Summary
Biz 1 H uygulanmasını göstermektedir (15 N, αγ) sayısal ses, yüzeyin üzerindeki hidrojen atomlarının yoğunluğunu değerlendirmek ve katı maddelerin bir ara yüzey katmanında 12 C rezonans nükleer reaksiyon analizi (NRA). 2 / Si (100) yığınlar bir Pd (110) tek kristal ve SiO yüzeye yakın hidrojen derinlik profilleme tarif edilmektedir.
Abstract
Rezonans 1 H yoluyla nükleer reaksiyon analizi (NRA) (15 N, αγ) 12 C reaksiyon nicel ve olmayan yıkıcı arayüzleri de yüzeylerde hidrojen yoğunluğu dağılımı, ortaya derinlik profilleme son derece etkili bir yöntemdir ve hacminin yüksek derinlik çözünürlüğü ile katı maddeler. Teknikte elektrostatik hızlandırıcı sağladığı 6,385 MeV 15 K iyon demeti olup, özellikle de yaklaşık 2 um, hedef yüzeyden kadar derinliklerinde 1H izotopu tespit eder. Yüzey lH Kapsamlı ~ 10 ila 13 cm için bir hassasiyetle ölçülür -2 (~ 1 tipik bir atom tek tabakalı yoğunluğunun%) ~ 10 ila 18 cm arasında bir saptama sınırı ve H hacim konsantrasyonu 3 (° 'de 100. Ppm ). Yüzeye yakın derinlik çözünürlüğü hedef üzerine yüzey normal 15 N iyon insidansı 2-5 nm ve ADOP tarafından çok düz hedefler için 1 nm altında değerlere gelişmiş olabilirting bir yüzey otlatma sıklığı geometrisi. yöntem, çok yönlü ve hali hazırda düz bir yüzey (gözenekler) ile herhangi bir yüksek vakum uyumlu homojen malzemeye uygulanır. Elektriği ileten hedefler genellikle ihmal edilebilir bozulma ile iyon demeti ışınlama tahammül. Hidrojen kantitatif ve doğru derinlemesine analiz temel kompozisyon (yanında hidrojen) ve hedef malzemenin kütle yoğunluğunun bilgi gerektirir. Özellikle yerinde bir hedef hazırlanması ve karakterizasyonu, 1 saat süre ile ultra yüksek vakum yöntemleri ile kombinasyon halinde (15 N, αγ) 12 C NRA ideal atomik kontrol yüzeyleri ve nano yapılı arayüzleri hidrojen analizi için uygundur. Bu örnek olarak burada (1) elde edildi yüzey kaplama ve Pd maruz kalan bir H2 yüzeye yakın bölgede hidrojen toplu konsantrasyonunu ölçmek için Tokyo Üniversitesi MALT Tandem gaz tesisinde 15 N NRA uygulanmasını göstermektedir(110), tek kristal ve (2) Si (100) üzerinde ince SİO2 filmlerin arayüzleri yakınındaki hidrojen derinliği konumu ve katman yoğunluğu belirlemek için.
Introduction
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
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 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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Deney 1. Planlama
- Ölçüm görevi (yüzey hidrojen, toplu ya da arayüzey hidrojen BL-2C BL-1E) bağlı faiz MALT hızlandırıcı demet hattı belirleyin. NRA ölçümleri ve bunların gerekli hazırlıkların detaylarını görüşmek için yardımcı bilim adamı (şu anda MW veya KF) başvurun.
- Bir ışın süresi başvuru formu indirin ve MALT web sitesinde 31 Son başvuru tarihini gözlemlemek.
Not: MALT tesis her Mart ve Eylül aylarında yaz için (Nisan-Eylül) ve kış (Ekim-Mart) buçuk yıl terimleri, sırasıyla yeni proje önerilerini davet ediyor. - ışın süresi teklifi yazma ve MALT web sitesinde anlatılan şekilde gönderin.
- MALT web 31 olarak açıkladı teklifin onaylanmasından sonra, önümüzdeki yarım yıllık bir dönem için ışın zaman çizelgesini onaylayın. Güvenlik eğitim dönemi başında yeni kullanıcılar için gereklidir.
- Adva kiriş kez hazırlanmasınce. (Gerekirse) örnek kurulumu için ve özellikle UHV in-situ yüzey hazırlığı için, malzemelerin taşınması için gerekli olan deney tüm ayrıntıları ve zaman göz önünde bulundurun. NRA ölçümü için hazır hedef numune ışın süresi başlamadan önce.
BL-1E de NRA Ölçümler için 2. Hazırlık (UHV)
Not: Temiz araçlar da dahil olmak vakum kullanılması amaçlanan aletleri ve malzemeleri, tutarken daima eldiven giyin.
- UHV içine tek kristal örnek takın (1 (B Şekil bakınız)).
- 3.5 spot-kaynakçı gücünü ayarlamak. temiz, düz olmayan iletken çalışma yüzeyine tek kristal örneği yerleştirin ve nokta kaynak tantal iki 4 cm uzunluğunda parçalar (Ta) tel (0,3 mm çap.) paralel kenarları örnek.
- punta noktalarında cımbız veya pense ile bükme güçleri mücadele ederken yavaşça viraj teller kristal kenar şekline çevresine uyacak şekilde. her iki tarafında yaklaşık 1 cm uzunluğunda üzerinde birKristal kenarında tel çifti pply 2-4 ek nokta kaynak noktaları.
- Viraj kablo çalışma yüzeyine paralel yatay bir düzlemde kristal merkezinden uzak noktasına sona erer. numune tutucu Ta plaka üzerine destek telleri ile örnek (0.3 mm kalınlığında) yerleştirin. arka filaman ısıtıcı üzerinde delik kapağı ve spot kaynak dört destek teli plaka üzerine biter tarafından numune konumunu düzeltmek için örnek hizalayın. Mümkünse, örnek doğru kablo ucundan hareket her tel ucunda birden fazla kaynak noktasına uygulanır.
- tutucu plaka kenarından dışarı ayakta herhangi aşırı tel uzunluğu kesip. minimuma nokta-kaynakçı gücünü ayarlamak ve nokta-kaynak pense ile bir darbe bırakın boş kapattı. Noktası kaynak K tipi kristal numunesinin üst kenarına (kromelalümel) Termokupl (0.2 mm çap).
- (B Filament numune vs: kriyostat başında elektrik besleme oluğu kişiler arasında dirençleri ölçerek montaj numunenin uygun bağlantı onaylamakIAS iletişim tel>) tutucu plakasını örnek bağlı 20 MQ; zemin vs Filament (kriyostat gövde)> 20 M?; Filament kabloları (0.3 mm çap W.) <3 Ω; Termokupl açar: ~ 16 Ω; zemin vs Termokupl> 20 M?; Numune ~ 20 Ê vs Termokupl ve ~ 8 Ω (tel malzeme, krom veya Alumel bağlı olarak).
- örnek ve ışın profili monitör (kuvars plaka) merkezleri arasındaki mesafe dikkat edin.
- UHV manipülatör kafasına bakır contasını değiştirin ve özenle monte edilmiş numune ile Kriyostat yerleştirin. flanş cıvataları sıkın ve yardımcı bilim adamı talimatları izleyerek UHV sistemini boşaltın.
