핵 반응 분석과 깊이 프로파일 링을 통해 표면 및 인터페이스 레이어 및 대량 재료의 수소 농도의 정량화

공명 15 nH 핵반응을 이용한 핵반응 분석의 전반적인 목표는 고체 표면에 흡착된 수소 원자의 밀도를 측정하고, 재료 부피 내에 흡수된 수소의 깊이별 농도 분포를 결정하는 것입니다. 표면, 표면 근처 영역 및 고체의 얕은 계면에서의 수소 함량을 규명하는 것은 기초 재료 과학 및 공학의 많은 분야에서 핵심적인 과제입니다. 핵반응 분석의 주요 장점은 수소의 농도와 깊이 위치를 정량적이고 비파괴적으로, 그리고 나노미터 수준의 깊이 분해능으로 밝혀낼 수 있다는 점입니다.

NRA를 이용한 수소 프로파일링은 수소 저장 및 정제 재료 연구를 지원합니다. 연료 전지 및 수소화 촉매, 수소 유지 및 취성, 소자 제작 및 반도체 기술의 수소 관련 신뢰성 문제 등이 이에 해당합니다. 본 영상에서는 원자 수준으로 제어된 타겟 표면 및 얕은 계면에서 수소 층 밀도를 정량화하기 위해 NRA와 표면 과학 분석 기기를 결합한 독특한 방법을 시연합니다.

이 핵반응 분석 실험은 도쿄 대학교의 MALT 가속기 시설에서 진행됩니다. 표면 수소 측정은 이 초고진공 챔버 내의 빔 라인 1E에서 수행됩니다. 이 챔버에는 팔라듐 110 단결정 시료가 장착되어 있으며, 상온에서 10 nanopascals 미만의 압력으로 유지됩니다.

시료 챔버의 이 평면도 개략도는 장비 배치의 개요를 보여줍니다. 디플렉터와 Faraday cup을 포함하는 질소 이온 빔 라인이 왼쪽에 위치합니다. 또한, 스퍼터링을 위한 이온 건과 수소 입력구가 있습니다.

챔버에는 타겟의 INC2 준비를 위한 저에너지 전자 회절 및 오제 전자 분광법 수행 장치가 갖춰져 있습니다. 마지막 두 장비는 모식도 하단에 표시된 사중극자 질량 분석기와 우측의 신틸레이션 검출 시스템입니다. 시료는 챔버 중심 근처의 XYZ 스테이지에 있는 시료 홀더로 고정되며, 뷰포트를 통해 관찰할 수 있습니다.

이 사진은 현재 챔버 내에 있는 샘플이 장착된 샘플 홀더의 예시를 보여줍니다. 탄탈륨 와이어가 단결정 시편을 지지하고 있습니다. 또한 이 홀더는 전기적 및 열적 측정 기능을 제공합니다.

스퍼터링과 어닐링을 통해 챔버 내의 타겟 표면을 세척하는 것으로 시작하십시오. XYZ 스테이지를 작동시켜 샘플을 챔버 중앙에 위치시킵니다. 또한, 샘플을 회전시켜 적절하게 정렬하십시오.

샘플이 이온 건과 뷰포트 사이에 있는 가스 도저를 향하도록 해야 합니다. 각도를 미세 조정하려면 이온 건 전원 공급 장치를 켜십시오. 이미션 제어(emission control)를 20 milliamps로 조정하십시오.

뷰포트를 통해 샘플을 관찰하면서 각도를 미세하게 조정합니다. 목표는 이온 건 필라멘트의 거울상이 샘플 표면에 보이게 하는 것입니다. 미세 조정이 완료되면, 빔 에너지를 위한 이온 건 전원 공급 장치 설정을 800 electron volts로 변경합니다.

다음으로, 챔버 하단에 있는 NEG 펌프 게이트 밸브를 닫습니다. 가변 리크 밸브를 사용하여 챔버 내에 9 millipascal의 아르곤 가스를 주입합니다. 스퍼터 이온 전류 값은 시료와 접지 사이에 연결된 디지털 테스터를 통해 확인하십시오.

스퍼터링이 진행되는 10분 동안 전류가 약 2 µA 정도인지 확인하십시오. 가변 누설 밸브를 닫고 이온 건 전원 공급 장치를 꺼서 스퍼터링을 중단합니다. 액체 질소를 매니퓰레이터로 가져와 크라이오스탯에 약 100 mL를 추가하여 준비 과정을 계속하십시오.

조작기 앞에 머물며 어닐링을 위한 전기 연결을 수행합니다. 필라멘트 히터 덮개를 히터 전원 공급 장치에 연결하십시오. 또한, 온도를 모니터링하기 위해 열전대 피드스루를 디지털 테스터에 연결하십시오.

