Name: Kwantyfikacja stężeń wodoru w warstwach powierzchniowych i granicznych faz oraz materiałach sypkich poprzez profilowanie głębokości z analizą reakcji jądrowej (Wideo) | JoVE Journal
Uploaded: 2016-03-29T13:00:00.000+00:00
Duration: 14 min 11 s
Description: Poznaj metodę NRA do kwantyfikacji gęstości wodoru w materiałach stałych z nanometrową rozdzielczością głębokości. Technika ta umożliwia nieinwazyjne profilowanie wodoru w kryształach Pd(110) i układach SiO2/Si.

ai_agent_IP

ai_agent

maintenance

instantTrialDurationMinutes

isBiopharma

enableNewMyJoveSectionDesign

educationFeatures

seoMetaApi

ai_copilot_institution_blacklist

ai_chat_institution_blacklist

freeAccessWindow

ssoRoleCapture

scheduledMaintenanceBanner

joveLabsFeatures

disable_autoplay_for_bots

extended_trial_duration

5 minutes

Bardzo doceniamy M. Matsumoto za wdrożenie oprogramowania, które umożliwia zautomatyzowany pomiar profili głębokości NRA H poprzez zdalne sterowanie parametrami akceleratora MALT z komputera do akwizycji danych. Dziękujemy K. Namba za umiejętne wykonanie preparatów próbek Pd(110) oraz pomiarów NRA i TDS na systemie BL-1E UHV oraz C. Nakano za pomoc techniczną w obsłudze akceleratora. Próbka SiO2/Si(100) została przyjęta z wdzięcznością dzięki uprzejmości Z. Liu z NEC Corporation w Japonii. Prace te są częściowo wspierane przez granty na badania naukowe (granty o numerach 24246013 i 26108705) Japońskiego Towarzystwa Promocji Nauki (JSPS), a także przez dotację na badania naukowe w obszarach innowacyjnych "Projektowanie materiałów za pomocą obliczeń: złożona korelacja i dynamika nierównowagi" z Ministerstwa Edukacji, Kultury, Sportu, Nauki, i technologia Japonii.