- Isıtıcı bantlar ve alüminyum folyo takarak dışarı fırında için UHV odasını hazırlayın. En az 30 dakika ve bir basınç <2 × 10 -4 Pa için tüm turbo moleküler pompa normal çalışmasını sağlayın. 24 saat UHV sistemini fırında odası ısıtıcılar açın.
- 1 × 10 -5 Pa altında iyon göstergesi okuma onaylayın. Pişirme ısıtıcı kapatıns. odası hala sıcakken Yeniden buharlaşmayan, gaz giderici (negatif), 30 dakika boyunca 400-450 ° C'de, iç ısıtıcı elemanı ile pompa.
- kamara serin 3-4 saat sonra tabanca ve LEED optik iyon KYS elektronik ve elektrik kablolarını yeniden bağlayın edelim. KYS, iyon tabancası ve LEED Degas filamentleri. Tam (12-24 saat içinde) oda sıcaklığına soğutulduktan sonra, bu odacık taban basıncı <1 x 10 -8 Pa teyit edin.
- UHV tek kristal yüzey hazırlama (bakınız Şekil 1 (A)).
- manipülatör x, y, z-aşamasına odası merkezinde pozisyon örnek ve görünüm ve iyon tabancası (gaz doz ayarlayıcının bakan) arasındaki yüzey hizalamak için döndürün. iyon tabancası güç kaynağı açın ve 20 mA 'Emisyon' kontrolünü ayarlayın. görünüm sayesinde numune bak ve parlayan iyon tabancası filamanın ayna görüntüsü örnek yüzeyinde görünür böylece örnek rotasyon açısını ince ayarlayın.
- iyon tabancası po üzerinde 'Işın enerjisi' Set800 eV tedarik wer. Yakın NEG pompa kapısı odası altındaki vana ve değişken kaçak kapaktan UHV odasına 6 × 10 -3 Pa Ar gazı tanıtmak. 2 uA etrafında (numuneden yere dijital test) bir püskürtme iyon akımını onaylamak ve oda sıcaklığında 10 dakika süreyle yüzey sputter.
- manipülatör kriostada sıvı azot ekleyin. manipülatör başında, iplik ısıtıcı termokupl Geçmeli güç kaynağı ve dijital test (20 mV aralığında) yol açar bağlayın. filament topraklayın.
- önyargı gerilim güç kaynağına örnek teması bağlayın. 1 kV örnek önyargı uygulayın. Dijital testi ile bir sonraki adımda (2.2.5) termokupl gerilim (örnek sıcaklığı) izlerken de tavlama, oksidasyon ve flash ısıtma için 6.6 A kadar filaman ısıtıcı akımlarını kullanın.
DİKKAT: Örnek önyargılı ise dijital test ya da manipülatör kafasına dokunmayın ASLA (ölümcül elektrik şoku riski!). - basınç sağlanması, 10 dakika boyunca 1000 K UHV içerisinde yeniden örnekleme2 × 10 -7 Pa altında kalır. , 5 dakika boyunca 5.0 × 10 -5 Pa O 2 750 K oksidasyona sonra 5.0 × 10 -5 Pa H 2 oda sıcaklığında (RT) azaltır. UHV 600 K nihai yanıp sönen gerçekleştirin.
- LEED desen gözlemlemek ve 2.2.2 (püskürtme) ve 2.2.3 için Adımları 2.2.1 tekrarlayın. Düşük arka plan sonuçlarının (Şekil 3) ve hiçbir yabancı madde üzerinde parlak noktalar ile net (1 × 1) yapısına kadar 2.2.5 (tavlama / oksidasyon / Düşürülmesi H2) için Auger elektron spektroskopisi 32 kalır. tekrar püskürtme / tavlama döngülerinde sadece 2-3 dakika boyunca Püskürtme.
- (isteğe bağlı) (1.33 x 10 -4 Pa = 1 L), 90 K soğumasına ve H2 gazı birkaç Langmuirs (L) ortaya çıkarmak için manipülatör kriyostat sıvı azot ekleyin. Bir TDS ölçümü yapın ve nihayet H 2 termal yayılım spektrum literatür verileri 15 ile uyumlu olduğunu doğrulayın.
Not: hazırlıklar gerekliNRA ışın zaman önceden şimdi tamamlandı. temiz bir yüzey hedefi şimdi 2-3 dakika püskürtme döngüleri ile 2.2.6 ile adımları 2.2.1 yineleyerek ~ 2-3 saat içinde rutin hazırlanabilir.
BL-1E UHV sisteminde Şekil temizlenmiş Pd 3. LEED deseni (223 eV) (110) yüzey. Düşük arka plan üzerinde parlak kırılma noktalar ile net (1 × 1) desen bir atomik iyi sıralı yüzey yapısını belirtir. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
- Tek kristal hedefe 15 N iyon ışını aynı hizaya getirin.
- 1E UHV odasının at, oda merkezinde pozisyon örnek ve 15 N iyonu yüz çevirin (x = 25, y KYS ön açıklığı yüksekliğine gözle z ayarlamak, 26 =)kiriş hattı. Adım 2.1.5 ölçülen numune monitör mesafeye göre numune tutucu düşürerek NRA ölçüm pozisyonuna kuvars plaka ışın profili monitörü (Şekil 1 (B)) getirin. hızlandırıcı kontrol odasında TV monitörüne kuvars plaka üzerinde ışın profil görüntüsünü iletmek için manipülatör aşağıdaki pencere flanş üzerinde dijital kamera ayarlayın.
- manipülatör başında örnek ve kontrol odasındaki dijital akım entegratörü sinyal hattını bağlamak için diğer tüm elektrik temas çıkarın. 8500 V. Açık UHV odası ve bükme mıknatıs BM04 arasında BL-1E üç manuel sürgülü vanalar BL-1E üzerinde elektrostatik saptırıcı gerilimi ayarlayın.
- yardımcı bilim adamı gelen talimatları kontrol odasında gaz kontrol sistemi ile aşina olmak için edinmeniz.
Not: (örneğin ışın erke ve yön belirleyici mıknatıs alanları ve odaklama mercekleri) Hızlandırıcı parametreleri merkezi kontrol panelindeki atanabilir çevirir ile ayarlanır. Işın hat vanaları ve Faraday bardak vardıruzaktan / açıldı fare tıklaması ve pnömatik kumanda tarafından kapatıldı. - Kontrol odasında, 'İşlet' için 'Stand by' modunda geçerli entegratörü geçin. Geçerli göstergeye entegratörü analog çıkışını bağlayın. Hızlandırıcı kontrol panelinde, 5535 Gauss (Parametre: NMR03) bir enerji analizörü mıknatıs alanına yarık geri modunda hızlandırıcı ile 15 N iyon demeti enerjisini ayarlamak ve iyon ışını doğrudan ~ -6,033.4 Gauss mıknatıs alanı (Parametre HPB04) eğilme maç 1E UHV odasında hedef üzerine. Manyetik kuadrupol mercek parametreleri xcc için (MQ04) = 4.64 A ve YCC = 5.15 A yaklaşık ışını odaklamak için ayarlayın.
- Kontrol odasında, hızlandırıcı ve kiriş hattı 1E arasındaki açık iki şiberler. Açık Faraday fincan (FC) FC04 ve TV monitöründe hedef odasındaki kuvars plaka üzerinde iyon ışın profili gözlemleyin. Ince ayar BM04 ve MQ04 parametre ayarları profil monitör plakasının merkezinde iyi odaklanmış iyon demeti elde etmek. Örnek manipulat kuvars monitörün z-konumunu ayarlayınveya gerekirse.
