Method Article

核反応分析と深さ方向分析を通じて表面・界面層とバルク材料中の水素濃度の定量

DOI:

10.3791/53452

⸱

March 29th, 2016

 ,  ,  ,  , 
1Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, 2Micro Analysis Laboratory, Tandem accelerator, The University Museum, The University of Tokyo

In This Article

Summary

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我々は、定量的に表面上に、体積で、 ​​固体材料の界面層の水素原子の密度を評価するために、12 Cの共鳴核反応分析（NRA）（αγ、15 N）1 Hの適用を示します。パラジウムの表面近傍水素深さプロファイリング（110）単結晶およびSiO 2 / Siから（100）スタックに記載されています。

Abstract

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共振1 Hを介して核反応分析（NRA）（15 Nは、αγ）12 C反応を定量的かつ非破壊的界面における表面の水素濃度分布を明らかにするデプスプロファイリングの非常に有効な方法である、との体積高深さ分解能を持つ固体材料。技術は、静電加速器によって提供さ6.385 MeVの15 Nイオンビームを照射し、具体的にターゲット表面から最大約2μmの深さでの1 H同位体を検出します。表面のHカバレッジは。ppmの〜10 18 cm -3 で （〜100の検出限界〜10 13 cm -2の（典型的な単原子層密度の約1％）とH容積濃度の順で感度に測定されています）。表面近傍の深さ分解能は、ターゲット上に面型15 Nイオン入射2-5 nmであるとADOPによって非常に平坦なターゲットのための1 nm以下の値に向上させることができますティン表面斜入射ジオメトリ。この方法は、汎用性と容易に滑らかな表面を有する任意の高真空互換性の均質材料（無気孔）に適用されています。導電性のターゲットは、通常、無視できる程度の劣化でイオンビーム照射を許容します。水素定量し、正しい深さ分析は、元素組成（他に水素）およびターゲット材料の質量密度の知識を必要とします。特に、in-situでターゲット調製および特性評価のための超高真空法、1 Hとの組み合わせで（15 N、αγ）12 C NRAは、理想的には、原子レベルで制御された表面およびナノ構造界面で水素の分析に適しています。私たちは、例示的に、ここで（1）定量的に表面被覆率およびPd露出したH 2の表面近傍領域における水素のバルク濃度を測定する東京大学のMALTタンデム加速器施設で15 N NRAの適用性を実証します（110）単結晶、及び（2）のSi（100）上に薄いSiO 2膜の界面付近の水素の深さ位置と層の密度を決定します。

Introduction

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不純物として又は材料の広大な様々な構成要素としての水素の普遍性と水素誘発性相互作用現象の富は、多くの分野で重要な課題表面近傍領域における、固形物の埋設界面における水素の分布を明らかにしますエンジニアリングおよび基本的な材料科学。著名なコンテキストは、エピタキシャル成長の製造および水素 - 水素エネルギーのアプリケーション、燃料電池、光、および水素化触媒のためのストレージおよび精製材料中の水素吸収の研究、核と核融合原子炉工学における水素の保持と脆化、水素により誘導される界面活性剤の効果を含みます半導体デバイス技術における関連する電気的信頼性の問題。

その遍在とシンプルな原子構造にもかかわらず、水素の定量的検出は、分析の課題を提起します。水素は、単一電子、そうでない場合は汎用性の高い元素analysが含まれていたように無効にされている電子分光法です。そのような冶金融合など、分析質量光、または核共鳴技術、熱脱着、赤外線吸収またはNMR分光法を介して共通の水素検出方法は、主に水素の深さの場所に鈍感です。これは、例えば 、したがって、表面吸着とバルク吸収それらの物理的および化学物質の相互作用に実質的に異なる、水素、及びそれらの違いを区別することは小容量および大表面積を含むナノ構造材料の分析のためにますます重要になって、排除します。二次イオン質量分析法による水素プロファイリングは、深さ分解定量H濃度を提供するものの、冶金融合として分析対象にも同様に破壊的であり、かつスパ....

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Protocol

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実験1.計画

  1. 測定タスク（バルク又は界面水素のための表面水素、BL-2CのためのBL-1E）に応じて、関心のMALT加速器ビームラインを特定します。 NRAの測定とその必要な準備の詳細を議論するために支援する科学者（現在MWまたはKF）に問い合わせてください。
  2. ビームタイムの申込書をダウンロードし、MALTのウェブサイト31上の提出期限を観察します。
    注：MALT施設はそれぞれ3月と9月の夏用（4月〜9月）と冬（10月〜3月）の半年間の任期、それぞれ新たなプロジェクトの提案を募集しています。
  3. ビームタイムの提案を書き、MALTのウェブサイトに指示された通りに提出します。
  4. MALTのウェブサイト31日に発表よう提案の承認を得た後、今後の半年間の任期のためのビームタイムスケジュールを確認してください。安全教育は、期首における新規ユーザーのために必要とされます。
  5. ADVA社でのビームタイムの準備NCE。 （必要な場合）のサンプルをインストールするための、特にUHV中でin-situで表面の準備のために、材料の輸送のために必要な実験のすべての詳細、および時間を考慮してください。ビームタイムが始まる前にNRA測定のための準備ができて対象標本。

BL-1EでNRA測定のための2.準備（UHV）

注意：真....