<ol><li>Lanford, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Analysis+for+hydrogen+by+nuclear-reaction+and+energy+recoil+detection%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instrum.+Methods+Phys.+Res.+B%22%5BJournal%5D)">Analysis for hydrogen by nuclear-reaction and energy recoil detection.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 66 ((1-2)), 65-82 (1992).</li>
<li>Lanford, W. A. Nuclear Reactions for Hydrogen Analysis, Chapter 8. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aLanford%2C+WA+%22Handbook+of+Modern+Ion+Beam+Materials+Analysis%22">Handbook of Modern Ion Beam Materials Analysis</a>. JR, T. esmer, M, N. astasi , Materials Research Society. Pittsburgh, PA. 193-204 (1995).</li>
<li>Wilde, M., Fukutani, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+detection+near+surfaces+and+shallow+interfaces+with+resonant+nuclear+reaction+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Hydrogen detection near surfaces and shallow interfaces with resonant nuclear reaction analysis.</a> Surf. Sci. Rep. 69 (4), 196-295 (2014).</li>
<li>Lanford, W. A., Trautvetter, H. P., Ziegler, J. F., Keller, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((New+precision+technique+for+measuring+concentration+versus+depth+of+hydrogen+in+solids%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Phys.+Lett%22%5BJournal%5D)">New precision technique for measuring concentration versus depth of hydrogen in solids.</a> Appl. Phys. Lett. 28 (9), 566-568 (1976).</li>
<li>Ross, R. C., Tsong, I. S. T., Messier, R., Lanford, W. A., Burman, C. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quantification+of+hydrogen+in+a-Si-H+films+by+IR+spectrometry%2C+N-15+nuclear-reaction%2C+and+SIMS%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vac.++Sci.+Technol%22%5BJournal%5D)">Quantification of hydrogen in a-Si-H films by IR spectrometry, N-15 nuclear-reaction, and SIMS.</a> J. Vac. Sci. Technol. 20 (3), 406-409 (1982).</li>
<li>Suzuki, T., Konishi, J., Yamamoto, K., Ogura, S., Fukutani, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Practical+IR+extinction+coefficients+of+water+in+soda+lime+aluminosilicate+glasses+determined+by+nuclear+reaction+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Non-Cryst.+Solids%22%5BJournal%5D)">Practical IR extinction coefficients of water in soda lime aluminosilicate glasses determined by nuclear reaction analysis.</a> J. Non-Cryst. Solids. 382, 66-69 (2013).</li>
<li>Wagner, W., Rauch, F., Bange, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Concentration+profiles+of+hydrogen+in+technical+oxidic+thin-films+and+multilayer+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Fresenius+Z.+Analyt.+Chem%22%5BJournal%5D)">Concentration profiles of hydrogen in technical oxidic thin-films and multilayer systems.</a> Fresenius Z. Analyt. Chem. 333 (4-5), 478-480 (1989).</li>
<li>Wagner, W., Rauch, F., Ottermann, C., Bange, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((In-depth+profiling+of+hydrogen+in+oxidic+multilayer+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Interf.+Anal%22%5BJournal%5D)">In-depth profiling of hydrogen in oxidic multilayer systems.</a> Surf. Interf. Anal. 16 (1-12), 331-334 (1990).</li>
<li>Wagner, W., Rauch, F., Ottermann, C., Bange, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+dynamics+in+electrochromic+multilayer+systems+investigated+by+the+N-15+technique%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instrum.+Methods+Phys.+Res.+B%22%5BJournal%5D)">Hydrogen dynamics in electrochromic multilayer systems investigated by the N-15 technique.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 50 (1-4), 331-334 (1990).</li>
<li>Hjörvarsson, B., Rydén, J., Karlsson, E., Birch, J., Sundgren, J. E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interface+effects+of+hydrogen+uptake+in+Mo%2FV+single-crystal+superlattices%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Interface effects of hydrogen uptake in Mo/V single-crystal superlattices.</a> Phys. Rev. B. 43 (8), 6440-6445 (1991).</li>
<li>Fukutani, K., Itoh, A., Wilde, M., Matsumoto, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Zero-Point+Vibration+of+Hydrogen+Adsorbed+on+Si+and+Pt+Surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Zero-Point Vibration of Hydrogen Adsorbed on Si and Pt Surfaces.</a> Phys. Rev. Lett. 88 (11), 116101(2002).</li>
<li>Ericson, J. E., Dersch, O., Rauch, F. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Quartz+hydration+dating%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Archaeological+Sci%22%5BJournal%5D)">Quartz hydration dating.</a> J. Archaeological Sci. 31 (7), 883-902 (2004).</li>
<li>Wilde, M., Matsumoto, M., Fukutani, K., Aruga, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Depth-resolved+analysis+of+subsurface+hydrogen+absorbed+by+Pd%28100%29%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Depth-resolved analysis of subsurface hydrogen absorbed by Pd(100).</a> Surf. Sci. 482-485 (Part 1), 346-352 (2001).</li>
<li>Wilde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+sorption+by+Ti%280001%29+single+crystal+surfaces%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Vac.+Soc.+Jpn%22%5BJournal%5D)">Hydrogen sorption by Ti(0001) single crystal surfaces.</a> J. Vac. Soc. Jpn. 45 (5), 458-462 (2002).</li>
<li>Ohno, S., Wilde, M., Fukutani, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Novel+insight+into+the+hydrogen+absorption+mechanism+at+the+Pd%28110%29+surface%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Chem.+Phys%22%5BJournal%5D)">Novel insight into the hydrogen absorption mechanism at the Pd(110) surface.</a> J. Chem. Phys. 140 (13), 134705(2014).</li>
<li>Fukutani, K., Wilde, M., Matsumoto, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear-reaction+analysis+of+H+at+the+Pb%2FSi%28111%29+inter-face%3A+Monolayer+depth+distinction+and+interface+structure%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Nuclear-reaction analysis of H at the Pb/Si(111) inter-face: Monolayer depth distinction and interface structure.</a> Phys. Rev. B. 64 (24), 245411(2001).</li>
<li>Wilde, M., Fukutani, K., Naschitzki, M., Freund, H. J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+absorption+in+oxide-supported+palladium+nanocrystals%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Hydrogen absorption in oxide-supported palladium nanocrystals.</a> Phys. Rev. B. 77 (11), 113412(2008).</li>
<li>Wilde, M., Fukutani, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Penetration+mechanisms+of+surface-adsorbed+hydrogen+atoms+into+bulk+metals%3A+Experiment+and+model%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Penetration mechanisms of surface-adsorbed hydrogen atoms into bulk metals: Experiment and model.</a> Phys. Rev. B. 78, 115411(2008).</li>
<li>Okada, M., Nakamura, M., Moritani, K., Kasai, T. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Dissociative+adsorption+of+hydrogen+on+thin+Au+films+grown+on+Ir%28111%29%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Dissociative adsorption of hydrogen on thin Au films grown on Ir(111).</a> Surf. Sci. 523 (3), 218-230 (2003).</li>
<li>Okada, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reactivity+of+gold+thin+films+grown+on+iridium%3A+Hydrogen+dissociation%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Catal.+A+General%22%5BJournal%5D)">Reactivity of gold thin films grown on iridium: Hydrogen dissociation.</a> Appl. Catal. A General. 291 (1-2), 55-61 (2005).</li>
<li>Okada, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Reactive+gold+thin+films+grown+on+iridium%5BTitle%5D)+AND+%22Appl.+Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Reactive gold thin films grown on iridium.</a> Appl. Surf. Sci. 246 (1-3), 68-71 (2005).</li>
<li>Ogura, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+adsorption+on+Ag+and+Au+monolayers+grown+on+Pt%28111%29%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Hydrogen adsorption on Ag and Au monolayers grown on Pt(111).</a> Surf. Sci. 566-568 (Part 2), 755-760 (2004).</li>
