La cuantificación de las concentraciones de hidrógeno en superficies e interfaces de capas y materiales a granel a través de perfiles de profundidad con el análisis de Reacción nuclear

El objetivo general del análisis de reacciones nucleares con la reacción nuclear resonante de 15 nH es medir la densidad de los átomos de hidrógeno absorbidos en superficies sólidas y determinar la distribución de la concentración frente a la profundidad del hidrógeno absorbido en el volumen de materiales. Aclarar el contenido de hidrógeno en las superficies, en la región cercana a la superficie y en las interfaces poco profundas de los sólidos es una cuestión clave en muchos campos de la ciencia e ingeniería fundamentales de los materiales. La principal ventaja del análisis de reacciones nucleares es que revela la concentración y la ubicación de la profundidad del hidrógeno de forma cuantitativa, no destructiva y con una resolución de profundidad nanométrica.

El perfilado de hidrógeno con NRA apoya la investigación de materiales de almacenamiento y purificación de hidrógeno. Pilas de combustible y catalizadores de hidrogenación, retención y fragilización de hidrógeno, fabricación de dispositivos y problemas de fiabilidad relacionados con el hidrógeno en la tecnología de semiconductores. En este video, demostramos una combinación única de NRA con instrumentación de ciencia de superficie para la cuantificación de densidades de capas de hidrógeno en superficies objetivo controladas atómicamente y en interfaces poco profundas.

Estos experimentos de análisis de reacciones nucleares se llevan a cabo en las instalaciones del acelerador MALT de la Universidad de Tokio. Las mediciones de hidrógeno superficial se realizan en la línea de haz 1E en esta cámara de ultra alto vacío. Esta cámara se ha cargado con una muestra monocristalina de paladio 110 y se mantiene a menos de 10 nanopascales a temperatura ambiente.

Este esquema de vista superior de la cámara de muestras ofrece una visión general de la disposición del equipo. La línea del haz de iones de nitrógeno, que incluye un deflector y una copa de Faraday, se encuentra a la izquierda. Además, hay un cañón de iones para la pulverización catódica, así como una entrada para el hidrógeno.

La cámara está equipada para realizar difracción de electrones de baja energía y espectroscopía electrónica Auger para la preparación de objetivos INC2. Los dos últimos instrumentos son un espectrómetro de masas cuadrupolar que se muestra en la parte inferior del esquema y un sistema de detección de centelleo a la derecha. La muestra se sostiene mediante un portamuestras en una platina XYZ cerca del centro de la cámara y se puede ver a través de una ventana gráfica.

Esta imagen proporciona un ejemplo del portamuestras con una muestra que se encuentra actualmente en la cámara. Los alambres de tantalio soportan un solo espécimen de cristal. El soporte también facilita las mediciones eléctricas y térmicas.

Comience con la limpieza de la superficie objetivo en la cámara mediante pulverización catódica y recocido. Opere la etapa XYZ para colocar la muestra en el centro de la cámara. Además, gire la muestra para alinearla correctamente.

La muestra debe mirar hacia el dosificador de gas entre el cañón de iones y la ventana gráfica. Para ajustar el ángulo, encienda la fuente de alimentación de la pistola de iones. Ajuste el control de emisiones a 20 miliamperios.

Observe la muestra a través de la ventana gráfica mientras ajusta su ángulo. El objetivo es que la imagen especular del filamento del cañón iónico sea visible en la superficie de la muestra. Una vez que se complete el ajuste fino, cambie la configuración de la fuente de alimentación de la pistola de iones para la energía del haz a 800 electronvoltios.

A continuación, en la parte inferior de la cámara, cierre la válvula de compuerta de la bomba NEG. Utilice una válvula de fuga variable para introducir gas argón de 9 milipascales en la cámara. Para la lectura de la corriente iónica por pulverización catódica, consulte el probador digital conectado entre la muestra y la tierra.

Confirme que la corriente esté alrededor de dos microamperios durante los 10 minutos de duración del pulverización catódica. Detenga el chisporroteo cerrando la válvula de fuga variable y apagando la fuente de alimentación de la pistola de iones. Continúe los preparativos llevando nitrógeno líquido al manipulador y agregando unos 100 mililitros al criostato.