- Kapat Faraday fincan FC04 ve örnek monitör mesafeye göre yeniden numune z konumunu yukarı kaldırın. NMR03 / HPB04 / MQ04 (XCC, YCC) parametreleri not alın ve mevcut ışın zaman (NNN, üç haneli bir sayı) için yeni bir MagparNNN.xls dosyası olarak kaydedebilirsiniz.
Not: Bu başvuru NMR03 / HPB04 girişi dayanarak, MagparNNN.xls enerji analiz (BM03) ve yön-anahtarlama (BM04) için uygun bir manyetik alan parametrelerini hesaplayan bir 15 N sırasında hedef iyon ışını konumunu korumak için gerekli mıknatıslar enerji taraması.
BL-2C de NRA ölçüm 3. Hazırlık
- kiriş hattına manipülatör transferi çubuk, sabitleme vidası ile güvenli yüksekliğe ve yakın gate vana içine kiriş hat pozisyonundan önceden kullanılan bir örnek yukarı kaldırın.
- manipülatör KF flanş bağlantı elektrik Geçmeli ve döner pompa hattında örnek akım hattını ayırın. gate vana flanş gelen manipülatör ayırın. transfer borusunun dışarı hazırlık masa ve slayt örnek tutucu üzerine manipülatör yerleştirin. yatay numuneyi yerleştirmek için manipülatör eksenini çevirin.
- Numune kelepçe iki M2 kapak vidasını (Şekil 2 (B)) gevşetin ve eski hedefi çıkarın. Yeni örnek Set manipülatör eksenine paralel hizalamak ve kelepçe vidalarını sıkın. aktarma borusu ve tespit vidası ile güvenli pozisyona örnek geri çekin.
- gate vana üzerindeki bakır contasını değiştirin ve ışın hattı üzerinde manipülatör yeniden yükleyin. manipülatör Döner pompa hattını takın. turbo moleküler pompa (TMP) döner pompa hattına yakın valf.
- manipülatör döner pompa hattı vanasını açın ve döner taban basıncı geri 10-15 dakika transfer tüpü tahliye. Yakın manipülatör pompa hattı vanaları ve TMP döner pompa hattı açık vana. Yavaşça manipülatör için vanayı açın ve 2-3 × 10 -3 Pa geri 20-30 dakika süreyle tahliye.
- Alt kiriş hat pozisyonuna örnek ve yüzey hayır hizalamaBL-2C kamera ve yakındaki TV monitörü yardımıyla olay ışın yönüne ışın profili monitörü (cam plaka) ve rmal. Sonra kontrol odasında TV monitörüne BL-2C kamera sinyal hattı bağlayın. NRA odası ve bükme mıknatıs BM04 arasında BL-2C açık iki pnömatik olarak çalıştırılan vanalar.
- Numune manipülatör elektrik Geçmeli ve dijital akım entegratörü (kontrol odası) arasında örnek akım sinyali hattı bağlayın. hızlandırıcı kontrol odasında, mevcut monitöre 'İşlet' için mod 'Stand by' ve bağlamak entegratörü analog çıkış akım entegratörü geçin.
- Kabaca bükme mıknatıs alanını (Parametre HPB04) ayarlayarak BL-2C hedef 15 N iyon ışını hizalamak için ~ 0.6 Gauss (Polarite: Pozitif), xcc = 4.64 A ve YCC = 5.15 A manyetik kuadrupol objektif MQ04 parametreleri ve kuadrupol mercek MQ-2C yaklaşık ışını odaklamak için A = 3.3 A ve B = 3.6 A parametreler.
- İnce ayar HPB04 / MQ04 (XCC, YCC) / MQ-2C (A, B) parametreleri ışın aktarımını optimize etmek içiniyon (engelsiz geçiş hedef) ve ışın hedef profili (kullanım ışın profili izler BPM-1C ve BPM-2C ve BL-2C kamera görüntüsü) ve en iyi ayarları not alın.
BL-1E de 4. NRA Ölçümü
- 600 K Flash ısı Pd örnek herhangi bir adsorbe kirletici yüzeyi boşaltmak için. Filament ısıtıcı (~ 3.6 A) ve çalışan O sıkıştırma kriyostat (veya sıvı azot soğutma) ile 145 K örnek sıcaklığını stabilize.
- Yakın vanalar hızlandırıcı ve NEG pompasına ve numune 2.000 LH 2 80 K 145 K Let numune serin (2.66 × 10 -3 Pa 100 sn ×) ortaya çıkarmak ve 1 × 10 -6 Pa H 2 arka plan basıncını ayarlamak için .
- Kontrol odasında, enerji taraması (tipik NMR03 = 5,525 Gauss) için istediğiniz başlangıç değerine BM03 15 N iyon ışını enerjisini ayarlamak ve MagparNNN.xls tabloya göre BM04 ayarlayın.
- hızlandırıcı contro üzerinde NRA veri toplama yazılımı (NRAmain.vi) yükleyinBL-2C de l PC. Seç derinlik profil rutin 'AutoScanLinuxUHVfb3.vi'. AutoScanLinuxUHVfb3.vi olarak, itme kontrol PC yazılımı mevcut mıknatıs parametre ayarlarını aktarmak için 'mevcut değerleri okuyun.'
- Geçerli sayısallaştırıcı 'İşlet' ayarlı olduğundan, örnek akım sinyal hattı bağlı olduğunu, BL-1E tüm vanalarının açık olduğundan tekrar emin olun ve ideal olarak 15 ± 5 nA 15 N ışın FC04 kullanılabilir olduğunu.
- , Stat BAŞLAT Set seçeneği 'Gvm Force TVC' DUR ve (sırasıyla tipik 5525 Gauss, 5600 Gauss ve 1 Gauss) enerji tarama için BM03 parametresinin ADIM değerleri ve çevirin. 15 N 2+ bir ~ 15 nA kiriş için 50 sn 'Edinim zamanı' parametresini ayarlayın.
- Bir derinlik profilinin otomatik satın başlatmak için AutoScanLinuxUHVfb3.vi konsolunda 'Yürütme' oku tıklatın (DUR = 5.600 Gauss için Pd ~ 35 nm derinliği kadar). Taramanın sonunda (ya da daha önceki bir termin içintirme), veri dosyasını kapatmak için 'Dur ölçümü tıklayın.
- Geçerli sayısallaştırıcıyı Switch mod 'Stand by' örnek manipülatör Geçmeli örnek geçerli satır ayırmak ve UHV odasının önce BL-1E son vanayı kapatın.
- Değişken sızıntı valfini kapatarak arka plan H 2 gaz dozajını durdurun. UHV odası altta NEG vanayı açın. (İsteğe bağlı: numunenin bir H 2 TDS spektrumunu alın.)
- (Isteğe bağlı) Ek NRA ölçümlerde, Adım 4.2 talimat ve tekrar 4,9 ile 4.3 adımlar olarak H 2 yeniden maruz Pd (110) yüzey için.
BL-2C 5. NRA ölçüm
- Kontrol odasında, (yüzeydeki profilleme başlatmak için genellikle NMR03 = 5,525 Gauss) enerji tarama için istenen BAŞLANGIÇ değerine BM03 15 N iyon demeti enerjisi ayarlayın.
