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

共鳴15 nH核反応を用いた核反応解析の全体的な目標は、固体表面上の吸収された水素原子の密度を測定し、物質の体積における吸収された水素の濃度と深さの分布を決定することです。固体の表面、表面近傍領域、および浅い界面での水素含有量を明らかにすることは、基礎材料科学および工学の多くの分野で重要な問題です。核反応解析の主な利点は、水素の濃度と深さの位置を定量的に、非破壊的に、ナノメートルの深さ分解能で明らかにすることです。

NRAによる水素プロファイリングは、水素貯蔵・精製材料の研究をサポートします。燃料電池と水素化触媒、水素の保持と脆化、デバイス製造、半導体技術における水素関連の信頼性に関する懸念。このビデオでは、原子制御されたターゲット表面および浅い界面における水素層密度の定量化のための、NRAと表面科学機器とのユニークな組み合わせを示します。

これらの核反応解析実験は、東京大学のMALT加速器施設で行われています。表面水素の測定は、ビームライン1Eで行っている超高真空チャンバーです。このチャンバーにはパラジウム110単結晶サンプルがロードされており、室温で10ナノパスカル未満に保持されています。

このサンプルチャンバーの上面図は、装置レイアウトの概要を示しています。左側にデフレクターとファラデーカップを含む窒素イオンビームラインがあります。さらに、スパッタリング用のイオンガンと水素用のインプットがあります。

このチャンバーは、ターゲットのINC2調製のための低エネルギー電子回折およびオージェ電子分光法を実行するために装備されています。最後の2つの装置は、回路図の下部に示されている四重極質量分析計と右のシンチレーション検出システムです。サンプルは、チャンバーの中央付近にあるXYZステージ上のサンプルホルダーによって保持され、ビューポートを通して見ることができます。

この写真は、現在チャンバー内にあるサンプルを備えたサンプルホルダーの例を示しています。タンタルワイヤーは単結晶試料を支えます。また、このホルダーは、電気的および熱的測定を容易にします。

まず、スパッタリングとアニールによりチャンバー内のターゲット表面を洗浄します。XYZステージを操作して、サンプルをチャンバーの中央に配置します。さらに、サンプルを回転させて適切に位置合わせします。

サンプルは、イオンガンとビューポートの間のガスドーザーに面している必要があります。角度を微調整するには、イオンガンの電源をオンにします。排出ガス制御を20ミリアンペアに調整します。

ビューポートでサンプルを観察し、角度を微調整します。目標は、イオンガンフィラメントの鏡像をサンプル表面に見えるようにすることです。微調整が完了したら、ビームエネルギーのイオンガン電源設定を800電子ボルトに変更します。

次に、チャンバーの底部で、NEGポンプゲートバルブを閉じます。可変リークバルブを使用して、9ミリパスカルのアルゴンガスをチャンバーに導入します。スパッタイオン電流の読み取りについては、サンプルとグランドの間に接続されたデジタルテスターを参照してください。

スパッタの10分間の持続時間で電流が約2マイクロアンペアであることを確認します。可変リークバルブを閉じ、イオンガンの電源を切ってスパッタリングを止めます。液体窒素をマニピュレーターに運び、クライオスタットに約100ミリリットルを追加して準備を続けます。

マニピュレーターにとどまり、アニーリングのための電気接続を行います。フィラメントヒーターの蓋をヒーター電源に接続します。また、熱電対フィードスルーをデジタルテスターに接続して、温度を監視します。

フィラメントをチャンバー本体に接続して接地します。最後に、サンプル接点をバイアス電圧電源に接続します。この時点で、高容量をセットアップしますtage電源。

1キロボルトのサンプルバイアスを適用します。1, 000ケルビンでサンプルをアニールし、750ケルビンで酸化します。アニールと酸化の後、サンプル上で低エネルギー電子回折を行う準備をします。

回折パターンを観察し、この例のように、明るいスポットと低いバックグラウンドノイズを備えた明確な構造を探します。必要に応じて、スパッタリング、アニール、酸化、還元のステップを繰り返す準備をしてください。次のステップは、窒素イオンビームを核反応分析のための単結晶ターゲットに整列させることです。

サンプルをXY平面の中央に配置し、Z位置を質量分析計の前面開口部の高さに調整します。サンプルを回転させてビームラインに向けます。次に、サンプルホルダーを下げて、ビームプロファイルモニターを核反応分析の位置に置きます。

窓のフランジにカメラをセットして、ビームプロファイル画像を制御室に送信します。マニピュレーターに戻り、サンプルへのすべての電気接点を取り外します。この後、サンプルの現在線をアタッチします。

さて、イオンビーム導入の準備をします。ビームラインの静電デフレクター電圧を8, 500ボルトに設定します。コントロールルームに入って続行します。

そこで、電流積分器をスタンバイモードから動作モードに切り替えます。この概略図は、イオンビームが各実験ビームラインに撹拌される前の加速器ビームラインの一部を表しています。実験ビームラインも表されています。

このプロトコルには、4つの重要な要素があります。BM03は90°セクターマグネットです。深さプロファイリング中にイオンビームのエネルギーを選択します。

FC04は、ビームに挿入することでイオンビーム電流を読み取り、ビームがサンプルに到達するのを防ぐことができるファラデーカップです。MQ04は、ビームをサンプルに集束させるために使用される磁気四重極レンズです。そしてBM04は、ビームをビームラインに向ける偏向磁石です。