Permanezca en el manipulador para realizar conexiones eléctricas para el recocido. Conecte las tapas del calentador de filamento a la fuente de alimentación del calentador. Además, conecte el paso del termopar a un probador digital para monitorear la temperatura.

Conecte a tierra el filamento conectándolo al cuerpo de la cámara. Finalmente, conecte el contacto de muestra a la fuente de alimentación de voltaje de polarización. En este punto, configure la fuente de alimentación de alto voltaje.

Aplique un sesgo de muestra de un kilovoltio. Proceda a recocer la muestra a 1.000 Kelvin y oxidarla a 750 Kelvin. Después del recocido y la oxidación, prepárese para realizar la difracción de electrones de baja energía en la muestra.

Observe el patrón de difracción y busque una estructura clara con puntos brillantes y poco ruido de fondo como en este ejemplo. Esté preparado para repetir los pasos de pulverización catódica, recocido, oxidación y reducción según sea necesario. El siguiente paso es alinear el haz de iones de nitrógeno con el objetivo monocristalino para el análisis de la reacción nuclear.

Centre la muestra en el plano XY y ajuste la posición Z a la altura de la apertura frontal del espectrómetro de masas. Gire la muestra hacia atrás para mirar hacia la línea del haz. A continuación, baje el portamuestras para colocar el monitor de perfil de haz en posición para el análisis de reacciones nucleares.

Coloque una cámara en el borde de la ventana para transmitir imágenes de perfil de haz a la sala de control. Regrese al manipulador y retire todos los contactos eléctricos de la muestra. Después de esto, conecte la línea de corriente de muestra.

Ahora, prepárese para introducir el haz de iones. Ajuste el voltaje del deflector electrostático en la línea de haz a 8, 500 voltios. Entra en la sala de control para continuar.

Allí, cambie el integrador de corriente del modo de espera para funcionar. Este esquema representa una parte de la línea del haz del acelerador antes de que el haz de iones se agite a las diferentes líneas del haz del experimento. También se representan las líneas de haz del experimento.

Hay cuatro componentes que son importantes para este protocolo. BM03 es un imán sectorial de 90 grados. Selecciona la energía del haz de iones durante el perfilado de profundidad.

FC04 es una copa de Faraday que se puede insertar en el haz para leer la corriente del haz de iones y evitar que el haz llegue a la muestra. MQ04 es una lente cuadrupolar magnética que se utiliza para enfocar el haz en la muestra. Y BM04 es un imán de flexión que dirige el haz hacia las líneas del haz.

Tome medidas para ajustar la energía del haz de iones y dirija el haz hacia el objetivo en la cámara de vacío. Ajuste los parámetros de la lente cuadrupolar magnética MQ04, XCC y YCC para enfocar aproximadamente el haz. Abra las válvulas de compuerta entre el acelerador y la línea de haz y luego abra la copa de Faraday, FC04.

Utilice el monitor para observar el perfil del haz de iones en la placa del cuarto de galón en la cámara objetivo. Con esta información, ajuste con precisión la configuración del imán de flexión, el BM04 y la lente cuadrupolar magnética. El objetivo es obtener un haz de iones bien enfocado en el centro de la placa del monitor perfilado.

Cierre la copa de Faraday y registre los parámetros antes de volver a la línea del haz. De vuelta en la línea de haz 1E, utilice el calentador de filamento para calentar la muestra de paladio a 600 Kelvin y luego ajuste el calentador de filamento a unos 3,6 amperios para mantener la temperatura de la muestra a 145 Kelvin. Aísle la cámara del acelerador y de la bomba NEG antes de exponer la muestra a 2.000 langmuirs de hidrógeno a 145 Kelvin.

Apague el calentador de filamento y cuando la temperatura alcance los 80 Kelvin, ajuste la presión de fondo del hidrógeno para que sea de un micropascale. De vuelta en la sala de control, haga arreglos para que el haz de iones de nitrógeno tenga la energía de arranque deseada. Para este experimento, asegúrese de que la copa de Faraday 04 registre una corriente de haz de 10 a 20 nanoamperios.

A continuación, introduzca los parámetros para el escaneo de energía y el tiempo de adquisición en el software de control antes de iniciar la adquisición automática de datos. Estos son valores de parámetros típicos de BM03 para controlar el escaneo de energía. Se dan valores para seleccionar la energía inicial, la energía final y el cambio de energía con cada paso.

