通过与核反应分析深度剖面的表面和界面层和颗粒材料氢含量的定量

Summary

我们说明¹ H的应用^{（15 N，αγ）12} C共振核反应分析（NRA）定量评价的表面上的氢原子的密度，在体积，并在固体材料的界面层。钯（110）单晶₂ / Si的（100）堆叠的和SiO的近表面氢深度剖面进行说明。

Abstract

经由谐振¹小时核反应分析^{（NRA）（15 N，αγ）12} C反应是深度剖析的一个非常有效的方法，该方法定量和非破坏性地揭示了在表面上的氢密度分布，在接口和在体积固体材料具有很高的深度分辨率。该技术适用于通过静电加速器提供6.385兆电子伏^15N的离子束和特异性检测在深度通过¹ H同位素为从靶表面约2微米。表面H的coverage与在〜10 ¹³厘米的量级灵敏度测量^-2（〜典型原子单层密度的1％）H体积和浓度为〜10 ¹⁸厘米的检测限^-3（〜100在。ppm的）。近表面深度分辨率为表面法线¹⁵ N离子入射2-5纳米到目标并且可以提高到值低于1毫微米用于通过ADOP非常平坦的目标婷表面掠入射几何。该方法是通用的并易于适用于任何在高真空兼容均质材料具有光滑的表面（无孔）。导电目标通常容忍忽略不计降解离子束照射。氢定量和正确的深度分析所需要的基本组合物（除氢）和靶材料的质量密度的知识。特别是在超高真空方法原位目标制备和表征^，1H组合^{（15 N，αγ）12} C NRA在原子控制表面和纳米界面非常适合氢分析。我们示例性地在这里展示¹⁵ N NRA在东京大学（1）定量测定表面覆盖率和氢在暴露的Pd一个_的 H ₂的近表面区域中的体相浓度的麦芽串联加速器设施的应用（110）的单晶，和（2）确定薄_的 SiO ₂薄膜的界面附近在Si（100）氢的深度位置和层密度。

Introduction

氢作为杂质或作为一个庞大的各种材料构成和的氢引起的相互作用现象的财富的普及使揭示的许多领域中的表面附近区域，并在固体埋入界面的重要任务的氢气分配工程和基础材料科学。突出的上下文包括在氢气能源的应用，燃料电池，光电，和加氢催化，氢保留和脆化在核和聚变反应堆的工程，在外延生长制造和氢氢引起的表面活性剂效果的储存和净化材料吸氢的研究半导体器件技术有关的电气可靠性问题。

尽管它的无所不在和简单的原子结构，氢的定量检测构成分析挑战。氢气仅包含单个电子，否则通用的元素analys是电子能谱呈现无效。通过质量分析，光学，或核共振技术如冶金熔接，热脱附，红外线吸收或核磁共振光谱共同氢气检测方法主要是不敏感的氢的深度位置。这排除， 例如 ，表面吸附和散装吸收氢而在其物理和化学物质的相互作用基本上不同区分，因此它们的区别变得对于包含小体积和大表面积的纳米结构材料的分析日益重要。通过二次离子质谱法氢谱，尽管提供深度分辨定量ħ浓度，同样破坏性分析的目标作为冶金融合，以及溅射效应可能使表面不可靠附近获得的深度信息。

在狭窄的核反应分析能量共振通过¹ H的（E ^{_RES）（15 N，αγ）12}下 ​​以6.385兆电子伏^1-3反应，另一方面，结合了高的深度分辨率无损氢定量的优点在少数的顺序纳米的表面附近。该方法确定表面H的c....

Protocol

1.实验计划

1. 确定根据测量任务（BL-1E为表面氢，BL-2C为散装或界面氢）感兴趣的MALT加速器束线。联系协助科学家（目前MW或KF）讨论NRA测量及其必要的准备工作的细节。
2. 下载束流时间申请表格，并观察MALT网站³¹日提交的最后期限。
   注:麦芽设施分别每三月和九月的夏季（4月至9月）和冬季（10月 - 月）上半年而言，诚邀新的项目建议。
3. 写光束时建议，并提交MALT网站上的说明。
4. 该提案的批准后，确认为即将到来的半年任期梁时间表为MALT网站³¹日公布。安全培训需要在学期开始的新用户。
5. 准备在ADVA梁时间NCE。考虑所需的材料的运输实验的所有细节，以及时间，对样品安装，尤其是用于在特高压原位表面处理（如果需要）。对于NRA测量就绪的目标样本梁时间开始之前。

2.准备在BL-1E NRA测量（UHV）

注:在处理用于在真空中使用的仪器和材料，包括清洁工具时，一定要戴上手套。

1. 安装单晶样品放入超高真空（参见图1（B））。
   1. 设置点焊机电源3.5。将单晶样品到干净，平坦，不导电的工作表面和点焊两个4厘米长的片钽（Ta）的线（0.3毫米直径）平行采样的边缘。
   2. 轻轻弯曲的电线，以适应周围的晶体边缘形状而....