- BL-2C hızlandırıcı kontrol PC'de NRA veri toplama yazılımı (NRAmain.vi) yükleyin. Seç derinlik profilleme rutin'AutoScanLinux11.vi'. Adım 5.1 ayarlanan BM03 değerine BAŞLAT eşleşen otomatik enerji taraması (START, DUR, STEP), istenilen BM03 parametrelerini girin. Mevcut SiO2 / Si numuneler için, 50 sn 'Edinim zamanı' set.
- Geçerli sayısallaştırıcı 'İşlet' ayarlı olduğundan, örnek akım sinyal hattı bağlı olduğunu, BL-2C tüm vanalarının açık olduğundan tekrar emin olun ve bu 15 N 2+ 50-100 nA ışın FC04 mevcuttur.
- BM03 parametresinin DUR değerde otomatik olarak sona erer bir derinlik profili elde etmek için 'AutoScanLinux11.vi' in 'Yürütme' oku tıklatın. Taramanın sonunda (ya da daha önceki fesih için), veri dosyasını kapatmak için 'Dur ölçümü tıklayın.
6. Veri Analizi
- Kopya * edinme PC / home / csadmin / DataTaking / BTNNN içinde .nra ham veri dosyaları bir USB bellek çubuğu ve tr üzerine (NNN mevcut ışın zaman sayısıdır)veri analizi PC ansfer.
- NRA veri analizi ve açık ameliyat "NRA-Linux-2C-v3.ipf 'için ev inşa yazılım paketi başlatın. prosedürleri NRA-Analiz-2C-v4.ipf, LinuxAddOn-3-v3.ipf ve Menü-NRA.ipf elde etmek ve onları Igor Kullanıcı rutinleri içeren veri klasörüne kopyalayın.
- prosedürleri Derleme ve görünen 'NRA' menüsünden 'Yük NRA verilerini' seçeneğini seçin. Seç veri dosyası Bölümler 4 veya 5 yaş altı ölçülen ve görünen pop-up iletişim 'Devam' düğmesini tıklayın.
Not: Yazılımın ölçülen verilerden iki grafik çıktıları oluşturur: uyarma eğrisi (Geçmiş- karşılık 'ham veri' (ham γ-sayar NMR03 mıknatıs alanına karşı (GRS) veri toplama sırasında görüntülenen gibi), ve 'NRA spektrum' çıkarıldı ve olay şarj normalize γ-verim (I norm) vs 15 N iyon enerjisi). - 'NRA' menüsünden 'Doğru örnek Güncel okumalar seçin ve' Recalc seçinortalama ISC / IFar oranından ulate ISC (bütün dalga) (örneğin, örnek önyargı o / w) ortalama FC04 kirişe başvurulan gerçek boyutta (uc), mevcut sayısallaştırıcı okuma iyon ışını şarj rescale açılır menüden seçeneği ' tüm veri seti mevcut okumalar. 'NRA spektrum' grafikten 'Inorm_by_Faraday' iz silin.
Not: bu normalleştirme daha iyi aslında FC04 akımından daha isabet 15 N iyon şarj yansıtır çünkü entegre olay şarj (Faraday akıma normalleşme üzerinden) tercih edilir ölçekli. İkincisi sadece bir kez Faraday fincan açılmadan önce ölçülür (hedef üzerine ışını teslim etmek) ve bu nedenle her zaman her veri noktası için toplama zamanında belli bir dereceye kadar meydana gelen ışın akımı dalgalanmaları hesaba katmaz. Geçerli sayısallaştırıcı okuma nedeniyle ikincil el gerçek olay iyon demeti şarj overestimates çünkü örnek şarj rescaling gereklihedeften emisyon ECTRON. - E res karşılık gelen NMR03 değeri ( 'ham veri' arsa yüzey rezonans tepe maksimum pozisyon) belirler. 5535 Gauss yazılım varsayılan değerinden farklı ise 'NRA' menüsünden 'NMR, enerji ve derinlik ölçeği' rutin seçerek (aynı zamanda Durdurma gücü değeri gerekirse), giriş düzeltin.
- (Cps) düzeltme gerekli hale gelmiştir arka plan oranı için (1 bir düzeltme faktörü girerek, arka plan değeri revize sonra ham (GRS) verilerinden normalize γ-verim yeniden hesaplamak için öncelikle 'Doğru Faraday Diğer Kaynaklar' işlevini kullanırsanız FC04 akımı). Sonra da FC04 Faraday düzgün ölçekli ilişkin revize arka plan ile şarj normalize γ-verim yeniden hesaplamak için (6.4 Adım) tekrar 'Doğru örnek akım okumaları' işlevini çalıştırın.
- Evrişmiş hidro görüntülemek için üst eksen olarak derinlik vs arsa şarj normalize γ-verimgen derinlik dağılımı (Şekil 4).
- 'NRA' menüsünden ilgili işlevi kullanarak grafiğe hata çubuklarını ekleyin. Mümkün olduğunda, şarj normalleştirme tercih ederim.
Not: Sayma istatistikleri hata NRA γ-verim Δ I tanımlamak, I = GRS - Arkaplan, ölçülen ham sayımların hata yayılır belirsizlikler aracılığıyla,
ve arka plan, 
dolayısıyla olarak hesaplar: 
. Derinlik profili grafikleri (Şekil 4 ve 5) olan Δ I norm = Δ I / olay iyon demeti şarj hata çubukları. - (isteğe bağlı) uygun bir model fonksiyonları 3 verilerin uyum analizi yapın.
ve arka plan, 
dolayısıyla olarak hesaplar: 
. Derinlik profili grafikleri (Şekil 4 ve 5) olan Δ I norm = Δ I / olay iyon demeti şarj hata çubukları. Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Şekil 4, yüzeye yakın H2 NRA H profilleri 1.33 x 10 -6 Pa H2 arka basınç altında Pd 90 K bir numunesi sıcaklığında BL-1E UHV sisteminde ölçülmüştür (110) -exposed. 15 N iyon insidansı enerji Pd (S = 3.90 keV / nm) durdurma gücünü kullanarak derinlik sondalama haline getirilmiştir. Açık sembolü profili Pd dökme 15 hidrojenin emilmesini teşvik etmek 145 K 2.000 LH 2 Pd (110) bir numunesi, önceden maruz sonra elde edildi. Bu profil E res = 6,385 MeV ve tüm profilli derinlik bölge üzerinde uzanan geniş bir γ-verim yaylasında bir zirve ayrılacak olabilir. Plato bölgesi Pd toplu içine hidrojen emme yerini almıştır kanıtlıyor oysa E res, hedef yüzeyde H karşılık gelen tepe. Yüzey zirve yaklaşık Gauss bir şekle sahiptir. Bu daha iyi göstermek için, 
burada σ Gauss genişliğine parametredir. Gauss pik alanında: 
ve bir Kapton (C 22 H 10 O 5 N 2) n kesin olarak bilinen H konsantrasyonu folyo standardına (c toplu <kalibre BL-1E kurulum γ-ışını algılama verimliliği (/ sub> = 2.28 × 10 22 cm -3) ve durdurma gücü S = 1,2879 keV / nm) α = 7.56 × 10 -13 [(cts / uc) keV cm 2], bir mutlak H yoğunluğunu belirler (N ler) H 2 N s = I S / α = 1.42 × 10 15 cm -2 olarak Pd (110) singe kristal -exposed. 9.35 x 10 ila 14 cm arasında, Pd (110) yüzeyi üzerinde Pd atomu yoğunluğuna göre -2 Bu Literatürde verilen değer (1.5 mL) 15 ile çok iyi bir uyum içinde, 1.52 ± 0.13 mL (mono tabakaları) içindeki bir lH içerisinde karşılık gelir, 33,34.