필라멘트를 챔버 본체에 연결하여 접지합니다. 마지막으로 시료 접점을 바이어스 전압 전원 공급 장치에 연결합니다. 이 시점에서 고전압 전원 공급 장치를 설정합니다.

시료에 1 kV의 바이어스를 인가하십시오. 이어서 시료를 1,000 K에서 어닐링하고 750 K에서 산화시키십시오. 어닐링과 산화 공정이 완료되면, 시료에 대해 저에너지 전자 회절(LEED) 분석을 준비하십시오.

회절 패턴을 관찰하고, 이 예시와 같이 밝은 점들이 있고 배경 잡음이 낮은 명확한 구조가 나타나는지 확인하십시오. 필요에 따라 스퍼터링, 어닐링, 산화 및 환원 단계를 반복할 준비를 하십시오. 다음 단계는 핵반응 분석을 위해 단결정 타겟에 질소 이온 빔을 정렬하는 것입니다.

XY 평면에서 시료를 중앙에 맞추고 Z 위치를 질량 분석기 전면 구멍의 높이로 조정합니다. 시료를 다시 회전시켜 빔 라인을 향하게 합니다. 다음으로, 시료 홀더를 내려 빔 프로파일 모니터를 핵반응 분석 위치에 배치합니다.

제어실로 빔 프로파일 이미지를 전송할 수 있도록 윈도우 플랜지에 카메라를 설치하십시오. 매니퓰레이터로 돌아가 샘플에 연결된 모든 전기 접점을 제거하십시오. 그 후, 샘플 전류선을 연결하십시오.

이제 이온 빔 도입 준비를 합니다. 빔 라인의 정전 굴절기 전압을 8,500 volt로 설정하십시오. 계속하려면 제어실로 들어가십시오.

여기서 전류 적분기를 대기 모드에서 작동 모드로 전환하십시오. 이 도식은 이온 빔이 서로 다른 실험 빔 라인으로 분배되기 전의 가속기 빔 라인 일부를 나타냅니다. 실험 빔 라인 또한 함께 표시되어 있습니다.

본 프로토콜에는 네 가지 중요한 구성 요소가 있습니다. BM03은 90도 섹터 마그넷으로, 깊이 프로파일링 중에 이온 빔 에너지를 선택하는 역할을 합니다.

FC04는 이온 빔 전류를 측정하고 빔이 시료에 도달하는 것을 방지하기 위해 빔 경로에 삽입할 수 있는 패러데이 컵입니다. MQ04는 빔을 시료에 집중시키는 데 사용되는 자기 사중극자 렌즈입니다. 그리고 BM04는 빔을 빔 라인으로 유도하는 굴곡 자석입니다.

이온 빔 에너지를 조정하고 진공 챔버 내의 타겟으로 빔을 유도하는 단계를 수행합니다. 빔을 대략적으로 집속시키기 위해 MQ04 자기 쿼드러플 렌즈, XCC 및 YCC 렌즈 파라미터를 설정합니다. 가속기와 빔 라인 사이의 게이트 밸브를 열고 Faraday cup인 FC04를 엽니다.

모니터를 사용하여 타겟 챔버 내 석영 플레이트 상의 이온 빔 프로파일을 관찰하십시오. 이 피드백을 바탕으로 굽힘 자석 BM04와 자기 사중극 렌즈 설정을 미세 조정합니다. 목표는 프로파일 모니터 플레이트 중심에 잘 집중된 이온 빔을 얻는 것입니다.

패러데이 컵을 닫고 빔 라인으로 돌아가기 전에 파라미터를 기록합니다. 빔 라인 1E로 돌아와 필라멘트 히터를 사용하여 팔라듐 샘플을 600 Kelvin까지 플래시 가열한 후, 필라멘트 히터를 약 3.6 amps로 설정하여 샘플 온도를 145 Kelvin으로 유지합니다. 샘플을 145 Kelvin에서 2, 000 langmuirs의 수소에 노출시키기 전에 챔버를 가속기 및 NEG 펌프로부터 격리합니다.

필라멘트 히터를 끄고 온도가 80 Kelvin에 도달하면, 수소 배경 압력이 1 micropascal이 되도록 조정하십시오. 제어실로 돌아가 질소 이온 빔이 원하는 시작 에너지를 갖도록 설정하십시오. 본 실험에서는 Faraday cup 04에 측정되는 빔 전류가 10 to 20 nanoamps가 되도록 하십시오.

다음으로, 자동 데이터 수집을 시작하기 전 제어 소프트웨어에 에너지 스캔 및 수집 시간 파라미터를 입력하십시오. 이는 에너지 스캔을 제어하기 위한 BM03의 일반적인 파라미터 값입니다. 초기 에너지, 최종 에너지 및 단계별 에너지 변화량을 선택하기 위한 값들이 제공됩니다.

