Kwantyfikacja stężeń wodoru w warstwach powierzchniowych i granicznych faz oraz materiałach sypkich poprzez profilowanie głębokości z analizą reakcji jądrowej

Ogólnym celem analizy reakcji jądrowych z wykorzystaniem rezonansowej reakcji jądrowej 15 nH jest pomiar gęstości zaabsorbowanych atomów wodoru na powierzchniach ciał stałych oraz określenie rozkładu stężenia w funkcji głębokości zaabsorbowanego wodoru w objętości materiałów. Określenie zawartości wodoru na powierzchniach, w obszarze przypowierzchniowym oraz na płytkich granicach faz ciał stałych jest kluczową kwestią w wielu dziedzinach fundamentalnej nauki o materiałach i inżynierii. Główną zaletą analizy reakcji jądrowych jest to, że pozwala ona na ilościowe i nieniszczące określenie stężenia oraz lokalizacji głębokościowej wodoru z nanometrową rozdzielczością głębokości.

Profilowanie wodoru za pomocą NRA wspiera badania nad materiałami do magazynowania i oczyszczania wodoru. Obejmuje ono katalizatory ogniw paliwowych i uwodorniania, retencję i kruchość wodorową, wytwarzanie urządzeń oraz kwestie niezawodności związane z wodorem w technologii półprzewodnikowej. W tym filmie prezentujemy unikalne połączenie NRA z aparaturą do fizyki powierzchni w celu ilościowego oznaczenia gęstości warstw wodoru na powierzchniach celów kontrolowanych atomowo oraz na płytkich granicach faz.

Niniejsze eksperymenty z analizy reakcji jądrowych są przeprowadzane w ośrodku akceleratora MALT na Uniwersytecie Tokijskim. Pomiary wodoru powierzchniowego są wykonywane na linii wiązki 1E w tej komorze ultrawysokiej próżni. W komorze umieszczona została próbka monokryształu palladu 110, a ciśnienie utrzymywano na poziomie poniżej 10 nanopascals w temperaturze pokojowej.

Ten schemat komory próbkowania widziany z góry przedstawia ogólny układ aparatury. Linia wiązki jonów azotu, obejmująca deflektor i kubek Faradaya, znajduje się po lewej stronie. Dodatkowoly znajduje się działo jonowe do rozpylania oraz wlot dla wodoru.

Komora jest wyposażona do przeprowadzania dyfrakcji elektronów niskich energii oraz spektroskopii Auger w celu przygotowania celów INC2. Dwa ostatnie instrumenty to spektrometr mas quadrupole widoczny na dole schematu oraz system detekcji scyntylacyjnej po prawej stronie. Próbka jest zamocowana w uchwycie na stole XYZ w pobliżu centrum komory i może być obserwowana przez okno obserwacyjne.

Na tym zdjęciu przedstawiono przykład uchwytu z próbką, która znajduje się obecnie w komorze. Druty tantalowe podtrzymują pojedynczy kryształ próbki. Uchwyt umożliwia również pomiary elektryczne i termiczne.

Zacznij od oczyszczenia docelowej powierzchni w komorze poprzez rozpylanie i wyżarzanie. Uruchom stół XYZ, aby umieścić próbkę w centrum komory. Dodatkowo obróć próbkę, aby odpowiednio ją wyrównać.

Próbka powinna być skierowana w stronę dozownika gazu znajdującego się pomiędzy działem jonowym a okienkiem obserwacyjnym. Aby precyzyjnie ustawić kąt, włącz zasilacz działa jonowego. Ustaw sterowanie emisją na 20 mA.

Obserwuj próbkę przez okno obserwacyjne, precyzyjnie regulując jej kąt. Celem jest uzyskanie widoczności obrazu zwierciadlanego włókna działa jonowego na powierzchni próbki. Po zakończeniu precyzyjnej regulacji zmień ustawienie zasilacza działa jonowego dla energii wiązki na 800 electron volts.

Następnie, na dole komory, zamknij zawór odcinający pompy NEG. Użyj regulowanego zaworu upustowego, aby wprowadzić do komory argon o ciśnieniu 9 millipascal. W celu odczytu prądu jonów rozpylanych sprawdź cyfrowy miernik podłączony między próbką a masą.

Upewnij się, że natężenie prądu wynosi około dwóch µA przez cały 10-minutowy czas napylania. Przerwij proces napylania, zamykając regulowany zawór nieszczelności i wyłączając zasilacz działa jonowej. Kontynuuj przygotowania, doprowadzając ciekły azot do manipulatora i dodając około 100 ml do kriostatu.