Şekil 4, aynı zamanda yüzeye yakın bölgede NRA H profilinin derinlik çözünürlüğü yaklaşık 2-3 nm (≈FWHM / S) yüzey rezonans pik genişliği ile sınırlı olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, bu tür noktadan noktaya γ-verim varyasyon olarak H profilinde herhangi ani özellikleriBu tür yüzey tepe genişliği ve ilave enerji genişletilmesi 3 başıboş nedeniyle 15 N iyon tarafından bulaşmış olacaktır, çünkü yaklaşık 16 nm derinlik aslında dik H konsantrasyon değişimlerini mevcut karşılık olamaz görüldü s. Bu nedenle, H profil plato bölgesinde (5 22 nm derinliğe kadar) γ-verim olukları BGO arka plan sayımı oranı dalgalanmaları yansıtan (ayrı arka plan ölçümleri gibi rasgele dalgalanmalar meydana geldiğini teyit) ve derinliği fiziksel bilgi içermiyor Pd-emilen hidrojen dağılımı. İkinci dağıtım lH difüzyon 3,13,15 hızlı (hatta 145 K birkaç 100 nm / sn) olduğu homojen bir kristal, oldukça düz olması beklenmektedir. Bu durumda, 145 K 2.000 LH 2'ye maruz kaldıktan sonra Pd kristalin yüzeye yakın bölgede toplu emilen hidrojen yaklaşık olarak sabit konsantrasyonuna bir sigmoid functio Şekil 4'te yayla verilere uyan değerlendirilebilirGauss yüzey zirve 3 aynı genişlikte E res onun yarım yüksekliğine yükselir n. Bu analiz I 15.4 ± 1.3 cts / MCU için ambalajsız plato yüksekliğini belirler. Pd durdurma gücü S = 3.9 keV / nm ile, bir nedenle toplu c olarak H toplu konsantrasyonu elde = I (ikincisi S / α = 7.94 × 10 20 cm -3 veya toplu Pd atom yoğunluğu% 1.2 topluca denklem de ben Kapton standardı 3) 'de toplu olarak ölçülen sonra a'yı kalibre etmek için kullanılır. Bu toplu lH konsantrasyonu (bu sıcaklıkta H / yaklaşık 0.65 Pd oranı) Pd hidrit ince dağıtılmış taneler 2,000 L (2.66 x 10 olan pozlama sırasında Pd kristalin yüzeye yakın bölgede çekirdekli olduğunu gösterir - Pd seyreltilmiş katı çözelti fazında H çözünürlüğü H / P daha azına tekabül çünkü 3 Pa, 145 K 100 sn) H 2 ×d = 5 × 10 bu sıcaklıkta -4 ve H 2 basıncı.
Şekil 5 görüntüler SiO 2 bir dizi 15 N NRA derinlik profilleri / onlar BL-2C ölçülebilir olarak Si (100) dizer. SiO 2 film, 19.0 30.0 ve nm 35 41,5'inin kalınlıkları vardı. E Res yüzey bir hidrojen tepe yanı sıra, tüm profiller oksit film içindeki lH dağılımı, görünüşe göre homojen olmadığına işaret, daha büyük bir derinliğe ikinci bir zirve göstermektedir. SiO2 film kalınlığının artan daha büyük bir derinliğe kadar bu ikinci pik kaymaların konumu. Optik olarak kararlı SiO2 film kalınlığı, her panel (i) 'de dikey bir kesikli çizgi ile gösterilen - (III). Dikkat edilirse NRA profil zirvelerinden merkezi konumları, ilgili SiO 2 / Si arayüzleri üzerinde ~ 4 nm ofset küçük ile yer aldığını ortaya koymaktadır. Bu hidrojen Akü eğiliminde olduğu kanıtlarMulate tam olarak, ancak bir bölgede arayüz önüne oksit birkaç nanometre fazla olmamak. Bu tuhaf H yerelleştirme davranışı zorlanma ve alt-oksit 36 ile ilgili kusurları çok sayıda hidrojen türlerinin 37 için tercihli bağlanma siteleri sağlayan yakın arayüz SiO 2 yapısı, atfedilmektedir. Kristalin Si amorf SiO 2 ani geçiş ~ 2 faktörü ile bir Si atomundaki yoğunluğunun azalmasından gergin ara yüzey bölgesi ile sonuçlanır. Kantitatif değerlendirme için, ilgili yüzeyi ve neredeyse ara yüzey tepe Şekil 5'te olduğu gibi bir katı çizgiler gösterilmiştir Gauss fonksiyonu monte edilmiştir. Pd yüzey lH tepe noktası için, yukarıda tarif edilen bir için bir analiz eşdeğer (100) ortaya yakın arayüzey olduğu SiO 2 / Si oksit bölgeleri (100) Film yığınlarının (1,0-1,3) × 10 14 cm -2 bir H tabakasının yoğunluğu içeriyordu.
1.33 × 10 -6 Pa H2 arka plan altında BL-1E UHV sisteminde elde edilen Pd Şekil 4. Yakın yüzey NRA H profilleri (110) Açık sembolleri:. 145 K, NRA de 2.000 LH 2 Ön maruz H 2 ön doz olmadan 170 K ölçülen iki profil: 90 K. Dolgulu gri ve siyah sembolleri ölçülen. Hata çubuğu hesaplama için prosedür Adım 6.8 Not bakın. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
BL-2C sisteminde ölçülen Si üç SİO2 filmin Şekil 5. NRA lH profili (100). Th NRA lH-profillerREE SiO: (i) 19.0 nm, (II) 30,0 nm, ve (iii) 41,5 nm kalınlıkta olan Si (100) 2 filmler. SiO2 / Si (100) arabirimi pozisyonları kesik dikey çizgiler ile gösterilir. Bu rakam Ref adapte edilmiştir. 35 AIP izni ile. Hata çubuğu hesaplama için prosedür Adım 6.8 Not bakın. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Şekil 4 Pd (110) BL-1E UHV sisteminde tek kristalin örneğe verimli ayrım ve yüzeye adsorbe 15 N NRA yoluyla toplu absorbe hidrojen kantitatif göstermektedir. Üç profil yüzey H tepe yüksek tekrarlanabilirliği in-situ UHV numune hazırlama güvenilirliği ve NRA ölçümü tahribatsız doğa kanıtlıyor. ayrıca beklenen atom doyma yoğunluğu ile belirlenen H kapsama kantitatif anlaşma NRA ölçüm doğruluğunu göstermektedir. Şekil 4'te yakın H 2 NRA profilleri arasında karşılaştırma önceden maruz Pd (110) (açık semboller) ve Pd sadece yüzey hidrojen iki uyarım eğrileri (110) (gri ve siyah semboller) gösteriyor ki yüzey zirve asimetrik üstteki ~ 5 nm toplu emilen hidrojen plato doğru eski H profil kuyrukları. Potansiyel olmayan UNIFOR Böyle ince detayyakından yüzeyden m hidrojen dağılımları sadece NRA yoluyla ortaya çıkabilmektedir. Sığ altı bölgesinde benzer lH birikimi, diğer metaller (Pt, Ti) 11,14 gözlenmiştir. Yeraltı bölgede bu özel H davranışının kökeni halen netleşmediği ancak düzgün genişletilmiş toplu metaller aksine Nanomalzemelerin 17 tuhaf hidrojen emme özelliklerinin anlaşılması açısından bilimsel olarak ilginç olduğu.