<li>Fukutani, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Interface+hydrogen+between+a+Pb+overlayer+and+H-saturated+Si%28111%29+studied+by+a+resonant+nuclear+reaction%5BTitle%5D)+AND+%22Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">Interface hydrogen between a Pb overlayer and H-saturated Si(111) studied by a resonant nuclear reaction.</a> Surf. Sci. 377 (1-3), 1010-1014 (1997).</li>
<li>Fukutani, K., Iwai, H., Murata, Y., Yamashita, H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+at+the+surface+and+interface+of+metals+on+Si%28111%29%5BTitle%5D)+AND+%22+Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Hydrogen at the surface and interface of metals on Si(111).</a> Phys. Rev. B. 59 (20), 13020-13025 (1999).</li>
<li>Wilde, M., Fukutani, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Low-temperature+growth+of+Au+on+H-terminated+Si%28111%29%3A+Instability+of+hydrogen+at+the+Au%2FSi+interface+revealed+by+non-destructive+ultra-shallow+H-depth+profiling%5BTitle%5D)+AND+%22Jpn.+J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Low-temperature growth of Au on H-terminated Si(111): Instability of hydrogen at the Au/Si interface revealed by non-destructive ultra-shallow H-depth profiling.</a> Jpn. J. Appl. Phys. 42 (7B), 4650-4654 (2003).</li>
<li>Liu, Z., Fujieda, S., Ishigaki, H., Wilde, M., Fukutani, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Current+Understanding+of+the+Transport+Behavior+of+Hydrogen+Species+in+MOS+Stacks+and+Their+Relation+to+Reliability+Degradation%5BTitle%5D)+AND+%22ECS+Transactions%22%5BJournal%5D)">Current Understanding of the Transport Behavior of Hydrogen Species in MOS Stacks and Their Relation to Reliability Degradation.</a> ECS Transactions. 35 (4), 55-72 (2011).</li>
<li>Zinke-Allmang, M., Kalbitzer, S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+novel+method+to+determine+vibrational+energy+states+of+atomic+systems%5BTitle%5D)+AND+%22Z.+Physik+A%22%5BJournal%5D)">A novel method to determine vibrational energy states of atomic systems.</a> Z. Physik A. 323 (2), 251-252 (1986).</li>
<li>Zinke-Allmang, M., Kalbitzer, S., Weiser, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+reaction+spectroscopy+of+vibrational+modes+of+solids%5BTitle%5D)+AND+%22Z.+Physik+A%22%5BJournal%5D)">Nuclear reaction spectroscopy of vibrational modes of solids.</a> Z. Physik A. 325 (2), 183-191 (1986).</li>
<li>N, B. ohr <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aN%2C+Bohr+%22K.+Dan.+Vidensk.+Selsk.+Mat.+-Fys.+Medd%22">K. Dan. Vidensk. Selsk. Mat. -Fys. Medd</a>. 18, (1948).</li>
<li>Rud, N., Bøttiger, J., Jensen, P. S. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+energy-loss+distributions+for+6.5+MeV+15N+ions+in+solids%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instrum.+Methods%22%5BJournal%5D)">Measurements of energy-loss distributions for 6.5 MeV 15N ions in solids.</a> Nucl. Instrum. Methods. 151 (1-2), 247-252 (1978).</li>
<li>MALT. , Available from: 
 <a target="_blank" href="http://malt.n.t.u-tokyo.ac.jp/index.html ">http://malt.n.t.u-tokyo.ac.jp/index.html </a> (2015).</li>
<li>Briggs, D., Seah, M. P. <a target="_blank" href="http://scholar.google.com/scholar?hl=en&safe=off&q=author%3aBriggs%2C+D+%22Practical+Surface+Analysis+by+Auger+and+X-ray+Photoelectron+Spectroscopy%22">Practical Surface Analysis by Auger and X-ray Photoelectron Spectroscopy</a>. , John Wiley & Sons. Chichester. (1983).</li>
<li>Rieder, K. H., Baumberger, M., Stocker, W. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Selective+Transition+of+Chemisorbed+Hydrogen+to+Subsurface+Sites+on+Pd%28110%29%5BTitle%5D)+AND+%22+Phys.+Rev.+Lett%22%5BJournal%5D)">Selective Transition of Chemisorbed Hydrogen to Subsurface Sites on Pd(110).</a> Phys. Rev. Lett. 51 (19), 1799-1802 (1983).</li>
<li>Dong, W., Ledentu, V., Sautet, P., Kresse, G., Hafner, J. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((A+theoretical+study+of+the+H-induced+reconstructions+of+the+Pd%28110%29+surface%5BTitle%5D)+AND+%22+Surf.+Sci%22%5BJournal%5D)">A theoretical study of the H-induced reconstructions of the Pd(110) surface.</a> Surf. Sci. 377-379, 56-61 (1997).</li>
<li>Wilde, M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+H2-annealing+on+the+hydrogen+distribution+near+SiO2%2FSi%28100%29+interfaces+revealed+by+in+situ+nuclear+reaction+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22J.+Appl.+Phys%22%5BJournal%5D)">Influence of H2-annealing on the hydrogen distribution near SiO2/Si(100) interfaces revealed by in situ nuclear reaction analysis.</a> J. Appl. Phys. 92 (8), 4320-4329 (2002).</li>
<li>Himpsel, F. J., McFeely, F. R., Taleb-Ibrahimi, A., Yarmoff, J. A., Hollinger, G. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Microscopic+structure+of+the+SiO2%2FSi+interface%5BTitle%5D)+AND+%22Phys.+Rev.+B%22%5BJournal%5D)">Microscopic structure of the SiO2/Si interface.</a> Phys. Rev. B. 38 (9), 6084-6096 (1988).</li>
<li>Helms, C. R., Poindexter, E. H. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((The+silicon-silicon+dioxide+system%3A+Its+microstructure+and+imperfections%5BTitle%5D)+AND+%22Rep.+Progr.+Phys%22%5BJournal%5D)">The silicon-silicon dioxide system: Its microstructure and imperfections.</a> Rep. Progr. Phys. 57 (8), 791(1994).</li>
<li>Briere, M. A., Wulf, F., Braunig, D. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Measurements+of+the+accumulation+of+hydrogen+at+the+silicon-silicon-dioxide+interface+using+nuclear+reaction+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instrum.+Methods+Phys.+Res.+B%22%5BJournal%5D)">Measurements of the accumulation of hydrogen at the silicon-silicon-dioxide interface using nuclear reaction analysis.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 45 (1-4), 45-48 (1990).</li>
<li>Ecker, K. H., Krauser, J., Weidinger, A., Weise, H. P., Maser, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Nuclear+reaction+analysis+of+hydrogen+migration+in+silicon+dioxide+films+on+silicon+under+N-15+ion+irradiation%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instrum.+Methods+Phys.+Res.+B%22%5BJournal%5D)">Nuclear reaction analysis of hydrogen migration in silicon dioxide films on silicon under N-15 ion irradiation.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 161-163, 682-685 (2000).</li>
<li>Maser, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Hydrogen+migration+in+wet-thermally+grown+silicon+dioxide+layers+due+to+high+dose+15N+ion+beam+irradiation%5BTitle%5D)+AND+%22Microelectron.+Eng%22%5BJournal%5D)">Hydrogen migration in wet-thermally grown silicon dioxide layers due to high dose 15N ion beam irradiation.</a> Microelectron. Eng. 48, 1-4 (1999).</li>
<li>Bugeat, J. P., Ligeon, E. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Influence+of+ion+beam+bombardment+in+hydrogen+surface+layer+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instrum.+Methods%22%5BJournal%5D)">Influence of ion beam bombardment in hydrogen surface layer analysis.</a> Nucl. Instrum. Methods. 159 (1), 117-124 (1979).</li>
<li>Wilde, M., Fukutani, K. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Evaluation+of+non-resonant+background+in+hydrogen+depth+profiling+via+1H%2815N%2Cag%2912C+nuclear+reaction+analysis+near+13.35+MeV%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instrum.+Methods+Phys.+Res.+B%22%5BJournal%5D)">Evaluation of non-resonant background in hydrogen depth profiling via 1H(15N,ag)12C nuclear reaction analysis near 13.35 MeV.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 232 (1-4), 280-284 (2005).</li>
<li>Horn, K. M., Lanford, W. A. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Suppression+of+background+radiation+in+BGO+and+NaI+detectors+used+in+nuclear+reaction+analysis%5BTitle%5D)+AND+%22Nucl.+Instrum.+Methods+Phys.+Res.+B%22%5BJournal%5D)">Suppression of background radiation in BGO and NaI detectors used in nuclear reaction analysis.</a> Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. B. 45 (1-4), 256-259 (1990).</li>
</ol>