Pozostań przy manipulatorze, aby wykonać połączenia elektryczne niezbędne do wyżarzania. Podłącz pokrywy grzejnika włókna do zasilacza grzejnika. Podłącz również przepust termopary do cyfrowego testera w celu monitorowania temperatury.

Uziemnij żarnik, łącząc go z korpusem komory. Na koniec podłącz styk próbki do zasilacza napięcia polaryzującego. W tym momencie skonfiguruj zasilacz wysokiego napięcia.

Przykładz napięcie próbki o wartości jednego kilowolta. Następnie przeprowadź wygrzewanie próbki w temperaturze 1 000 Kelvin oraz utlenianie w temperaturze 750 Kelvin. Po wygrzewaniu i utlenianiu przygotuj próbkę do dyfrakcji niskonapięciowych elektronów.

Zaobserwuj wzór dyfrakcyjny i poszukaj wyraźnej struktury z jasnymi plamkami i niskim poziomem szumu tła, jak w tym przykładzie. Bądź przygotowany do powtórzenia etapów rozpylania, wyżarzania, utleniania i redukcji w razie potrzeby. Kolejnym krokiem jest ustawienie wiązki jonów azotu na monokrystalicznym celu w celu przeprowadzenia analizy reakcji jądrowych.

Wycentryguj próbkę w płaszczyźnie XY i dostosuj pozycję Z do wysokości przedniej apertury spektrometru masowego. Obróć próbkę z powrotem tak, aby była skierowana w stronę linii wiązki. Następnie opuść uchwyt próbki, aby ustawić monitor profilu wiązki w pozycji odpowiedniej do analizy reakcji jądrowych.

Zamocuj kamerę na kołnierzu okna, aby przesyłać obrazy profilu wiązki do sterowni. Powróć do manipulatora i usuń wszystkie styki elektryczne od próbki. Następnie podłącz linię prądową próbki.

Teraz należy przygotować się do wprowadzenia wiązki jonowej. Ustaw napięcie deflektora elektrostatycznego na linii wiązki na 8 500 V. Wejdź do sterowni, aby kontynuować.

Następnie przełącz integrator prądu z trybu czuwania na tryb pracy. Ten schemat przedstawia fragment linii wiązki akceleratora przed rozdzieleniem wiązki jonowej na poszczególne linie wiązek eksperymentalnych. Przedstawione są również linie wiązek eksperymentalnych.

Istnieją cztery komponenty istotne dla tego protokołu. BM03 to magnes sektorowy o kącie 90 stopni. Służy on do wyboru energii wiązki jonów podczas profilowania głębokościowego.

FC04 to kubek Faradaya, który można wsunąć w wiązkę w celu odczytu prądu wiązki jonowej oraz zapobiegania dotarciu wiązki do próbki. MQ04 to soczewka kwadrupolowa używana do ogniskowania wiązki na próbce. Natomiast BM04 to magnes odginający, który kieruje wiązkę do linii wiązkowych.

Należy podjąć kroki w celu dostrojenia energii wiązki jonowej i skierowania wiązki na cel w komorze próżniowej. Ustawić parametry soczewki magnetycznej kwadrupolowej MQ04 oraz soczewek XCC i YCC, aby wstępnie skupić wiązkę. Otworzyć zawory odcinające pomiędzy akceleratorem a linią wiązki, a następnie otworzyć kubek Faradaya FC04.

Użyj monitora do obserwacji profilu wiązki jonowej na płytce kwarcowej w komorze celu. Na podstawie tych informacji precyzyjnie dostrój ustawienia magnesu zaginającego BM04 oraz soczewki kwadrupolowej. Celem jest uzyskanie dobrze skupionej wiązki jonowej w centrum płytki monitora profilu.

Zamknij kubek Faradaya i zapisz parametry przed powrotem do linii wiązki. Po powrocie do linii wiązki 1E użyj grzałki włóknowej, aby gwałtownie podgrzać próbkę palladu do 600 Kelvin, a następnie ustaw grzałkę na około 3,6 amps, aby utrzymać temperaturę próbki na poziomie 145 Kelvin. Odizoluj komorę od akceleratora i pompy NEG przed poddaniem próbki działaniu 2 000 langmuirów wodoru w temperaturze 145 Kelvin.

Wyłącz grzałkę włókna i gdy temperatura osiągnie 80 Kelvin, dostosuj ciśnienie tła wodoru do poziomu jednego mikropaskala. W sterowni ustaw wiązkę jonów azotu na pożądaną energię początkową. W tym eksperymencie upewnij się, że kubek Faradaya 04 rejestruje prąd wiązki od 10 do 20 nanoamperów.

Następnie, przed rozpoczęciem automatycznego gromadzenia danych, wprowadź do oprogramowania sterującego parametry skanowania energii oraz czas akwizycji. Poniżej przedstawiono typowe wartości parametrów dla BM03 służące do kontroli skanowania energii. Podano wartości dla wyboru energii początkowej, energii końcowej oraz zmiany energii w każdym kroku.