Birkaç kritik parametreler gibi Şekil 4'te gibi yüksek kaliteli veri elde etmek için Protokolde dikkat edilmelidir. H 2 arka plan basınç Adım 4.2 (1 × 10 -6 Pa) tanıtıldı olan kasıtlı bir seçim gibi H stabilize etmek olarak bir yandan H2 gazı, H-readsorption ile NRA iyon ışın-kaynaklı lH-desorpsiyon dengeleyerek Pd yüzeyinde Doyma kapsamı ise H <Pd toplu olarak, H alımını önlemek, aynı zamandadiğer yandan sub> 2 emilim. H 2 basıncı çok yüksek ise yüzey rezonans zirve H birikebilir üstteki Pd yığın bölgesi, yaklaşık 2 nm ile örtüşmektedir, çünkü NRA analizi sırasında H emme, E res at NRA sinyali kademeli artışa neden olur özellikle, Şekil 4 deneylerde bile daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilir. Böylece 13-15,18, Pd veya Ti, H2 arka ayar uygunluğu H-emici malzemeler için γ- onaylayarak doğrulanmalıdır E res akma yüzeyi rezonans profilini ölçmek için gerekli olan zaman ölçeğinde sabit kalır. Bu komplikasyon, düşük H 2 basınçlarda hidrojeni çekmez çoğu malzeme için ortaya çıkmaz. Burada, yüzey H doygunluk kapsama kantitatif kolayca H 2 arka basınç stepw olduğunda E res de γ-verim doygunluğunu gözlemleyerek sonra yapılırimkb (10 -2 Pa vakum pompası sistemi ile tolere maksimum kadar) yükselmiştir.
Şekil 4'te veriler 15 ± 5 nA (4.5 Adım) bir 15 N 2+ ışın akımı ile alındığını ileri gözlemleyin. Bu demet akımı olarak kabul edilebilir bir istatistik veri ve genel ölçüm süresi açısından yüzey H atomu, doymuş tabakası yoğunluktan uygun yoğun bir γ-sinyalleri geliştirmek ve aynı zamanda yeterince yumuşak de olduğu gibi, bir yandan yeterince yüksek olduğu kanıtlanmıştır Öte yandan, ve (termal difüzyon ile, H derinliği dağılımının değişikliğe yol açabilir) örnek ısıtma (yine telafisi için daha yüksek H2 arka basıncı gerektirir) aşırı lH geri çekilmesine önlemek için.
NRA tekniği çok yönlüdür ve kolayca en vakum uyumlu katı malzemelerde H yüzey tabakası yoğunlukları belirlemek için uygulanan rağmen, sınırlamaları ile ilgili ortaya çıkanHatta zarar telafi H 2 gazı arka (<10 -2 Pa) altında olay 15 N iyon demeti ışınlama altında desorpsiyon karşı kararlı olmayabilir, özellikle zayıf adsorbe H-türlerin tespiti. Örneğin, yazarlar henüz ~ altındaki desorpsiyon sıcaklıklarında (TDS) ile NRA ile 70 K yüzey H türlerin gözlemleyerek başarılı olamadık. numuneden desorbe veya iyon ışını altında difüzyon ile hedef içinde dağıtmak için H eğilimi farklı hedef malzemeler arasında güçlü değişir ve ilgi sondalama derinliği olarak da γ-verim izleyerek herhangi bir analizin bir parçası olarak değerlendirilmelidir iyon demeti dozunun bir fonksiyonu. H readsorbs hali hazırda, bir çok durumda, H-sinyalinin daha az ya da üslü zayıflamalı gözlemlenebilir Pd (110), burada uygulanan dengeleme H2 arka olmadan. Ölçme ve sıfır 15 N maruz kalma gibi H-kayıp fonksiyonları extrapolating orijinal H dens üreyen sağlarveya önceden iyon ışını ile pertürbasyonuna hedef içinde Sığ (detaylar için, Ref. 3). MQ04 manyetik mercekler (Protokol Adım 2.3.5 ve 3.10) yardımıyla iyon ışını defocusing ile kiriş-ışınlanmış yüzey noktada akım yoğunluğu azaltarak hedef boyutu izinleri, (nA / cm2) sırasında H kayıpları hafifletmek olabilir eğer analiz. Onlar H adsorpsiyonu (ve emilimi) özelliklerini değiştirebilir kusurların şeklinde hedef yüzeye fiziksel zarar verebilir gibi genel olarak, N 15, aşırı iyon dozları kaçınılmalıdır. Tek kristal halinde, yüzey LEED paterni ve H2 TDS spektrumu 15 şekli düzenli bir şekilde kontrol edilmelidir. herhangi bir anormallik görülürse 2.2.6 ile Protokol Adımlar 2.2.1 (Pd (110) için) talimat olarak, taze yüzeyi yeniden hazırlar.
Şekil 5 ince film SiO 2 / Si örneğin (100) gösterişe hidrojen derinlik anal profilleme olduğunu yığınlarının15 N NRA tarafından Salman kararı delikanlı numune malzeme bozmadan orada yakın arayüzey H tabakalarının derinliği konumunu ve H yoğunluğunu belirleyebilirsiniz. 15 N iyon ışın malzemesinin hidrojenin yeniden dağıtım neden olabilir, çünkü derinlik profili görülen ara yüzey bölgelerinde, H birikimi kısmen NRA analiz kendisi neden olabilir ki, dikkat edin. Bu devam eden 15 N iyonunun tabii olmayan bir ışınlanmış örnek yerinde birikimi zirve derinlikte H konsantrasyonu evrimi ölçülerek kontrol edilmelidir tanınmış bir etkisi 35,38-40 ve NRA analizi sırasında olası H tehcir olduğunu ışınlama. Bu ışın kaynaklı H taşınma etkisi biraz daha zor bir örnek orijinal H dağılımını belirlemek yapabilir rağmen, (model) MOS aygıt str bozulmamış arabirimler arasında H yeniden dağıtım eğilimleri değerlendirmek için dielektrik güvenilirlik araştırmasında analitik amaçlarla istismar edilebiliructures, bağıl malzemeye özgü H hareketlilik hakkında bilgi veren. 3,26
NRA ölçüm H tespit sınırının ilgili olarak, biz onun büyük BGO algılama katı açı (Şekil 2 (A BL-2C kurulum) (iki katı büyüklüğünde kalibre γ-algılama verimliliği faktörü daha olduğunu unutmayın 2C = 1.79 α × 10 -19 (cts / uc) BL-1E (α 1E = 7.56 × 10 -20 (cts / uc) (keV / nm) cm 3)) ve dolayısıyla daha yüksek hassasiyet sağlar gibi (keV / nm) cm 3) , in-situ bir yüzey hazırlık gerektirmeyen malzemelerin düşük H konsantrasyonlarının ölçümü için uygun. Bizim γ-bulgulamasında arka plandaki sayısı oranı halen ± 0.1 cps, 100 ppm amacıyla katı hacim lH konsantrasyonları için bir algılama limiti ayarı (en çok 10 18 cm -3) 15N 2 bir 100-NA ışını ile BL-2C de +. Mevcut sınavples, bu, (daha güçlü bir iyon ışını ile birlikte) duyarlılık artmış büyüklüğü daha büyük yüzey H yaklaşık bir sipariş olarak SiO 2 / Si aynı satın alma zamanla yığınlarının (50 sn) yüzeyi ve arayüzey tabakası H yoğunlukları ölçmek izin Pd (110) doyma katman (Şekiller 4 ve 5 'de dikey eksen ölçekler karşılaştırın). Gerekli kazanım süresi, istenen sayım istatistiklerine göre verilen H yoğunluğu ve hedef tarafından tolere 15 N iyon demeti akımı belirlenir. elde etme zamanı, aynı zamanda, geçici gibi ya da malzeme adsorpsiyon, desorpsiyonu, emme, ya da hidrojen difüzyonu üzerine olduğu gibi, H yoğunlukları gelişen gözlem zamanı çözünürlüğü tanımlar.
