La quantificazione delle concentrazioni di idrogeno in superficie e di interfaccia Livelli e materiale sfuso attraverso profili di profondità con l'analisi reazione nucleare

L'obiettivo generale dell'analisi delle reazioni nucleari mediante la reazione nucleare risonante 15 nH è misurare la densità di atomi di idrogeno assorbiti su superfici solide e determinare la distribuzione della concentrazione in funzione della profondità dell'idrogeno assorbito all'interno del volume dei materiali. Chiarire il contenuto di idrogeno sulle superfici, nella regione prossima alla superficie e alle interfacce superficiali è una questione fondamentale in molti settori della scienza dei materiali e dell'ingegneria. Il principale vantaggio dell'analisi delle reazioni nucleari è che rivela in modo quantitativo, non distruttivo e con risoluzione di profondità nell'ordine del nanometro, la concentrazione e la posizione in profondità dell'idrogeno.

Il profilo dell'idrogeno mediante NRA supporta la ricerca su materiali per l'immagazzinamento e la purificazione dell'idrogeno. Celle a combustibile e catalizzatori per idrogenazione, ritenzione di idrogeno ed embrittlement, fabbricazione di dispositivi e problematiche legate all'affidabilità in tecnologie a semiconduttore correlate all'idrogeno. In questo video, dimostriamo una combinazione unica di NRA con strumentazione di scienza delle superfici per la quantificazione delle densità stratificate di idrogeno su superfici bersaglio controllate atomicamente e a interfacce superficiali.

Questi esperimenti di analisi mediante reazione nucleare si svolgono presso l'acceleratore MALT dell'Università di Tokyo. Le misurazioni dell'idrogeno superficiale vengono effettuate sulla linea del fascio 1E, all'interno di questa camera a ultra alto vuoto. La camera è stata caricata con un campione di cristallo singolo di palladio 110 ed è mantenuta a meno di 10 nanopascal a temperatura ambiente.

Questo schema della vista superiore della camera del campione fornisce una panoramica della disposizione dell'apparecchiatura. Il fascio di ioni di azoto, comprensivo di un deflettore e di una coppa di Faraday, entra da sinistra. Inoltre, è presente una pistola a ioni per la sputtering nonché un ingresso per l'idrogeno.

La camera è dotata di strumentazione per effettuare diffrazione di elettroni a bassa energia e spettroscopia di elettroni Auger per la preparazione dei bersagli in condizioni di ultra alto vuoto. I due strumenti finali sono uno spettrometro di massa a quadrupolo, mostrato nella parte inferiore dello schema, e un sistema di rilevamento a scintillazione sulla destra. Il campione è trattenuto da un portacampione montato su uno stadio XYZ posizionato vicino al centro della camera e può essere osservato attraverso un oblò.

Questa immagine mostra un esempio di portacampioni con un campione attualmente presente nella camera. Filamenti di tantalio sostengono un campione di cristallo singolo. Il portacampioni permette inoltre misure elettriche e termiche.

Iniziare pulendo la superficie bersaglio nella camera mediante sputtering e ricottura. Utilizzare lo stadio XYZ per posizionare il campione al centro della camera. Inoltre, ruotare il campione per allinearlo correttamente.

Il campione deve essere posizionato rivolto verso il dosatore di gas, tra la pistola a ioni e il visore. Per regolare con precisione l'angolo, accendere l'alimentatore della pistola a ioni. Regolare il controllo dell'emissione a 20 milliampere.

Osservare il campione attraverso il mirino mentre si regola con precisione il suo angolo. L'obiettivo è rendere visibile sulla superficie del campione l'immagine riflessa del filamento della pistola a ioni. Una volta completata la regolazione fine, modificare l'impostazione dell'alimentatore della pistola a ioni in modo da portare l'energia del fascio a 800 elettronvolt.

Successivamente, in fondo alla camera, chiudere la valvola a saracinesca della pompa NEG. Utilizzare una valvola di perdita regolabile per introdurre nell'ambiente 9 millipascal di gas argon. Per la lettura della corrente ionica di sputtering, consultare il tester digitale collegato tra il campione e la messa a terra.

Verificare che la corrente sia di circa due microampere per tutta la durata di dieci minuti della sputterizzazione. Arrestare la sputterizzazione chiudendo la valvola a perdita regolabile e spegnendo l'alimentatore del cannone ionico. Proseguire i preparativi portando azoto liquido al manipolatore e aggiungendo circa 100 millilitri al criostato.

