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 15 nH es medir la densidad de átomos de hidrógeno absorbidos en superficies sólidas y determinar la distribución de concentración frente a profundidad del hidrógeno absorbido en el volumen de los materiales. Aclarar el contenido de hidrógeno en las superficies, en la región cercana a la superficie y en interfaces superficiales es una cuestión clave en muchos campos de la ciencia básica de materiales y la ingeniería. La principal ventaja del análisis de reacciones nucleares es que revela cuantitativamente la concentración y la ubicación en profundidad del hidrógeno, de forma no destructiva y con resolución nanométrica en profundidad.

El perfilado de hidrógeno mediante NRA respalda la investigación de materiales para almacenamiento y purificación de hidrógeno. Células de combustible y catalizadores de hidrogenación, retención de hidrógeno y fragilización, fabricación de dispositivos y preocupaciones relacionadas con la confiabilidad del hidrógeno en tecnología semiconductor. En este video, demostramos una combinación única de NRA con instrumentación de ciencia de superficies para la cuantificación de densidades de capas de hidrógeno en superficies objetivo controladas a nivel atómico y en interfaces superficiales.

Estos experimentos de análisis por reacción nuclear se llevan a cabo en la instalación de aceleradores MALT de la Universidad de Tokio. Las mediciones de hidrógeno superficial se realizan en la línea de haces 1E, dentro de esta cámara de vacío ultraalto. Esta cámara ha sido cargada con una muestra de monocristal de paladio 110 y se mantiene a menos de 10 nanopascales a temperatura ambiente.

Este esquema superior de la cámara de muestra ofrece una visión general de la disposición del equipo. La línea de haces de iones de nitrógeno, que incluye un deflector y una copa de Faraday, entra por la izquierda. Además, hay una pistola iónica para pulverización y una entrada para hidrógeno.

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

Esta imagen proporciona un ejemplo del portamuestras con una muestra que se encuentra actualmente en la cámara. Alambres de tántalo sostienen un espécimen de cristal único. El portamuestras también facilita mediciones eléctricas y térmicas.

Comience limpiando la superficie objetivo en la cámara mediante pulverización y recocido. Opere la etapa XYZ para posicionar la muestra en el centro de la cámara. Además, gire la muestra para alinearla adecuadamente.

La muestra debe quedar frente al dosificador de gas, entre la pistola de iones y la ventana de visualización. Para ajustar finamente el ángulo, encienda la fuente de alimentación de la pistola de iones. Ajuste el control de emisión a 20 miliamperios.

Observe la muestra a través de la ventana mientras ajusta finamente su ángulo. El objetivo es que la imagen reflejada del filamento del cañón de iones sea visible sobre la superficie de la muestra. Una vez completado el ajuste fino, cambie la configuración de la fuente de alimentación del cañón de iones para que la energía del haz sea de 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 9 milipascal de gas argón en la cámara. Para la lectura de la corriente iónica de pulverización, consulte el probador digital conectado entre la muestra y tierra.

Confirme que la corriente esté alrededor de dos microamperios durante la duración de diez minutos del pulverizado catódico. Detenga el pulverizado cerrando la válvula de fuga variable y apagando la fuente de alimentación del cañón de iones. Continúe con los preparativos llevando nitrógeno líquido al manipulador y agregando aproximadamente 100 mililitros al criostato.

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

Ponga a tierra el filamento conectándolo al cuerpo de la cámara. Finalmente, conecte el contacto de la muestra a la fuente de alimentación de voltaje de polarización. En este momento, 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. Tras el recocido y la oxidación, prepárese para realizar una difracción de electrones de baja energía en la muestra.

Observe el patrón de difracción y busque una estructura definida con puntos brillantes y bajo 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 consiste en alinear el haz de iones de nitrógeno al blanco de monocristal para el análisis de reacción nuclear.

Centre la muestra en el plano XY y ajuste la posición Z a la altura de la abertura frontal del espectrómetro de masas. Gire la muestra nuevamente para orientarla hacia la línea del haz. A continuación, baje el portamuestras para colocar el monitor del perfil del haz en la posición adecuada para el análisis por reacción nuclear.

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

Ahora, prepárese para introducir el haz de iones. Establezca el voltaje del deflector electrostático en la línea del haz a 8.500 voltios. Ingrese a la sala de control para continuar.

Allí, cambie el integrador de corriente del modo de espera al modo de operación. Este esquema representa una porción de la línea de haces del acelerador antes de que el haz de iones se dirija hacia las diferentes líneas de haces experimentales. También se representan las líneas de haces experimentales.

