konsantrasyonunun D _res üzerinde enerji (E _i) ¹⁵ N iyonları olay ölçülür. Hedef malzeme içinde, ¹⁵ N iyonları elektronik durdurma nedeniyle enerji kaybı yaşar. Bu etki ^{1H (15} N, αγ) ¹² C nükleer reaksiyon rezonans çok dar bir genişliğe sahiptir, çünkü yüksek derinlik çözünürlüğü sağlar (Lorentz genişliği parametresi Γ = 1.8 keV) ve 6.4 için malzemelerin durdurma gücü MeV ¹⁵ N aralıkları arasında / nm 1-4 keV, sadece birkaç atom tabakası ile ¹⁵ N iyonunun geçişi rezonans pencere dışında enerjisini kaydırmak için yeterli olacak şekilde. Böylece, rezonans reaksiyon E gömülü H algılar _i> bir sondalama derinliği d E _res = (E _i – E _res) S elektronik bir / S,analiz malzemenin ³ durdurma gücü.

Küçük artışlarla olay ¹⁵ N iyon enerjisini tararken γ-verim ölçerek, bir hedefin hidrojen yoğunluğu derinlemesine dağılımını içeren bir nükleer reaksiyon uyarma eğrisini elde eder. Bu uyarım eğrisi (γ-verim vs ¹⁵ N enerji), gerçek H derinlik dağılımı ağırlıklı olarak Gauss genişletilmesi ekler ve derinlik çözünürlüğü ³ ana sınırlamadır NRA enstrümantal fonksiyonu ile convolved edilir. (Yani, E _i = E _res at) Gauss genişliği nedeniyle hedef yüzeye karşı H atomlarının sıfır noktası titreşim bir Doppler etkisi hakimdir. ^11,27,28 gömülü hidrojen getiri eğrisi tespit yüzeyde E _i> E _res nedeniyle rasgele ¹⁵ N iyon enerji straggli ek bir Gauss genişleyen bileşeni tarafından etkilenirhedef içinde ng. Başıboş genişliği malzemesi ^29,30 iyon yörünge uzunluğu karekökü ile orantılı olarak artar ve baskın çözünürlük 10-20 nm derinliklere yukarıdaki kısıtlayıcı faktör haline gelir.

¹⁵ N NRA ile birkaç çok tipik hidrojen profilleme uygulamaları göstermek için, biz burada örnek olarak yüzey H kapsamı (1) kantitatif değerlendirme tanımlamak ve bir H ₂ maruz paladyum toplu emilen hidrojen konsantrasyonu (Pd) tek kristal, ve (2) SiO ₂ / Si (100) yığınlarının gömülü arayüzleri derinlik konumu ve hidrojen tabakası yoğunluklarının değerlendirilmesi. NRA ölçümleri MALT 5 derece istikrarlı ve iyi monokromatikleştirilmeyen (AE _i ≥ 2 keV) 6-13 MeV ¹⁵ N iyon demeti sunan Tokyo Üniversitesi, OG van-de-Graaf tandem hızlandırıcı ³¹ gerçekleştirilir. Yazarlar accelerat için bir bilgisayar kontrol sistemi geliştirmiştirveya hidrojen profilleme için otomatik enerji tarama ve veri toplama etkinleştirmek için. (1) Tek bir bizmut germanat ile UHV yüzey analiz sistemi (BGO Bi ₄ Ge ₃ O _12: Yukarıdaki H profil uygulamaları tarafından sunulan iki farklı NRA ölçüm görevleri yansıtan, MALT tesis uzman deneysel istasyonları ile iki iyon ışını çizgilerini sağlar hidrojen yüzey sigortaların NRA kantitatif adanmış) γ-sintilasyon dedektörü, sıfır noktası titreşim spektroskopisi için, ve TDS ile benzersiz bir kombinasyon atomik kontrollü tek kristal hedeflere H derinlik profili için; ve (2), iki BGO detektörleri ile donatılmış bir yüksek vakum odası düşük lH saptama sınırının ve daha hızlı veri toplama sağlayan, artan γ-algılama verimliliği için hedefe yakın bir yer. Bu kurulum hiçbir numune hazırlama imkanları vardır ama hedefleri daha yüksek verim dolayısıyla hızlı numune değişimi (~ 30 dk) için izin verir ve kendisi için iyi controlled yüzey tabakası gibi H gömülü arayüzleri de profilleme veya toplu H konsantrasyonlarının kantitatif olarak analitik görev, önemli bir parçası değildir. γ-ışınları önemsiz zayıflama ince odası duvarları nüfuz çünkü hem ışın hatlarında, BGO dedektörleri vakum sistemleri dışında rahatlıkla yerleştirilir.