Rimanere al manipolatore per effettuare i collegamenti elettrici per il ricottura. Collegare i coperchi del riscaldatore del filamento all'alimentatore del riscaldatore. Inoltre, collegare il passaggio del termocoppia a un tester digitale per monitorare la temperatura.

Collegare il filamento al corpo della camera per collegarlo a massa. Infine, collegare il contatto del campione all'alimentatore della tensione di polarizzazione. A questo punto, configurare l'alimentatore ad alta tensione.

Applicare un bias del campione di un chilovolt. Procedere con il ricottura del campione a 1.000 Kelvin e ossidarla a 750 Kelvin. Dopo il ricottura e l'ossidazione, prepararsi a eseguire una diffrazione di elettroni a bassa energia sul campione.

Osservare il pattern di diffrazione e cercare una struttura ben definita con punti luminosi e rumore di fondo basso, come in questo esempio. Essere pronti a ripetere i passaggi di sputtering, ricottura, ossidazione e riduzione secondo necessità. Il passo successivo consiste nell'allineare il fascio di ioni di azoto al bersaglio monocristallino per l'analisi mediante reazione nucleare.

Centrare il campione nel piano XY e regolare la posizione in Z all'altezza dell'apertura frontale dello spettrometro di massa. Ruotare nuovamente il campione in modo che sia rivolto verso la linea del fascio. Successivamente, abbassare il portacampione per posizionare il monitor del profilo del fascio per l'analisi mediante reazione nucleare.

Posizionare una telecamera sulla flangia della finestra per trasmettere le immagini del profilo del fascio alla sala di controllo. Tornare al manipolatore e rimuovere tutti i contatti elettrici dal campione. Successivamente, collegare la linea della corrente del campione.

Ora, prepararsi a introdurre il fascio di ioni. Impostare la tensione del deflettore elettrostatico sulla linea del fascio a 8.500 volt. Entrare nella stanza di controllo per proseguire.

In questo punto, passare l'integratore di corrente dalla modalità di attesa a quella operativa. Questo schema rappresenta una porzione della linea del fascio dell'acceleratore prima che il fascio ionico venga deviato verso le diverse linee sperimentali del fascio. Le linee sperimentali del fascio sono anch'esse rappresentate.

Per questo protocollo sono importanti quattro componenti. BM03 è un magnete settoriale a 90 gradi. Seleziona l'energia del fascio ionico durante il profilo in profondità.

FC04 è una coppa di Faraday che può essere inserita nel fascio per misurare la corrente del fascio ionico e impedire al fascio di raggiungere il campione. MQ04 è una lente quadrupolare magnetica utilizzata per focalizzare il fascio sul campione. BM04 è un magnete deflettore che indirizza il fascio verso le linee del fascio.

Adottare misure per regolare l'energia del fascio ionico e indirizzare il fascio sul bersaglio all'interno della camera a vuoto. Impostare la lente quadrupolare magnetica MQ04 e i parametri delle lenti XCC e YCC in modo da focalizzare approssimativamente il fascio. Aprire le valvole a saracinesca tra l'acceleratore e la linea del fascio, quindi aprire il bicchiere di Faraday FC04.

Utilizzare il monitor per osservare il profilo del fascio ionico sulla piastra di quarzo nella camera bersaglio. Sulla base di questo riscontro, regolare con precisione il magnete deflettore BM04 e le impostazioni della lente quadrupola magnetica. L'obiettivo è ottenere un fascio ionico ben focalizzato al centro della piastra del monitor del profilo.

Chiudere il collettore di Faraday e registrare i parametri prima di tornare alla linea del fascio. Di nuovo sulla linea del fascio 1E, utilizzare il riscaldatore del filamento per riscaldare rapidamente il campione di palladio fino a 600 Kelvin, quindi impostare il riscaldatore del filamento a circa 3,6 ampere per mantenere la temperatura del campione a 145 Kelvin. Isolare la camera dall'acceleratore e dalla pompa NEG prima di esporre il campione a 2.000 langmuir di idrogeno a 145 Kelvin.

Spegnere il riscaldatore del filamento e, quando la temperatura raggiunge 80 Kelvin, regolare la pressione di fondo dell'idrogeno a un micropascal. Nella stanza di controllo, impostare il fascio di ioni azoto all'energia iniziale desiderata. Per questo esperimento, assicurarsi che la coppa di Faraday 04 registri una corrente del fascio compresa tra 10 e 20 nanoampere.

Successivamente, inserire i parametri per la scansione energetica e il tempo di acquisizione nel software di controllo prima di avviare l'acquisizione automatica dei dati. Questi sono valori tipici dei parametri per BM03 per controllare la scansione energetica. I valori sono forniti per selezionare l'energia iniziale, l'energia finale e la variazione di energia ad ogni passo.