BL-2C (~ 1 x 10 -5 Pa) yüksek vakum taban basınç NRA ölçümü 41 boyunca hedef yüzey üzerine kalan gazdan lH-ihtiva eden kirletici birikmesine neden olabilir. Bu yeniden olabilirşirketinden Şekil 5'te sığ SiO2 / Si ara yüzey tepe (I) 'e sahip üst üste gelecek şekilde, örneğin, görüldüğü gibi, içindeki (ancak daha kötü) yüzeyinin altında ilgi özellikleri bastıran bir derinlik profilleri geniş yüzey lH zirvelerinde Sult . Yüzey tabakasında büyük bir H içeriği de olumsuz olmayan nedenlerle rezonans, nükleer reaksiyon verimi 42 γ-ışını arka plan uyararak büyük sondalama derinliklerinde küçük hacimli H konsantrasyonlarının değerlendirilmesi (E i> ~ 9 MeV) etkiler. BL-2C sistemi şu anda zaten çevre γ-radyasyon arka plan sayısı oranını azaltmak (Şekil 2'de netlik için gösterilmemiştir) BGO dedektörler için 10 cm kalınlığında kurşun (Pb) koruyucu blokları, H algılama daha da geliştirilmesi özellikleri olsa da sınır nedeniyle son derece kozmik müon radyasyonu 43 delici arka plan sinyallerini azaltabilir dedektörler, anti-tesadüf siper uygulayarak elde edilebilir.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Biz büyük ölçüde uzaktan veri toplama PC'den MALT hızlandırıcı parametrelerini kontrol ederek NRA H derinlik profillerinin otomatik ölçümü sağlayan yazılım uygulanması için M. Matsumoto teşekkür ederiz. Biz BL-1E UHV sisteminde ustaca performans Pd (110) örnek hazırlıkları ve NRA ve TDS ölçümleri için K. Namba teşekkür ve hızlandırıcı operasyonda teknik yardım C. Nakano. SiO 2 / Si (100) örnek minnetle NEC Corporation, Japonya Z. Liu bir nezaket olarak alınır. Bu çalışma kısmen Hibeler-Aid Bilimsel Araştırma (Hibe numaraları 24246013 ve 26108705) yanı sıra, yenilikçi Alanlarında Bilimsel Araştırma Hibe-in-Aid ile Bilim Teşvik Japan Society (JSPS) Tarafından desteklenen Japonya Eğitim, Kültür, Spor, Bilim Bakanlığı ve Teknoloji: 'Kompleks korelasyon ve Denge-dışı Dynamics Computics aracılığıyla Materyal Tasarımı'.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Material | |||
| Pd single crystal | SPL (Surface Preparation Laboratory), http://www.spl.eu/products.html, or any other suitable supplier | Order made to specification | Disk, 9 mm diam., (110) oriented, aligned to < 0.5 degree or less, one side polished to < 0.3 mm roughness, self-prepared specimen |
| H2 gas | Joutou Gas Corporation, Ltd., Japan, http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html | (99.9995%), or any other suitable supplier | |
| O2 gas | Joutou Gas Corporation, Ltd., Japan, http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html | (99.99%), or any other suitable supplier | |
| Ar gas | Joutou Gas Corporation, Ltd., Japan, http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html | (99.99995%), or any other suitable supplier | |
| Tantalum / Wire | The Nilaco Corporation, http://nilaco.jp/en/order.php | TA-411325 | (99.95%), 0.3 mm diam., or any other suitable supplier |
| Alumel / Wire | The Nilaco Corporation, http://nilaco.jp/en/order.php | 851266 | 0.2 mm diam., or any other suitable supplier |
| Chromel / Wire (Chromel) | The Nilaco Corporation, http://nilaco.jp/en/order.php | 861266 | 0.2 mm diam., or any other suitable supplier |
| Equipment | |||
| 3 keV Raster Ion Bombardment Gun and Control | VARIAN, http://www.eurovac.se/docs/varian1.htm | 981-2046 Power Supply, 981-2043 Ion Gun | or equivalent product of any other suitable manufacturer |
| LEED-AUGER Optics | OCI, http://www.ocivm.com/spectrometer_bdl800ir.html | BDL600IR | or equivalent product of any other suitable manufacturer |
| Quadrupole Mass Spectrometer | Pfeiffer Vacuum, http://www.pfeiffer-vacuum.com/ | Prisma QMS 200 | or equivalent product of any other suitable manufacturer |
| Palladium Hydrogen Purifier | Power + Energy Inc., http://www.powerandenergy.com | PE-3001 | 99.9999999% purity; P+E H2 purifiers are now business of SAES Pure Gases Inc., http://www.saespuregas.com/Products/Gas-Purifier/Hydrogen/Palladium-Membrane/Palladium-Purifier-PE2100.html |
References
- Lanford, W. A. Analysis for hydrogen by nuclear-reaction and energy recoil detection. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 66 ((1-2)), 65-82 (1992).
- Lanford, W. A. Nuclear Reactions for Hydrogen Analysis, Chapter 8. Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis. JR, T. esmer, M, N. astasi , Materials Research Society. Pittsburgh, PA. 193-204 (1995).
- Wilde, M., Fukutani, K. Hydrogen detection near surfaces and shallow interfaces with resonant nuclear reaction analysis. Surf. Sci. Rep. 69 (4), 196-295 (2014).
- Lanford, W. A., Trautvetter, H. P., Ziegler, J. F., Keller, J. New precision technique for measuring concentration versus depth of hydrogen in solids. Appl. Phys. Lett. 28 (9), 566-568 (1976).
- Ross, R. C., Tsong, I. S. T., Messier, R., Lanford, W. A., Burman, C. Quantification of hydrogen in a-Si-H films by IR spectrometry, N-15 nuclear-reaction, and SIMS. J. Vac. Sci. Technol. 20 (3), 406-409 (1982).