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Rysunek 4 przedstawia skuteczne rozróżnienie i ilościowe określenie adsorbcji powierzchniowej od wodoru wchłoniętego luzem przez 15N NRA na przykładzie monokryształu Pd(110) w układzie BL-1E UHV. Wysoka odtwarzalność powierzchniowego piku H w trzech profilach świadczy o niezawodności przygotowania próbki UHV in-situ oraz o nieniszczącym charakterze pomiaru NRA. Ilościowa zgodność wyznaczonego pokrycia H z oczekiwaną gęstością nasycenia atomowego dodatkowo pokazuje dokładność pomiaru N...

Powszechność wodoru jako zanieczyszczenia lub składnika ogromnej liczby materiałów, a także bogactwo zjawisk oddziaływań indukowanych przez wodór, sprawiają, że ujawnienie rozkładu wodoru w obszarze przypowierzchniowym oraz na ukrytych granicach faz ciał stałych jest istotnym zadaniem w wielu dziedzinach inżynierii i fundamentalnej nauki o materiałach. Do najważniejszych obszarów należą badania nad absorpcją wodoru w materiałach do magazynowania i oczyszczania dla zastosowań w energetyce wodorowej, ogniwa paliwowe, kataliza fotokatalityczna i uwodorniająca, retencja i kruchość wodorowa w inżynierii reaktorów jądrowych i termojądrowych, indukowane wodorem efekty surfaktantowe w procesach wzrostu epitaksjalnego oraz problemy z niezawodnością elektryczną związaną z wodorem w technologii urządzeń półprzewodnikowych.
Mimo powszechnej obecności i prostej struktury atomowej, ilościowe wykrywanie wodoru stwarza trudności analityczne. Ponieważ wodór posiada tylko jeden elektron, wszechstronna analiza pierwiastkowa za pomocą spektroskopii elektronowej okazuje się nieskuteczna. Powszechne metody detekcji wodoru z wykorzystaniem technik analizy masowej, optycznej lub rezonansu jądrowego, takie jak stapianie metalurgiczne, desorpcja termiczna, absorpcja w podczerwieni czy spektroskopia NMR, są zasadniczo niewrażliwe na głębokość rozmieszczenia wodoru. Uniemożliwia to np. rozróżnienie między wodorem zaadsorbowanym na powierzchni a wodorem absorbowanym w objętości materiału, które różnią się znacząco pod względem fizycznych i chemicznych oddziaływań z materiałem; rozróżnienie to staje się zatem coraz ważniejsze w analizie materiałów nanostrukturalnych, które charakteryzują się małą objętością i dużą powierzchnią właściwą. Profilowanie wodoru za pomocą spektrometrii mas z jonami wtórnymi, choć pozwala na uzyskanie ilościowych stężeń H z rozdzielczością głębokościową, jest równie niszczące dla badanego celu jak stapianie metalurgiczne, a efekty rozpylania mogą sprawić, że informacje o głębokości uzyskane w pobliżu powierzchni będą niewiarygodne.
Analiza reakcji jądrowych z wykorzystaniem wąskiego rezonansu energetycznego (Eres) reakcji 1H(15N,αγ)12C przy 6,385 MeV1-3, z drugiej strony, łączy zalety nieniszczącego oznaczania ilości wodoru z wysoką rozdzielczością głębokości w rzędzie kilku nanometrów w pobliżu powierzchni. Metoda ta określa stopień pokrycia powierzchni wodorem z czułością rzędu 1013 cm-2 (~1% gęstości typowej monowarstwy atomowej). Stężenia wodoru wewnątrz materiałów można oceniać z granicą detekcji kilku 1018 cm-3 (~100 at. ppm) i zakresem głębokości sondowania około 2 μm. Rozdzielczość głębokości przypowierzchniowej wynosi rutynowo 2-5 nm przy prostopadłym padaniu wiązki jonów 15N na analizowany cel. W geometriach padania pod kątem wzdłuż powierzchni rozdzielczość ta może zostać dodatkowo zwiększona do wartości poniżej 1 nm. Szczegółowy opis znajduje się w odnośniku 3.
Wspomniane możliwości potwierdziły, że 1H(15N,αγ)12C NRA jest potężną techniką pozwalającą wyjaśnić statyczne i dynamiczne zachowanie wodoru na powierzchniach i granicach faz w szerokiej gamie procesów i materiałów3. Metoda 15N NRA, opracowana przez Lanforda4 w 1976 roku, była początkowo wykorzystywana głównie do ilościowego określania objętościowych stężeń H w materiałach objętościowych i cienkich warstwach. Wśród innych zastosowań, bezwzględne stężenia wodoru uzyskane za pomocą 15N NRA służyły do kalibracji innych, niedyrektywnie ilościowych technik detekcji wodoru5,6. Opisano również profilowanie wodoru metodą 15N NRA w próbkach o dobrze zdefiniowanych granicach faz w warstwowych strukturach cienkowarstwowych7-10. W ostatnim czasie dokonano znacznych postępów w badaniu wodoru w regionie przypowierzchniowym chemicznie czystych i strukturalnie dobrze zdefiniowanych próbek, łącząc 15N NRA z instrumentacją analityczną do badań powierzchni w ultrawysokiej próżni (UHV) w celu przygotowania powierzchni kontrolowanych atomowo in situ do analizy H3.
Dzięki ilościowemu określeniu pokrycia wodorem powierzchni monokryształów, NRA w znacznym stopniu przyczyniło się do obecnego mikroskopowego rozumienia faz adsorpcji wodoru na wielu materiałach. 1NRA H(15N,αγ)12C jest ponadto jedyną techniką eksperymentalną pozwalającą na bezpośredni pomiar energii drgań zerowych atomów H zaadsorbowanych na powierzchni11, t.j. może ona ujawnić kwantowo-mechaniczny ruch drgawkowy zaadsorbowanych atomów H w kierunku wiązki jonów padających. Dzięki zdolności do rozróżniania z nanometrową precyzją wodoru zaadsorbowanego na powierzchni od wodoru absorbowanego w objętości, NRA 15N może dostarczyć cennych informacji na temat przenikania wodoru przez powierzchnie materiałów, co ma znaczenie np. w datowaniu nawodnienia minerałów12 lub przy obserwacji nukleacji wodorków pod powierzchniami metali absorbujących wodór13-15. Zastosowania wysokorozdzielczego NRA 15N wykazały potencjał w wykrywaniu wariacji grubości warstw adsorpcyjnych poniżej jednej warstwy monomolekularnej16 oraz w odróżnianiu wodoru zaadsorbowanego na powierzchni od wodoru absorbowanego w objętości nanokryształów Pd17. Połączenie z termodesorpcją spektroskopową (TDS) pozwala na jednoznaczne zidentyfikowanie cech termicznej desorpcji H2 oraz na ocenę rozdzielczą względem głębokości stabilności termicznej stanów wodoru zaadsorbowanego i absorbowanego w odniesieniu do desorpcji i dyfuzji13,15,18. Ze względu na swój nieniszczący charakter i wysoką rozdzielczość głębokości 1NRA H(15N,αγ)12C jest również idealną metodą wykrywania wodoru uwięzionego na nienaruszonych granicach faz, co pozwala na badanie pułapkowania wodoru na granicach metal/metal19-22 i metal/półprzewodnik16,23-25 oraz na śledzenie dyfuzji wodoru w systemach warstwowych cienkich filmów9. Poprzez bezpośrednią wizualizację zjawisk redystrybucji wodoru między granicami faz struktur metal-tlenek-półprzewodnik (MOS) na bazie SiO2/Si, które wiążą się z degradacją elektryczną urządzeń, NRA wniosło szczególnie cenne wkłady w badania nad niezawodnością urządzeń26.