Il tempo di acquisizione è di 50 secondi. Le misurazioni dell'idrogeno in massa e all'interfaccia vengono effettuate sulla linea fascio 2C. Questo manipolatore è stato rimosso dalla linea fascio ed è pronto con un nuovo campione nel portacampione.

Per queste misurazioni, il campione è un sottile film di biossido di silicio su una superficie di silicio 100. Con il campione allineato parallelamente all'accesso del tubo di trasferimento, stringere le viti di fissaggio per bloccarlo in posizione. Ritirare il campione all'interno del tubo di trasferimento e fissarlo con una vite di bloccaggio.

Spostare il manipolatore nella sua posizione sulla linea del fascio e reinstallarlo sulla valvola a saracinesca. Quando il sistema è pronto, abbassare il campione nella posizione per la misurazione NRA. Come mostrato in questo schema, allineare la normale alla superficie del campione con il fascio incidente.

Utilizzare a questo scopo una telecamera e un monitor per la linea del fascio. Alla testa del manipolatore, collegare la linea della corrente del campione all'integratore di corrente della sala di controllo. Recarsi nella sala di controllo per proseguire.

Allineare grossolanamente il fascio impostando i parametri del magnete deflettore e della lente quadrupolare magnetica. Osservare il profilo del fascio sul monitor del profilo, ottimizzando ulteriormente i parametri per la trasmissione del fascio e mantenendo il profilo sul bersaglio. Successivamente, impostare il parametro BM03 per determinare l'energia iniziale del fascio per la scansione.

Al computer, inserire i parametri desiderati per la scansione energetica e avviare la scansione automatizzata dell'energia per acquisire un profilo in profondità. Questo profilo in profondità della superficie prossimale proviene da un cristallo singolo di palladio la cui superficie 110 è stata esposta a gas idrogeno. L'esperimento è stato eseguito sulla linea di fascio 1E con una pressione residua di idrogeno di 1,3 micropascal.

L'asse orizzontale inferiore indica l'energia del fascio di ioni di azoto. L'asse superiore fornisce una misura della profondità basata sul potere di arresto del palladio. I simboli aperti corrispondono a un esperimento con palladio che è stato pre-esposto per 100 secondi a 2.000 langmuir di gas idrogeno a 145 kelvin.

I dati sono stati raccolti a 90 Kelvin. Il profilo può essere scomposto in un picco a profondità zero in nero e una plateau in blu. L'area del picco fornisce informazioni sulla densità superficiale di idrogeno.

In questo caso, la copertura è di 1 1/2 idrogeni per atomo di palladio superficiale. Il plateau rivela che l'idrogeno è stato assorbito fino a una profondità di almeno 20 nanometri. I simboli grigi e neri si riferiscono a esperimenti senza pre-esposizione all'idrogeno.

Questi dati sono stati raccolti a 170 Kelvin. Questi grafici rappresentano dati provenienti da una serie di esperimenti con biossido di silicio su silicio effettuati nella linea di fascio 2C. Come in precedenza, l'energia degli ioni è riportata sull'asse inferiore.

La profondità lungo la parte superiore. Le posizioni dell'interfaccia tra i materiali sono indicate da una linea verticale tratteggiata. Tutti i profili mostrano due picchi che indicano una distribuzione non uniforme dell'idrogeno, compreso l'idrogeno presente a pochi nanometri davanti all'interfaccia tra ossido di silicio e silicio.

Gli esperimenti mostrati in questo video dimostrano che la tecnica NRA può distinguere l'idrogeno adsorbito sulla superficie da quello adsorbito nel volume o all'interfaccia in campioni solidi. Inoltre, l'NRA quantifica il contenuto di idrogeno nelle rispettive posizioni in profondità senza distruggere il materiale del campione. Si tenga presente che, in particolare, la temperatura e la pressione durante l'esposizione all'idrogeno influenzano in modo molto critico la distribuzione in profondità dell'idrogeno assorbito nel palladio.

Se questi parametri sperimentali vengono modificati, è probabile che il profilo di idrogeno risultante sia diverso da quelli mostrati in questo video. Dopo aver visto questo video, si dovrebbe avere una buona comprensione di come venga eseguita la misurazione mediante analisi di reazione nucleare presso la struttura MALT per determinare quantitativamente le densità di idrogeno su superfici e all'interno di materiali solidi attraverso profili di profondità su scala nanometrica.