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Results

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図4に示すように近表面H 2のNRAのHプロファイルは、1.33×10 -6 PaでのH 2バックグラウンド圧力下でのPd 90 Kの試料温度でBL-1E UHVシステムで測定された（110）-exposed。 15 Nイオンの入射エネルギーは、Pd（S = 3.90 keVの/ nm）での阻止能を使用して深さをプローブに変換されています。オープンシンボルプロファイルは、Pdバルク15内の水素の吸収を誘発するために145 Kで2,000 LH 2にパラジウム（110）試料を前露光後に得ました。このプロファイルは、Eの解像度 = 6.385 MeVの全体プロファイリング深さ領域の上にストレッチ幅広いγ-降伏棚にピークに分解することができます。プラトー領域はパラジウムバルクへの水素の吸収が行われたことを証明しているのに対し、E 解像度は 、ターゲット.......

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Discussion

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図4は、BL-1E UHVシステム中のPd（110）単結晶の例では15 N NRAを通してバルク吸収された水素からの表面吸着の効率的な区別および定量を示しています。 3つのプロファイルにおける表面のHピークの高い再現性のin-situ UHV試料調製の信頼性およびNRA測定の非破壊特性を証明します。さらに期待される原子飽和密度で決まるHカバレッジの定量的な合意は、NRA測定の精度を示しています。 図4の閉じるH 2のNRAプロファイル間の比較プレさらされたPd（110）（白抜き記号）およびPd上の唯一の表面水素の2つの励起曲線（110）（グレーと黒のシンボル）を示し、その中の表面ピーク非対称最上位〜5 nm単位のバルク吸収された水素の高原に向かって旧Hプロファイルの尾。潜在的に非uniforのような繊細なディテール密接に表面の下メートルの水素分布はNRAを通して明らかにすることができます。浅い地下領域において同様H蓄積はまた、他の金属（白金、チタン）11,14で観察されています。地下領.......

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Disclosures

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著者らは、競合する金銭的利益はないと宣言している。

Acknowledgements

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我々は非常に遠隔データ収集PCからMALTアクセラレータのパラメータを制御することにより、NRA Hの深さプロファイルの自動測定を可能にするソフトウェアを実装するためのM.松本に感謝しています。私たちは、BL-1E UHVシステムで巧みに行ったPd（110）試料調製とNRAとTDS測定のためK.難波に感謝し、アクセル操作における技術支援のためのC.中野。 SiO 2 / Siの（100）試料は感謝日本電気株式会社、日本のZ.劉の礼儀として受信されます。この作品は、部分的費補助金科学研究費（助成番号24246013および26108705）だけでなく、革新的な地域における科学研究費補助金を通じて日本学術振興会（JSPS）のによってサポートされています日本の文部科学省から、技術：「複雑な相関と非平衡ダイナミクスComputicsを通して材料設計」。

....

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Materials

List of materials used in this article
NameCompanyCatalog NumberComments
<強い>材料
Pd単結晶 SPL(Surface Preparation Laboratory)、http://www.spl.eu/products.html、またはその他の適切なサプライヤー仕様に合わせて注文されたディスク、直径9 mm、(110)配向、0.5度以下に整列、片面を0.3 mm以上の粗さに研磨、自己準備された試料 
H2ガス株式会社Joutouガス株式会社、日本、http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html（99.9995%)、またはその他の適切な供給元
O2株式会社Joutouガス株式会社、日本、http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html）(99.99%)、またはその他の適切な供給元
Ar gas株式会社、日本、http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html(99.99995%)、またはその他の適切なサプライヤー
タンタル/ワイヤーThe Nilaco Corporation、http://nilaco.jp/en/order.phpTA-411325(99.95%)、直径0.3 mm、またはその他の適切なサプライヤー
アルメル/ワイヤー Nilaco Corporation、http://nilaco.jp/en/order.php 851266直径0.2 mm、またはその他の適切なサプライヤー
クロメル/ワイヤー(Chromel)Nilaco Corporation、http://nilaco.jp/en/order.php 8612660.2 mm diam.、またはその他の適切なサプライヤー
Equipment
3 keVラスターイオン砲および制御VARIANT、http://www.eurovac.se/docs/varian1.htm981-2046 電源、981-2043 イオンガン、または他の適切なメーカーの同等の製品
LEED-AUGER OpticsOCI、http://www.ocivm.com/spectrometer_bdl800ir.htmlBDL600IRまたは他の適切なメーカーの同等の製品
四重極質量分析計ファイファー真空、http://www.pfeiffer-vacuum.com/Prisma QMS 200または、他の適切なメーカーの
同等の製品 パラジウム水素清浄器Power + Energy Inc.、http://www.powerandenergy.comPE-300199.99999999% 純度。P+E H2清浄機は、現在、SAES Pure Gases Inc., http://www.saespuregas.com/Products/Gas-Purifier/Hydrogen/Palladium-Membrane/Palladium-Purifier-PE2100.html
ガス

References

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. 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).
  2. Lanford, W. A. Nuclear Reactions for Hydrogen Analysis, Chapter 8. Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis. JR, T. esmer,....

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