Results

图4显示了近地表的H ₂ NRA ^ h型材-exposed钯在90 K A样品温度在BL-1E特高压系统测量（110）1.33×10 ^-6 Pa的H ₂的背景压力。在¹⁵ N离子入射能量已被转换成使用钯（S = 3.90千电子伏/纳米）的制动功率探测深度。后预曝光的钯（110）样品至2,000 LH ₂在145 K至诱导氢吸收到钯本体¹⁵得到开放符号轮廓。此轮廓可以达E _解析度 = 6.385兆电子伏和宽γ-屈服平台伸展在整个成形深度区域被分解成一个峰。达E _水库对应于目标表面上H，而在高原地区证明氢吸收到钯散装已经发生的峰值。表面峰具有近高斯形状。为了证明这一点比较好， 的 H ₂背景压力下记录在170ķ从新鲜制备的Pd（110）表面无H ₂预剂量两个附加NRA激发曲线（灰色和黑色实.......

Discussion

图4显示在钯（110）在BL-1E超高真空系统单晶的例子中，有效的区分和表面吸附通过¹⁵ N NRA从散装吸收氢的定量。在这三个轮廓的表面H的峰的高再现性证明了原位 UHV样品制备的可靠性和对NRA测量的非破坏性的性质。与预期的原子的饱和密度进一步确定ħ覆盖的定量协议显示NRA测量的精度。接近的H ₂的NRA型材之间预曝光的Pd（110）和在Pd只有表面的氢的两个激发曲线（110）在图4中比较（空心符号）（灰色和黑色符号）显示，在表面上峰前者H型不对称的尾巴朝着最上面〜5nm的批量吸收的氢的高原。潜在的非unifor这种微妙的细部氢的溶液分布在表面之下紧密只能通过NRA透露。在浅表层区域A类似ħ累积也已在其它金属（铂，钛^）11,14观察。在地下区域这个特定ħ行为原点目前没有澄清，但是对于正确理解纳米材料^17，而不是延长堆积金属的特有吸氢性能科学意义。

几个关键参数应的协议中可以观察到，为了获得高质量的数据，如.......

Materials

List of materials used in this article

Name	Company	Catalog Number	Comments
<强>材料
Pd单晶	SPL（表面处理实验室），http://www.spl.eu/products.html 或任何其他合适的供应商	订购按规格制作的	圆盘，直径 9 mm，（110） 定向，对齐 < 0.5 度或更小，单面抛光至 < 0.3 mm 粗糙度，自行准备样品
H2 gas	日本 Joutou Gas Corporation， Ltd.， http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html		（99.9995%），或任何其他合适的供应商
O2 gas	日本 Joutou Gas Corporation， Ltd.，http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html		（99.99%），或任何其他合适的供应商
Ar gas	Joutou Gas Corporation， Ltd.，日本，http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html		（99.99995%），或任何其他合适的供应商
钽/线材	The Nilaco Corporation， http://nilaco.jp/en/order.php	TA-411325	（99.95%），直径 0.3 mm，或任何其他合适的供应商
铝/线材	The Nilaco Corporation， http://nilaco.jp/en/order.php	851266	0.2 mm 直径，或任何其他合适的供应商
Chromel / Wire （Chromel）The	Nilaco Corporation，	http://nilaco.jp/en/order.php 861266	0.2 mm diam.，或任何其他合适的供应商
设备
3 keV 光栅离子轰炸枪和控制	VARIAN，http://www.eurovac.se/docs/varian1.htm	981-2046 电源、981-2043 离子枪	或任何其他合适制造商的等效产品
LEED-AUGER Optics OCI	、http://www.ocivm.com/spectrometer_bdl800ir.html	BDL600IR	或任何其他合适制造商的等效产品
四极杆质谱仪	Pfeiffer 真空、http://www.pfeiffer-vacuum.com/	Prisma QMS 200	或任何其他合适制造商的同等产品
Palladium Hydrogen Purifier	Power + Energy Inc.，http://www.powerandenergy.com	PE-3001	纯度为 99.9999999%;P+E H2 净化器现在是 SAES Pure Gases Inc. http://www.saespuregas.com/Products/Gas-Purifier/Hydrogen/Palladium-Membrane/Palladium-Purifier-PE2100.html