Zasada detekcji wodoru w NRA polega na naświetlaniu analizowanego celu wiązką jonów 15N o energii co najmniej Eres=6,385 MeV w celu wywołania rezonansowej reakcji jądrowej 1H(15N,αγ)12C pomiędzy 15N a 1H w materiale. Reakcja ta uwalnia charakterystyczne promieniowanie γ o energii 4,43 MeV, które jest mierzone detektorem scyntylacyjnym umieszczonym w pobliżu próbki. Wydajność γ jest proporcjonalna do stężenia H na określonej głębokości celu. Normalizacja tego sygnału przez liczbę padających jonów 15N pozwala na przeliczenie go na bezwzględną gęstość H po skalibrowaniu układu detekcji γ za pomocą wzorcowego celu o znanym stężeniu H. Jony 15N padające z energią Eres mogą reagować z wodorem na powierzchni celu. Stężenie wodoru ukrytego wewnątrz materiału mierzy się przy użyciu jonów 15N padających z energiami (Ei) wyższymi niż Eres. Wewnątrz materiału celu jony 15N ulegają stracie energii na skutek hamowania elektronowego. Efekt ten zapewnia wysoką rozdzielczość głębokości, ponieważ rezonans reakcji jądrowej 1H(15N,αγ)12C ma bardzo wąską szerokość (parametr szerokości Lorentza Γ = 1,8 keV), a siła hamowania materiałów dla 15N o energii 6,4 MeV mieści się w zakresie 1-4 keV/nm, zatem przejście jonu 15N przez zaledwie kilka warstw atomowych wystarcza, aby przesunąć jego energię poza okno rezonansowe. W ten sposób reakcja rezonansowa wykrywa wodór ukryty przy Ei &gt; Eres na głębokości sondowania d=(Ei-Eres)/S, gdzie S jest siłą hamowania elektronowego analizowanego materiału3.
Poprzez pomiar wydajności γ podczas skanowania energii padających jonów 15N w niewielkich przyrostach, otrzymuje się krzywą wzbudzenia reakcji jądrowej, która zawiera rozkład gęstości wodoru w funkcji głębokości w próbce. Na tej krzywej wzbudzenia (wydajność γ względem energii 15N) rzeczywisty rozkład głębokości H jest splotowany z funkcją instrumentalną NRA, która wprowadza przeważnie rozmycie gaussowskie i stanowi głównym ograniczeniem dla rozdzielczości głębokości3. Na powierzchni (t.j. przy Ei = Eres) szerokość funkcji gaussowskiej jest zdominowana przez efekt Dopplera wynikający z drgań zerowych atomów H przeciwko powierzchni próbki.11,27,28 Krzywa wydajności wodoru ukrytego, wykrywanego przy Ei &gt; Eres, jest poddana dodatkowemu składowemu rozmyciu gaussowskiemu spowodowanemu losowym rozproszeniem energii jonów 15N wewnątrz próbki. Szerokość tego rozproszenia wzrasta proporcjonalnie do pierwiastka kwadratowego z długości trajektorii jonu w materiale 29,30 i staje się dominującym czynnikiem ograniczającym rozdzielczość powyżej głębokości badania wynoszących 10-20 nm.
Aby zaprezentować kilka typowych zastosowań profilowania wodoru za pomocą NRA z użyciem 15N, opisano tutaj przykładowo (1) ilościową ocenę stopnia pokrycia powierzchni wodorem oraz stężenia wodoru absorbowanego w objętości monokryształu palladu (Pd) eksponowanego na H2, oraz (2) ocenę położenia głębokościowego i gęstości warstw wodoru na ukrytych interfejsach struktur SiO2/Si(100). Pomiary NRA są przeprowadzane na tandemowym akceleratorze van-de-Graaffa MALT 5 MV31 Uniwersytetu w Tokio, który dostarcza wysoce stabilną i dobrze monochromatyzowaną (ΔEi ≥ 2 keV) wiązkę jonów 15N o energii 6-13 MeV. Autorzy opracowali system sterowania komputerowego dla akceleratora, aby umożliwić zautomatyzowane skanowanie energii i akwizycję danych do profilowania wodoru. Odzwierciedlając dwa różne zadania pomiarowe NRA przedstawione w powyższych zastosowaniach profilowania H, ośrodek MALT oferuje dwie linie wiązki jonowej ze specjalistycznymi stacjami eksperymentalnymi: (1) system analizy powierzchni UHV z pojedynczym detektorem scyntylacyjnym γ z germanianu bizmutu (BGO, Bi4Ge3O12) przeznaczonym do ilościowego oznaczenia stopnia pokrycia powierzchni wodorem, do spektroskopii drgań punktu zerowego oraz do profilowania głębokości H w atomowo kontrolowanych monokryształach w unikalnej kombinacji z TDS; oraz (2) komorę wysokiej próżni wyposażoną w dwa detektory BGO umieszczone bardzo blisko próbki w celu zwiększenia wydajności detekcji γ, co zapewnia niższy limit detekcji H i szybszą akwizycję danych. Ten układ nie posiada zaplecza do przygotowania próbek, ale pozwala na szybką wymianę próbek (~30 min), a tym samym na większą przepustowość w przypadku obiektów, dla których ściśle kontrolowana warstwa powierzchniowa nie jest istotną częścią zadania analitycznego, jak np. profilowanie H na ukrytych interfejsach lub ilościowe oznaczenie stężeń H w objętości. W obu liniach wiązki detektory BGO są wygodnie umieszczone na zewnątrz systemów próżniowych, ponieważ promienie γ przenikają przez cienkie ścianki komory z pomijalnym tłumieniem.
<img alt="Eksperymentalny układ wiązki jonowej; schemat i zdjęcie przedstawiające spektroskopię i monitorowanie temperatury." src="/files/ftp_upload/53452/53452fig1.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 1"> 
Rysunek 1. Układ NRA w systemie UHV BL-1E. (A) Schematyczny widok z góry systemu UHV BL-1E wyposażonego w jonową działo do rozpylania, dyfrakcję niskenergetycznych elektronów (LEED) oraz spektroskopię elektronów Auger (AES) do przygotowania in-situ atomowo uporządkowanych i chemicznie czystych powierzchni monokryształów jako celów, a także połączone pomiary NRA i TDS z kwadrupolowym spektrometrem mas (QMS) zamontowanym na liniowej platformie translacyjnej. (B) Próbka monokryształu Pd zamocowana w uchwycie próbki manipulatora kriogenicznego. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53452/53452fig1large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>
Rycina 1 (A) przedstawia układ UHV w linii wiązki (BL)-1E, który jest w pełni wyposażony do preparacji powierzchni monokryształów o porządku atomowym in-situ i posiada ciśnienie bazowe &lt;10-8 Pa w celu utrzymania czystości powierzchni. Aby zapewnić dostęp próbki do narzędzi analitycznych powierzchni, 4-calowy scyntylator BGO został umieszczony na osi wiązki jonów 15N około 30 mm za celem. Próbka jest zamontowana na 4-osiowym stole manipulacyjnym dla precyzyjnego pozycjonowania (x, y, z, Θ) i może być chłodzona ciekłym azotem do ~80 K lub sprężonym He do ~20 K. Rycina 1 (B) pokazuje monokrystaliczny cel z Pd zamontowany za pomocą punktowo spawanych drutów wsporczych z Ta do kriostatu kompresyjnego He. Kwarcowe płytki dystansowe izolują elektrycznie płytkę uchwytu próbki od korpusu kriostatu. Umożliwia to pomiar prądu padającej wiązki jonów 15N, niezbędny do ilościowej analizy NRA, oraz pozwala na ogrzewanie przez bombardowanie elektronami z włókna wolframowego znajdującego się z tyłu uchwytu próbki. Termopara typu K jest punktowo przyspawana do krawędzi próbki Pd. Płyta kwarcowa zamocowana na osi manipulatora nad próbką służy do monitorowania profilu wiązki jonowej i do wyrównania próbki z wiązką. Rycina 2 (A) przedstawia układ w BL-2C z dwoma 4-calowymi detektorami BGO ustawionymi pod kątem 90° względem wiązki 15N, których przednia powierzchnia znajduje się w odległości nie większej niż 19,5 mm od osi wiązki. Uchwyt próbki (Rycina 2 (B)) zapewnia prosty mechanizm zaciskowy do szybkiej wymiany próbek i umożliwia obrót próbki wokół osi pionowej w celu regulacji kąta padania wiązki 15N.
<img alt="Schemat układu do analizy reakcji jądrowych z detektorem γ, BGO i wiązką jonów ¹⁵N na próbce." src="/files/ftp_upload/53452/53452fig2.jpg" data-altupdatedat="1787630408000" data-alt="Rysunek 2"> 
Rysunek 2. Układ NRA w BL-2C. (A) Schematyczny widok z góry komory wysokiej próżni w BL-2C wyposażonej w dwa detektory γ BGO umieszczone blisko pozycji celu. (B) Uchwyt próbki z zamocowanym dużym chipem celu SiO2/Si(100). Zaparowanie tego typu próbki parą wodną po analizie NRA wizualizuje obszary naświetlone wiązką jonów 15N. <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/53452/53452fig2large.jpg" target="_blank">Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.</a>