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

FC04 es una copa de Faraday que puede insertarse en el haz para medir la corriente del haz de iones y evitar que el haz alcance la muestra. MQ04 es una lente cuadrupolar magnética utilizada para enfocar el haz sobre la muestra. Y BM04 es un imán desviador que dirige el haz hacia las líneas de haz.

Realice pasos para ajustar la energía del haz iónico y dirigir el haz hacia el blanco en la cámara de vacío. Configure los parámetros de la lente cuadrupolar magnética MQ04, XCC y la lente 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 de cuarzo en la cámara de blanco. Con esta retroalimentación, ajuste finamente el imán de desviación BM04 y la configuración de la lente magnética cuadrupolar. El objetivo es obtener un haz de iones bien enfocado en el centro de la placa del monitor de perfil.

Cierre la copa de Faraday y registre los parámetros antes de regresar a la línea de haces. De regreso en la línea de haces 1E, use el calentador del filamento para calentar rápidamente la muestra de paladio hasta 600 Kelvin, luego ajuste el calentador del filamento a aproximadamente 3,6 amperios para mantener la temperatura de la muestra en 145 Kelvin. Aisle 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 del filamento y, cuando la temperatura alcance 80 kelvin, ajuste la presión de fondo de hidrógeno a un micropascal. De regreso en la sala de control, configure el haz de iones de nitrógeno para que tenga la energía inicial 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 barrido de energía y el tiempo de adquisición en el software de control antes de iniciar la adquisición automatizada de datos. Estos son valores típicos de parámetros para BM03 para controlar el barrido de energía. Los valores se proporcionan para seleccionar la energía inicial, la energía final y el cambio de energía en cada paso.

El tiempo de adquisición es de 50 segundos. Las mediciones de hidrógeno en masa y en la interfaz se realizan en la línea de haz 2C. Este manipulador ha sido 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 del tubo de transferencia, apriete los tornillos de sujeción para fijarla en su lugar. Retraiga la muestra hacia el interior del tubo de transferencia y fíjela con un tornillo de bloqueo.

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

Utilice una cámara y un monitor de línea de haz para este propósito. En la cabeza del manipulador, conecte la línea de corriente de la muestra al integrador de corriente del cuarto de control. Muévase al cuarto de control para continuar.

Alinee aproximadamente el haz ajustando los parámetros del imán de desviación y del lente magnético cuadrupolar. 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 inicial del haz para el barrido.

En el ordenador, introduzca los parámetros deseados para el barrido de energía e inicie el barrido automatizado de energía para adquirir un perfil de profundidad. Este perfil de profundidad cercano a la superficie corresponde a un cristal único de paladio que ha tenido su superficie 110 expuesta a 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 indica la energía del haz de iones de nitrógeno. El eje superior proporciona una medida de la profundidad basada en la capacidad de frenado del paladio. Los símbolos abiertos corresponden a un experimento con paladio que fue previamente expuesto durante 100 segundos a 2.000 langmuirs de gas hidrógeno a 145 kelvin.

Los datos se tomaron a 90 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 de 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 hasta una profundidad de al menos 20 nanómetros. Los símbolos grises y negros corresponden a experimentos sin pre-dosificación de hidrógeno.

Estos datos fueron obtenidos a 170 Kelvin. Estas gráficas representan datos de una serie de experimentos con dióxido de silicio sobre silicio realizados en la línea de haz 2C. Como antes, la energía de los iones se muestra en el eje inferior.

La profundidad a lo largo del extremo superior. Las posiciones de la interfaz entre los materiales se indican mediante una línea vertical punteada. Todos los perfiles muestran dos picos que indican una distribución no uniforme de hidrógeno, incluyendo hidrógeno situado apenas a unos pocos nanómetros por delante de la interfaz entre el óxido de silicio y el silicio.

Los experimentos de este video demuestran que la técnica de NRA puede distinguir el hidrógeno absorbido en la superficie del absorbido en el volumen o en la interfaz en objetivos sólidos. Además, NRA cuantifica el contenido de hidrógeno en sus respectivas profundidades 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 en profundidad del hidrógeno absorbido por el paladio.

Si se modifican estos parámetros experimentales, es probable que el perfil de hidrógeno resultante sea diferente de los mostrados en este video. Después de ver este video, usted debería tener una buena idea de cómo se realiza la medición mediante análisis de reacción nuclear en la instalación MALT para determinar cuantitativamente las densidades de hidrógeno en superficies y en el interior de materiales sólidos mediante perfiles de profundidad a escala nanométrica.