획득 시간은 50초입니다. 벌크 및 계면 수소 측정은 빔라인 2C에서 수행됩니다. 이 매니퓰레이터는 빔라인에서 제거되었으며, 샘플 홀더에 새로운 샘플이 장착되어 준비된 상태입니다.

이러한 측정들을 위해, 샘플은 silicon 100 표면 위의 이산화규소 박막을 사용합니다. 샘플을 이송 튜브 입구와 평행하게 정렬한 후, 클램프 나사를 조여 샘플을 고정합니다. 샘플을 이송 튜브 안으로 후퇴시킨 후 잠금 나사로 고정합니다.

매니퓰레이터를 빔 라인의 해당 위치로 이동시킨 후 게이트 밸브에 다시 설치하십시오. 시스템 준비가 완료되면 샘플을 NRA 측정 위치로 내립니다. 이 모식도와 같이 샘플 표면이 입사 빔에 수직이 되도록 정렬하십시오.

이 목적을 위해 빔라인 카메라와 모니터를 사용하십시오. 매니퓰레이터 헤드에서 시료 전류 라인을 제어실의 전류 적분기에 연결하십시오. 계속 진행하려면 제어실로 이동하십시오.

편향 자석 및 자기 사중극 렌즈 파라미터를 설정하여 빔을 대략적으로 정렬하십시오. 빔 전송을 위해 파라미터를 추가로 최적화하고 빔 프로파일이 타겟에 유지되도록 하는 동안 프로파일 모니터로 빔 프로파일을 관찰하십시오. 다음으로, 스캔을 위한 시작 빔 에너지를 결정하기 위해 BM03 파라미터를 설정하십시오.

컴퓨터에서 에너지 스캔에 필요한 파라미터를 입력하고, 깊이 프로파일(depth profile)을 획득하기 위해 자동 에너지 스캔을 시작하십시오. 이 표면 근처 깊이 프로파일은 110 표면을 수소 가스에 노출시킨 단결정 팔라듐에서 얻은 것입니다. 실험은 1.3 micropascals의 수소 배경 압력 조건 하에 빔라인 1E에서 수행되었습니다.

하단 가로축은 질소 이온 빔 에너지를 나타냅니다. 상단 축은 팔라듐의 저지능(stopping power)을 기반으로 한 깊이 측정값을 제공합니다. 빈 기호는 145 Kelvin에서 2,000 langmuirs의 수소 가스에 100초 동안 사전 노출된 팔라듐을 사용한 실험에 해당합니다.

데이터는 90 Kelvin에서 측정되었습니다. 프로파일은 검은색으로 표시된 깊이 0의 피크와 파란색으로 표시된 플래토(plateau)로 분해될 수 있습니다. 피크의 면적은 수소 표면 밀도에 대한 정보를 제공합니다.

이 경우, 피복도는 표면 팔라듐 원자당 1 1/2개의 수소입니다. 평탄 구간은 수소가 최소 20 nanometers 깊이까지 흡수되었음을 나타냅니다. 회색과 검은색 기호는 수소를 사전 투여하지 않은 실험 결과입니다.

이 데이터는 170 Kelvin에서 측정되었습니다. 이 그래프들은 빔 라인 2C에서 수행된 실리콘 기판 위 이산화규소의 일련의 실험 데이터를 나타냅니다. 이전과 마찬가지로, 이온 에너지는 하단 축에 표시되어 있습니다.

상단을 따른 깊이입니다. 재료 간 계면의 위치는 수직 점선으로 표시되어 있습니다. 모든 프로파일은 두 개의 피크를 보여주며, 이는 실리콘 산화물-실리콘 계면 바로 앞 몇 나노미터 거리의 수소를 포함하여 수소가 불균일하게 분포되어 있음을 나타냅니다.

이 비디오의 실험들은 NRA 기술이 고체 타겟 내의 표면 흡착 수소와 부피 또는 계면 흡착 수소를 구분할 수 있음을 보여줍니다. 또한, NRA는 시료 물질을 파괴하지 않고 각각의 깊이 위치에 있는 수소 함량을 정량화합니다. 특히 수소 노출 중의 온도와 압력이 팔라듐에 흡착된 수소의 깊이 분포에 매우 결정적인 영향을 미친다는 점에 유의하시기 바랍니다.

이러한 실험 매개변수가 변경되면, 본 영상에 제시된 것과 다른 수소 프로파일이 나타날 가능성이 높습니다. 이 영상을 시청함으로써, 나노스케일 깊이 프로파일을 통해 고체 재료의 표면 및 내부 수소 밀도를 정량적으로 결정하기 위해 MALT 시설에서 핵반응 분석 측정이 어떻게 수행되는지에 대해 충분히 이해하셨기를 바랍니다.