<table><tbody><tr><td><mocny>Materiał</mocny></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Pd monokryształ&nbsp;</td><td>SPL (Laboratorium Przygotowania Powierzchni), http://www.spl.eu/products.html lub inny odpowiedni dostawca</td><td>Zamówienie wykonane zgodnie ze specyfikacją</td><td>Tarcza, średnica 9 mm, (110) zorientowana, wyrównana do < 0,5 stopnia lub mniej, jednostronnie polerowana do < 0,3 mm chropowatości, samodzielnie przygotowana próbka&nbsp;</td></tr><tr><td>H2 gas</td><td>Joutou Gas Corporation, Ltd., Japonia, http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html</td><td></td><td>(99,9995%) lub jakikolwiek inny odpowiedni dostawca</td></tr><tr><td>O2 gas</td><td>Joutou Gas Corporation, Ltd., Japonia, http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html</td><td></td>(<td>99,99%), lub jakikolwiek inny odpowiedni dostawca</td></tr><tr><td>Ar gas</td><td>Joutou Gas Corporation, Ltd., Japonia, http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html</td><td></td><td>(99,99995%) lub dowolny inny odpowiedni dostawca</td></tr><tr><td>Tantal / Drut</td><td>The Nilaco Corporation, http://nilaco.jp/en/order.php</td><td>TA-411325</td><td>(99,95%), średnica 0,3 mm lub inny odpowiedni dostawca</td></tr><tr><td>Alumel / Drut&nbsp;</td><td>Nilaco Corporation, http://nilaco.jp/en/order.php</td><td>851266</td><td>średnicy 0,2 mm lub dowolny inny odpowiedni dostawca</td></tr><tr><td>Chromel / Wire (Chromel)</td><td>The Nilaco Corporation, http://nilaco.jp/en/order.php 861266</td><td></td><td>średnicy 0,2 mm lub jakikolwiek inny odpowiedni dostawca</td></tr><tr><td>Equipment</td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>3 keV Raster Ion Bombardment Gun and Control</td><td>VARIAN, http://www.eurovac.se/docs/varian1.htm</td><td>981-2046 Zasilacz, 981-2043 Pistolet jonowy</td><td>lub równoważny produkt innego odpowiedniego producenta</td></tr><tr><td>LEED-AUGER Optics</td><td>OCI, http://www.ocivm.com/spectrometer_bdl800ir.html</td><td>BDL600IR</td><td>lub równoważny produkt dowolnego innego odpowiedniego producenta</td></tr><tr><td>Kwadrupolowy spektrometr masowy</td><td>Pfeiffer Vacuum, http://www.pfeiffer-vacuum.com/</td> <td>Prisma QMS 200</td><td>lub równoważny produkt innego odpowiedniego producenta</td></tr><tr><td>Palladium Hydrogen Purifier</td><td>Power + Energy Inc., http://www.powerandenergy.com</td><td>PE-3001</td><td>99,9999999% czystości; Oczyszczacze P+E H2 są obecnie przedmiotem działalności SAES Pure Gases Inc., http://www.saespuregas.com/Products/Gas-Purifier/Hydrogen/Palladium-Membrane/Palladium-Purifier-PE2100.html</td></tr></tbody></table>