- Suzuki, T., Konishi, J., Yamamoto, K., Ogura, S., Fukutani, K. Practical IR extinction coefficients of water in soda lime aluminosilicate glasses determined by nuclear reaction analysis. J. Non-Cryst. Solids. 382, 66-69 (2013).
- Wagner, W., Rauch, F., Bange, K. Concentration profiles of hydrogen in technical oxidic thin-films and multilayer systems. Fresenius Z. Analyt. Chem. 333 (4-5), 478-480 (1989).
- Wagner, W., Rauch, F., Ottermann, C., Bange, K. In-depth profiling of hydrogen in oxidic multilayer systems. Surf. Interf. Anal. 16 (1-12), 331-334 (1990).
- Wagner, W., Rauch, F., Ottermann, C., Bange, K. Hydrogen dynamics in electrochromic multilayer systems investigated by the N-15 technique. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 50 (1-4), 331-334 (1990).
- Hjörvarsson, B., Rydén, J., Karlsson, E., Birch, J., Sundgren, J. E. Interface effects of hydrogen uptake in Mo/V single-crystal superlattices. Phys. Rev. B. 43 (8), 6440-6445 (1991).
- Fukutani, K., Itoh, A., Wilde, M., Matsumoto, M. Zero-Point Vibration of Hydrogen Adsorbed on Si and Pt Surfaces. Phys. Rev. Lett. 88 (11), 116101 (2002).
- Ericson, J. E., Dersch, O., Rauch, F.
- Wilde, M., Matsumoto, M., Fukutani, K., Aruga, T. Depth-resolved analysis of subsurface hydrogen absorbed by Pd(100). Surf. Sci. 482-485 (Part 1), 346-352 (2001).
- Wilde, M. Hydrogen sorption by Ti(0001) single crystal surfaces. J. Vac. Soc. Jpn. 45 (5), 458-462 (2002).
- Ohno, S., Wilde, M., Fukutani, K. Novel insight into the hydrogen absorption mechanism at the Pd(110) surface. J. Chem. Phys. 140 (13), 134705 (2014).
- Fukutani, K., Wilde, M., Matsumoto, M. Nuclear-reaction analysis of H at the Pb/Si(111) inter-face: Monolayer depth distinction and interface structure. Phys. Rev. B. 64 (24), 245411 (2001).
- Wilde, M., Fukutani, K., Naschitzki, M., Freund, H. J. Hydrogen absorption in oxide-supported palladium nanocrystals. Phys. Rev. B. 77 (11), 113412 (2008).
- Wilde, M., Fukutani, K. Penetration mechanisms of surface-adsorbed hydrogen atoms into bulk metals: Experiment and model. Phys. Rev. B. 78, 115411 (2008).
- Okada, M., Nakamura, M., Moritani, K., Kasai, T. Dissociative adsorption of hydrogen on thin Au films grown on Ir(111). Surf. Sci. 523 (3), 218-230 (2003).
- Okada, M. Reactivity of gold thin films grown on iridium: Hydrogen dissociation. Appl. Catal. A General. 291 (1-2), 55-61 (2005).
- Okada, M. Reactive gold thin films grown on iridium. Appl. Surf. Sci. 246 (1-3), 68-71 (2005).
- Ogura, S. Hydrogen adsorption on Ag and Au monolayers grown on Pt(111). Surf. Sci. 566-568 (Part 2), 755-760 (2004).
- Fukutani, K. Interface hydrogen between a Pb overlayer and H-saturated Si(111) studied by a resonant nuclear reaction. Surf. Sci. 377 (1-3), 1010-1014 (1997).
- Fukutani, K., Iwai, H., Murata, Y., Yamashita, H. Hydrogen at the surface and interface of metals on Si(111). Phys. Rev. B. 59 (20), 13020-13025 (1999).
- Wilde, M., Fukutani, K. Low-temperature growth of Au on H-terminated Si(111): Instability of hydrogen at the Au/Si interface revealed by non-destructive ultra-shallow H-depth profiling. Jpn. J. Appl. Phys. 42 (7B), 4650-4654 (2003).
- Liu, Z., Fujieda, S., Ishigaki, H., Wilde, M., Fukutani, K. Current Understanding of the Transport Behavior of Hydrogen Species in MOS Stacks and Their Relation to Reliability Degradation. ECS Transactions. 35 (4), 55-72 (2011).
- Zinke-Allmang, M., Kalbitzer, S. A novel method to determine vibrational energy states of atomic systems. Z. Physik A. 323 (2), 251-252 (1986).
- Zinke-Allmang, M., Kalbitzer, S., Weiser, M. Nuclear reaction spectroscopy of vibrational modes of solids. Z. Physik A. 325 (2), 183-191 (1986).
- N, B. ohr K. Dan. Vidensk. Selsk. Mat. -Fys. Medd. 18, (1948).
- Rud, N., Bøttiger, J., Jensen, P. S. Measurements of energy-loss distributions for 6.5 MeV 15N ions in solids. Nucl. Instrum. Methods. 151 (1-2), 247-252 (1978).
- MALT. , Available from: http://malt.n.t.u-tokyo.ac.jp/index.html (2015).
- Briggs, D., Seah, M. P. Practical Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy. , John Wiley & Sons. Chichester. (1983).
- Rieder, K. H., Baumberger, M., Stocker, W. Selective Transition of Chemisorbed Hydrogen to Subsurface Sites on Pd(110). Phys. Rev. Lett. 51 (19), 1799-1802 (1983).
- Dong, W., Ledentu, V., Sautet, P., Kresse, G., Hafner, J. A theoretical study of the H-induced reconstructions of the Pd(110) surface. Surf. Sci. 377-379, 56-61 (1997).
- Wilde, M. Influence of H2-annealing on the hydrogen distribution near SiO2/Si(100) interfaces revealed by in situ nuclear reaction analysis. J. Appl. Phys. 92 (8), 4320-4329 (2002).
- Himpsel, F. J., McFeely, F. R., Taleb-Ibrahimi, A., Yarmoff, J. A., Hollinger, G.
- Helms, C. R., Poindexter, E. H. The silicon-silicon dioxide system: Its microstructure and imperfections. Rep. Progr. Phys. 57 (8), 791 (1994).
- Briere, M. A., Wulf, F., Braunig, D. Measurements of the accumulation of hydrogen at the silicon-silicon-dioxide interface using nuclear reaction analysis. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 45 (1-4), 45-48 (1990).
- Ecker, K. H., Krauser, J., Weidinger, A., Weise, H. P., Maser, K. Nuclear reaction analysis of hydrogen migration in silicon dioxide films on silicon under N-15 ion irradiation. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 161-163, 682-685 (2000).
- Maser, K. Hydrogen migration in wet-thermally grown silicon dioxide layers due to high dose 15N ion beam irradiation. Microelectron. Eng. 48, 1-4 (1999).
- Bugeat, J. P., Ligeon, E. Influence of ion beam bombardment in hydrogen surface layer analysis. Nucl. Instrum. Methods. 159 (1), 117-124 (1979).
- Wilde, M., Fukutani, K. Evaluation of non-resonant background in hydrogen depth profiling via 1H(15N,ag)12C nuclear reaction analysis near 13.35 MeV. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 232 (1-4), 280-284 (2005).
- Horn, K. M., Lanford, W. A. Suppression of background radiation in BGO and NaI detectors used in nuclear reaction analysis. Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 45 (1-4), 256-259 (1990).