BL-1E UHV sisteminde Şekil 1. NRA kurulumu. (A) için püskürtme iyon tabancası, düşük enerji elektron kırınımı (LEED) ve Auger elektron spektroskopisi (AES) ile donatılmış, BL-1E UHV sisteme şematik üstten görünüşüdür Yerinde Gözlem Yapma bir dört kutuplu kütle spektrometresi (KYS) ile atomik sipariş ve kimyasal temiz tek kristal yüzey hedeflerinin hazırlanması ve birleşik NRA ve TDS ölçümleri doğrusal bir çeviri aşamasında üzerine monte edilmiş. (B) Pd tek kristal numune t ekliO kriyojenik manipülatör tutucu örnek. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 1 (A), tam olarak atomik sipariş tek kristal yüzeylerinin in situ hazırlanması için donatılmış ve yüzey temizliğini sağlamak için bir taban basıncı <10 ^-8 Pa olan ışın hattı (BL) -1E, önceki UHV sistemini göstermektedir. Yüzey analitik araçlar örnek erişim sağlamak için, 4 "BGO sintilatör (hedefin arkasındaki 30 mm. Örnek hassas bir 4-eksenli düzenleme aşamasında monte edilir ~ ¹⁵ N iyon demetinin eksenine yerleştirilir X, Y, z, Θ) konumlandırma ve sıvı azot soğutmalı edilebileceği ~ 80 K veya sıkıştırılmış ile o kadar ~ 20 K. Şekil 1 (B) O sıkıştırma cryostat spot kaynaklı Ta destek telleri tarafından monte edilmiş bir Pd tek kristal hedef gösterir. kuvars sac tutucular sampl izole Kriyostat vücuttan elektriksel e tutucu plakası. Bu nicel NRA için gerekli olay ¹⁵ N iyon demeti akımı ölçüm sağlar ve numune tutucu ters tungsten filamandan elektron bombardımanı ısıtma sağlar. Tip K termokuple Noktası kaynaklı Pd numune kenarına etmektir. Numunenin yukarıdaki manipülatör ekseninde bağlı bir kuvars plaka 2 (A) Şekil. Iyon ışın profili ve örnek-ışın hizalama için izlenmesi için kullanılan saygı ile 90 ° düzenlenmiş iki adet 4 "BGO dedektörleri ile BL-2C de kurulum gösterir başka bir ışın ekseninin dışında 19.5 mm. numune tutucu daha kendi ön yüzüne ¹⁵ N kirişe (Şekil 2 (B)) hızlı numune değişimi için basit bir sıkıştırma mekanizması sağlar ve dikey ekseni etrafında örneğin dönüş sağlar ¹⁵ N insidans açısını ayarlamak için.

iles / ftp_upload / 53452 / 53452fig2.jpg "/>
BL-2C de Şekil 2. NRA kurulumu. (A) yakın hedef pozisyona iki BGO γ-dedektörleri ile donatılmış BL-2C yüksek vakum odasına şematik üstten görünüm. _SiO2 büyük bir çip hedefi ile (b) numune tutucu / Si (100) üzerinde sabitlenmiş. NRA analizi ¹⁵ N iyon ışını tarafından ışınlandı noktalar görüntüler sonra su buharı ile bu örnek türünü sisleme. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.