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

Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis

Analiza reakcji jądrowej (NRA) za pomocą rezonansowej reakcji 1H(15N,αγ)12C jest wysoce efektywną metodą profilowania głębokości, która ilościowo i nieniszcząco ujawnia rozkład gęstości wodoru na powierzchniach, na granicy faz i w objętości materiałów stałych z wysoką rozdzielczością głębokości. Technika ta wykorzystuje wiązkę jonów 15N o energii 6,385 MeV dostarczaną przez akcelerator elektrostatyczny i wykrywa izotop 1H na głębokości do około 2 μm od powierzchni docelowej. Pokrycie powierzchni H mierzone jest z czułością rzędu ~1013 cm-2 (~1% typowej gęstości monowarstwy atomowej), a stężenia objętościowe H z granicą wykrywalności ~1018 cm-3 (~100 at. ppm). Rozdzielczość głębokości przypowierzchniowej wynosi 2-5 nm dla normalnego dla powierzchni 15N jonów padających na cel i może być zwiększona do wartości poniżej 1 nm dla bardzo płaskich obiektów, przyjmując geometrię padania ocierającą się o powierzchnię. Metoda jest wszechstronna i łatwo stosowana do każdego jednorodnego materiału kompatybilnego z wysoką próżnią o gładkiej powierzchni (bez porów). Tarcze przewodzące prąd elektryczny zwykle tolerują promieniowanie wiązką jonów przy znikomej degradacji. Kwantyfikacja wodoru i prawidłowa analiza głębokości wymagają znajomości składu elementarnego (poza wodorem) i gęstości masowej materiału docelowego. Szczególnie w połączeniu z metodami ultrawysokiej próżni do przygotowania i charakteryzacji celów in-situ, 1H(15N,αγ)12C NRA idealnie nadaje się do analizy wodoru na powierzchniach kontrolowanych atomowo i nanostrukturalnych granicach faz. Przykładowo demonstrujemy tutaj zastosowanie 15N NRA w akceleratorze tandemowym MALT Uniwersytetu Tokijskiego do (1) ilościowego pomiaru pokrycia powierzchni i stężenia masowego wodoru w obszarze przypowierzchniowym monokryształu Pd(110) narażonego na H2 monokryształu Pd(110) oraz (2) do określenia lokalizacji głębokości i gęstości warstw wodoru w pobliżu granic faz cienkich warstw SiO2 na Si(100).

Rysunek 4 przedstawia profile NRA dla H w obszarze bliskim powierzchni próbki Pd(110) poddanej działaniu H2, mierzone w systemie BL-1E UHV w temperaturze próbki 90 K przy ciśnieniu tła H2 wynoszącym 1.33×10-6 Pa. Energia jonów 15N została przeliczona na głębokość sondowania przy użyciu siły hamowania dla Pd (S = 3.90 keV/nm). Profil z otwartymi symbolami uzyskano po wstępnej ekspozycji próbki Pd(110) na 2 000 L H2<...

Ilustrujemy zastosowanie analizy rezonansowej reakcji jądrowej 1H(15N,αγ)12C (NRA) do ilościowej oceny gęstości atomów wodoru na powierzchni, objętości i w warstwie międzyfazowej materiałów stałych. Opisano przypowierzchniowy profil głębokości wodoru monokryształu Pd(110) i stosów SiO2/Si(100).

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

Nuclear reaction analysis (NRA) via the resonant 1H(15N,&#945;&#947;)12C reaction is a highly effective method of depth profiling that quantitatively and ...