Czas akwizycji wynosi 50 sekund. Pomiary wodoru w objętości i na powierzchni są przeprowadzane na linii wiązki 2C. Manipulator ten został usunięty z linii wiązki i jest przygotowany z nową próbką w uchwycie na próbkę.

W przypadku tych pomiarów próbką jest cienka warstwa dwutlenku krzemu na powierzchni krzemu 100. Po ustawieniu próbki równolegle do wejścia rurki transportowej, należy dokręcić śruby zaciskowe, aby ją unieruchomić. Następnie należy wsunąć próbkę do rurki transportowej i zabezpieczyć ją śrubą blokującą.

Przesuń manipulator do jego pozycji na linii wiązki i zamontuj go ponownie na zaworze odcinającym. Gdy system będzie gotowy, opuść próbkę do pozycji umożliwiającej pomiar NRA. Zgodnie z tym schematem, ustaw powierzchnię próbki prostopadle do wiązki padającej.

W tym celu należy wykorzystać kamerę i monitor linii wiązki. Przy głowicy manipulatora podłącz linię prądu próbki do integratora prądu w sterowni. Przejdź do sterowni, aby kontynuować.

Wstępnie ustaw wiązkę, regulując parametry magnesu zginającego i soczewki kwadrupolowej. Obserwuj profil wiązki na monitorze profilu, optymalizując dalej parametry transmisji wiązki i utrzymując profil na celu. Następnie ustaw parametr BM03, aby określić początkową energię wiązki dla skanowania.

Przy komputerze wprowadź żądane parametry skanowania energii i uruchom zautomatyzowany skan energii w celu uzyskania profilu głębokości. Ten profil głębokości powierzchniowej pochodzi z monokryształu palladu, którego powierzchnia 110 była wystawiona na działanie wodoru gazowego. Eksperyment przeprowadzono w linii wiązki 1E przy tle ciśnienia wodoru wynoszącym 1,3 micropascals.

Dolna oś pozioma przedstawia energię wiązki jonów azotu. Górna oś określa głębokość na podstawie siły hamowania palladu. Otwarte symbole odpowiadają eksperymentowi z palladem, który był wcześniej eksponowany przez 100 sekund na 2 000 langmuirów gazu wodorowego w temperaturze 145 Kelvin.

Dane zostały zebrane w temperaturze 90 K. Profil można rozłożyć na pik przy głębokości zero (kolor czarny) oraz plateau (kolor niebieski). Pole powierzchni piku dostarcza informacji o gęstości powierzchniowej wodoru.

W tym przypadku stopień pokrycia wynosi 1 1/2 atomów wodoru na atom palladu na powierzchni. Plateau wskazuje, że wodór został zaabsorbowany do głębokości co najmniej 20 nanometrów. Szare i czarne symbole oznaczają eksperymenty bez wstępnego dozowania wodoru.

Dane te zostały zebrane w temperaturze 170 Kelvin. Wykresy te przedstawiają dane z serii eksperymentów z dwutlenkiem krzemu na krzemie, przeprowadzonych w linii wiązki 2C. Podobnie jak wcześniej, energia jonów jest przedstawiona na osi dolnej.

Głębokość wzdłuż górnej krawędzi. Pozycje granicy między materiałami są zaznaczone pionową przerywaną linią. Wszystkie profile wykazują dwa piki, co wskazuje na nierównomierny rozkład wodoru, w tym obecność wodoru zaledwie kilka nanometrów przed granicą tlenek krzemu-krzem.

Eksperymenty przedstawione w tym filmie demonstrują, że technika NRA pozwala odróżnić wodór zaadsorbowany na powierzchni od wodoru zaadsorbowanego w objętości lub na granicy faz w ciałach stałych. Ponadto NRA umożliwia ilościowe określenie zawartości wodoru na odpowiednich głębokościach bez niszczenia materiału próbki. Należy pamiętać, że szczególnie temperatura i ciśnienie podczas ekspozycji na wodór mają krytyczny wpływ na rozkład głębokościowy wodoru zaabsorbowanego w palladzie.

Zmiana tych parametrów eksperymentalnych prawdopodobnie doprowadzi do uzyskania profilu wodoru innego niż ten przedstawiony w tym filmie. Po obejrzeniu tego materiału powinni Państwo mieć wyobrażenie o sposobie przeprowadzania pomiarów analizy reakcji jądrowej w placówce MALT w celu ilościowego określenia gęstości wodoru na powierzchniach i wewnątrz materiałów stałych za pomocą nanometrycznego profilu głębokości.