イオンビームのエネルギーを調整し、ビームを真空チャンバー内のターゲットに向ける手順を実行します。MQ04 磁気四重極レンズ、XCC、および YCC レンズのパラメーターを、ビームにほぼ焦点を合わせるように設定します。加速器とビームラインの間のゲートバルブを開き、ファラデーカップFC04を開きます。

モニターを使用して、ターゲットチャンバー内のクォートプレート上のイオンビームプロファイルを観察します。このフィードバックを使用して、偏向磁石、BM04、および磁気四重極レンズの設定を微調整します。目標は、プロファイルモニタープレートの中央に集束のよいイオンビームを得ることです。

ファラデーカップを閉じてパラメータを記録してから、ビームラインに戻ります。ビームライン1Eに戻り、フィラメントヒーターでパラジウム試料を600ケルビンまでフラッシュ加熱し、フィラメントヒーターを約3.6アンペアに設定して試料温度を145ケルビンに保ちます。サンプルを145ケルビンで水素の2, 000ラングミュアにさらす前に、加速器とNEGポンプからチャンバーを分離します。

フィラメントヒーターの電源を切り、温度が80ケルビンに達したら、水素のバックグラウンド圧力を1マイクロパスカルに調整します。制御室に戻り、窒素イオンビームが目的の開始エネルギーを持つように手配します。この実験では、ファラデーカップ04が10〜20ナノアンペアのビーム電流を記録することを確認します。

次に、自動データ収集を開始する前に、エネルギースキャンとデータ収集時間のパラメータを制御ソフトウェアに入力します。これらは、BM03がエネルギースキャンを制御するための一般的なパラメータ値です。初期エネルギー、最終エネルギー、および各ステップによるエネルギーの変化を選択するための値が与えられます。

取得時間は50秒です。バルク水素と界面水素の測定は、ビームライン2Cで行われます。このマニピュレーターはビームラインから取り外され、サンプルホルダーに新しいサンプルが入る準備ができています。

これらの測定では、サンプルはシリコン100表面上の二酸化ケイ素の薄膜です。サンプルをトランスファーチューブのアクセスと平行に整列させた状態で、クランプネジを締めて所定の位置に固定します。サンプルをトランスファーチューブに引っ込め、固定ネジで固定します。

マニピュレータをビームライン上の位置に移動し、ゲートバルブに再度取り付けます。システムの準備ができたら、サンプルをNRA測定の位置に下げます。この回路図のように、入射ビームに垂直なサンプル表面を位置合わせします。

ビームラインカメラとモニターを使用してください。マニピュレータヘッドで、サンプル電流ラインを制御室の電流積分器に接続します。コントロールルームに移動して続行します。

もちろん、偏向磁石と磁気四重極レンズのパラメータを設定して、ビームを位置合わせします。プロファイルモニターでビームプロファイルを観察しながら、ビーム透過のパラメータをさらに最適化し、プロファイルをターゲットに保ちます。次に、BM03パラメータを設定して、スキャンの開始ビームエネルギーを決定します。

コンピューターで、エネルギースキャンに必要なパラメータを入力し、エネルギーの自動スキャンを開始して深度プロファイルを取得します。この表面近傍の深さプロファイルは、110の表面が水素ガスにさらされた単結晶パラジウムからのものです。実験は、水素バックグラウンド圧1.3マイクロパスカルのビームライン1Eで行われました。

下の横軸は窒素イオンビームエネルギーを与えます。上軸は、パラジウムの停止力に基づく深さの尺度を提供します。開いた記号は、145ケルビンで水素ガスの2, 000ラングミュワーに100秒で事前に露出されたパラジウムの実験に対応しています。

データは90ケルビンで取得されました。プロファイルは、黒の深さ0のピークと青のプラトーに分解できます。ピークの面積は、水素表面密度に関する情報を提供します。

この場合、カバレッジは表面パラジウム原子あたり1 1/2水素です。この高原は、水素が少なくとも20ナノメートルの深さまで吸収されたことを示しています。灰色と黒の記号は、水素を事前に投与しない実験用です。

これらのデータは170ケルビンで取得されました。これらのプロットは、ビームライン2Cで行われたシリコン上の二酸化ケイ素を用いた一連の実験のデータを表しています。前回と同様に、イオンエネルギーは下軸に表示されます。

上部に沿った深さ。材料間のインターフェースの位置は、垂直の破線で示されます。すべてのプロファイルは、酸化ケイ素シリコン界面のわずか数ナノメートル前に水素を含む水素の不均一な分布を示す2つのピークを示しています。

このビデオの実験では、NRAの手法が固体ターゲット内の表面吸収水素と体積吸収水素または界面吸収水素を区別できることを示しています。NRAはさらに、サンプル材料を破壊することなく、それぞれの深さ位置での水素含有量を定量化します。特に水素曝露時の温度と圧力は、パラジウムに吸収された水素の深さ分布に非常に大きく影響することに注意してください。

これらの実験パラメータを変更すると、このビデオに示されているものとは異なる水素プロファイルが生じる可能性があります。このビデオを見た後、MALT施設で核反応分析測定がどのように行われ、ナノスケールの深さプロファイルを通じて固体材料の表面および内部の水素密度を定量的に決定するかについて、良い印象を与えるはずです。