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.

quantification-hydrogen-concentrations-surface-interface-layers-bulk

Research

JoVE Journal

Engineering

Inżynieria

W tym artykule przedstawiono procedurę ilościowego określania parametrów transportu masowego substancji chemicznych w różnych materiałach.  Proces ten polega na zastosowaniu modelu dyfuzji opartego na analizie odwrotnej do profili emisji par zarejestrowanych za pomocą spektrometrii mas w czasie rzeczywistym w wysokiej próżni.

Podejście oparte na analizie odwrotnej do charakterystyki transportu chemicznego w farbach

Przedstawiamy protokół łączący metrologię atomową Skaningowego Mikroskopu Tunelowego do modelowania powierzchni z selektywnym osadzaniem warstw atomowych i reaktywnym trawieniem jonowym. Korzystając z solidnego procesu obejmującego liczne ekspozycje atmosferyczne i transport, wytwarzane są nanostruktury 3D z metrologią atomową.

Wytwarzanie nanostruktur identyfikowalnych atomowo

Badanie metod generowania wodoru na żądanie dla ogniw paliwowych wciąż zyskuje na znaczeniu. Jednak systemy do pomiaru wydzielania wodoru w wyniku reakcji chemikaliów z wodą mogą być skomplikowane i kosztowne. W tym artykule szczegółowo opisano prostą, tanią i solidną metodę pomiaru wydzielania się wodoru.

Prosty, tani i wytrzymały system do pomiaru objętości wodoru wydzielającego się w reakcjach chemicznych z roztworami wodnymi

Tutaj prezentujemy protokół do badania miękkiej materii i systemów biofizycznych w szerokiej mezoskopowej skali długości, od nm do μm, która obejmuje użycie dyfraktometru KWS-2 SANS o wysokiej intensywności i regulowanej rozdzielczości.

Badanie miękkiej materii i układów biologicznych w szerokiej skali długości od rozmiarów nanometrów i mikrometrów na małokątowym dyfraktometrze neutronowym KWS-2

Opisujemy procedurę wykrywania pierwiastków chemicznych obecnych in situ w komórkach ludzkich, jak również ich kwantyfikację in vitro. Metoda ta jest odpowiednia dla każdego typu komórek i jest szczególnie przydatna do ilościowych analiz chemicznych w pojedynczych komórkach po ekspozycji na nanocząstki tlenku metalu in vitro.

In Situ Wykrywanie i kwantyfikacja pojedynczych komórek nanocząstek tlenków metali za pomocą analizy mikrosondy jądrowej

Przedstawiona metoda opisuje, jak identyfikować i rozwiązywać artefakty pomiarowe związane ze spektrometrią mas jonów wtórnych, a także uzyskiwać realistyczne rozkłady 3D zanieczyszczeń/domieszek w materiałach w stanie stałym.

Rekonstrukcja profilu głębokości 3D segregowanych zanieczyszczeń za pomocą spektrometrii mas jonów wtórnych

Krystalografia białek neutronowych to technika strukturalna, która pozwala na lokalizację atomów wodoru, dostarczając tym samym ważnych szczegółów mechanistycznych funkcji białek. Przedstawiamy tutaj przebieg pracy montażu kryształu białka, zbieranie danych dyfrakcji neutronów, udoskonalanie struktury i analizę map gęstości długości rozpraszania neutronów.

Gromadzenie i przetwarzanie danych krystalografii neutronowej do modelowania atomów wodoru w strukturach białkowych

Prezentowany tutaj jest protokół metody wymiany wodoru i deuteru (HDX) opartej na elektroforezie kapilarnej w połączeniu ze spektrometrią mas z góry na dół. Podejście to charakteryzuje różnicę w strukturach wyższego rzędu między różnymi gatunkami białek, w tym białkami w różnych stanach i różnymi proteoformami, poprzez prowadzenie jednoczesnej różnicowej separacji HDX i elektroforetycznej.

Wymiana wodorowo-deuterowa oparta na elektroforezie kapilarnej do konformacyjnej charakterystyki białek za pomocą spektrometrii mas z góry na dół

Ten protokół przedstawia wykorzystanie środowiska próbek o zatrzymanym przepływie do szybkiego mieszania wielu płynnych roztworów in situ podczas pomiaru rozpraszania neutronów pod małym kątem oraz do badania procesów kinetycznych w skali nanometrowej i drugiej skali czasowej.

Pomiar ewolucji w czasie materiałów w nanoskali z zatrzymanym przepływem i rozpraszaniem neutronów pod małym kątem

Spektroskopia wstecznego rozpraszania neutronów oferuje nieniszczący i wolny od znaczników dostęp do dynamiki ps-ns białek i wody do ich hydratacji. Przebieg pracy przedstawiono w dwóch badaniach nad białkami amyloidowymi: nad czasowo-rozdzielczą dynamiką lizozymu podczas agregacji oraz nad dynamiką wody hydratacyjnej tau po tworzeniu włókien.

Spektroskopia neutronów o wysokiej rozdzielczości do badania dynamiki pikosekund-nanosekund białek i wody hydratacyjnej

Reaktory membranowe umożliwiają uwodornienie w warunkach otoczenia bez bezpośredniego dopływu H2. Możemy śledzić produkcję i wykorzystanie wodoru w tych systemach za pomocą atmosferycznej spektrometrii mas (atm-MS) i spektrometrii mas chromatografii gazowej (GC-MS).

Produkcja i wykorzystanie wodoru w reaktorze membranowym

Poznaj metodę NRA do kwantyfikacji gęstości wodoru w materiałach stałych z nanometrową rozdzielczością głębokości. Technika ta umożliwia nieinwazyjne profilowanie wodoru w kryształach Pd(110) i układach SiO2/Si.

Kwantyfikacja stężeń wodoru w warstwach powierzchniowych i granicznych faz oraz materiałach sypkich poprzez profilowanie głębokości z analizą reakcji jądrowej (Wideo) | JoVE Journal

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

Przeglądaj więcej filmów