El tiempo de adquisición es de 50 segundos. Las mediciones de hidrógeno a granel y de interfaz se realizan en la línea de haz 2C. Este manipulador se ha retirado de la línea de haz y está listo con una nueva muestra en el portamuestras.

Para estas mediciones, la muestra es una película delgada de dióxido de silicio sobre una superficie de silicio 100. Con la muestra alineada paralelamente al acceso al tubo de transferencia, apriete los tornillos de la abrazadera para asegurarla en su lugar. Retraiga la muestra en el tubo de transferencia y asegúrela con un tornillo de bloqueo.

Mueva el manipulador a su posición en la línea de haz y vuelva a instalarlo en la válvula de compuerta. Cuando el sistema esté listo, baje la muestra a su posición para la medición de NRA. Al igual que en este esquema, alinee la superficie de la muestra normal con el haz incidente.

Utilice una cámara y un monitor de línea de haz para este propósito. En el cabezal del manipulador, conecte la línea de corriente de muestra al integrador de corriente de la sala de control. Muévete a la sala de control para continuar.

Alinee el haz de forma precisa ajustando los parámetros del imán de flexión y de la lente cuadrupolar magnética. Observe el perfil del haz en el monitor de perfiles mientras optimiza aún más los parámetros para la transmisión del haz y mantiene el perfil en el objetivo. A continuación, configure el parámetro BM03 para determinar la energía del haz inicial para el escaneo.

En el ordenador, introduzca los parámetros deseados para el escaneo de energía e inicie el escaneo automatizado de energía para adquirir un perfil de profundidad. Este perfil de profundidad cercana a la superficie proviene de paladio monocristalino cuya superficie 110 ha estado expuesta al gas hidrógeno. El experimento se realizó en la línea de haz 1E con una presión de fondo de hidrógeno de 1,3 micropascales.

El eje horizontal inferior proporciona energía al haz de iones de nitrógeno. El eje superior proporciona una medida de la profundidad basada en la potencia de frenado del paladio. Los símbolos abiertos corresponden a un experimento con paladio que se preexpuso en 100 segundos a 2.000 langmuirs de gas hidrógeno a 145 Kelvin.

Los datos se tomaron a 90 grados Kelvin. El perfil se puede descomponer en un pico a profundidad cero en negro y una meseta en azul. El área del pico proporciona información sobre la densidad superficial del hidrógeno.

En este caso, la cobertura es de 1 1/2 hidrógenos por átomo de paladio superficial. La meseta revela que el hidrógeno ha sido absorbido a una profundidad de al menos 20 nanómetros. Los símbolos grises y negros son para experimentos sin dosis previas de hidrógeno.

Estos datos se tomaron a 170 Kelvin. Estos gráficos representan datos de una serie de experimentos con dióxido de silicio sobre silicio realizados en la línea de haz 2C. Al igual que antes, la energía iónica se muestra en el eje inferior.

La profundidad a lo largo de la parte superior. Las posiciones de la interfaz entre los materiales se indican mediante una línea discontinua vertical. Todos los perfiles muestran dos picos, lo que indica una distribución no uniforme del hidrógeno, incluido el hidrógeno, a solo unos pocos nanómetros delante de la interfaz de silicio de óxido de silicio.

Los experimentos de este vídeo demuestran que la técnica NRA puede distinguir el hidrógeno absorbido en superficie y el absorbido en volumen o en interfaz en objetivos sólidos. Además, NRA cuantifica el contenido de hidrógeno en sus respectivas ubicaciones de profundidad sin destruir el material de la muestra. Tenga en cuenta que, especialmente la temperatura y la presión durante la exposición al hidrógeno, influyen de manera muy crítica en la distribución de profundidad del hidrógeno absorbido por el paladio.

Si se cambian estos parámetros experimentales, es probable que el perfil de hidrógeno sea diferente al que se muestra en este video. Después de ver este video, debería tener una buena impresión de cómo se realiza la medición del análisis de reacciones nucleares en las instalaciones MALT para determinar cuantitativamente las densidades de hidrógeno en las superficies y en el interior de los materiales sólidos a través del perfil de profundidad a nanoescala.