Quantificação de concentrações de hidrogénio nas camadas superficiais e interface e materiais a granel através de perfis de profundidade com Análise reação nuclear

O objetivo geral da análise de reação nuclear com a reação nuclear ressonante de 15 nH é medir a densidade de átomos de hidrogênio absorvidos em superfícies sólidas e determinar a distribuição de concentração versus profundidade do hidrogênio absorvido no volume de materiais. Esclarecer o conteúdo de hidrogênio em superfícies, na região próxima à superfície e em interfaces rasas de sólidos é uma questão-chave em muitos campos da ciência e engenharia de materiais fundamentais. A principal vantagem da análise de reação nuclear é que ela revela a concentração e a localização da profundidade do hidrogênio quantitativamente, de forma não destrutiva e com resolução de profundidade nanométrica.

O perfil de hidrogênio com a NRA apóia a pesquisa de materiais de armazenamento e purificação de hidrogênio. Catalisadores de célula de combustível e hidrogenação, retenção e fragilização de hidrogênio, fabricação de dispositivos e preocupações de confiabilidade relacionadas ao hidrogênio em tecnologia semiconduzida. Neste vídeo, demonstramos uma combinação única de NRA com instrumentação científica de superfície para a quantificação de densidades em camadas de hidrogênio em superfícies alvo controladas atomicamente e em interfaces rasas.

Esses experimentos de análise de reação nuclear ocorrem nas instalações do acelerador MALT da Universidade de Tóquio. As medições de hidrogênio de superfície são feitas na linha de feixe 1E nesta câmara de ultra-alto vácuo. Esta câmara foi carregada com uma amostra de cristal único de paládio 110 e é mantida a menos de 10 nanopascais à temperatura ambiente.

Este esquema de vista superior da câmara de amostra fornece uma visão geral do layout do equipamento. A linha de feixe de íons de nitrogênio, incluindo um defletor e um copo de Faraday, entra à esquerda. Além disso, há uma pistola de íons para pulverização catódica, bem como uma entrada para hidrogênio.

A câmara está equipada para realizar difração de elétrons de baixa energia e espectroscopia de elétrons Auger para preparação de alvos INC2. Os dois instrumentos finais são o espectrômetro de massa quadrupolo mostrado na parte inferior do esquema e um sistema de detecção de cintilação à direita. A amostra é mantida por um suporte de amostra em um estágio XYZ próximo ao centro da câmara e pode ser visualizada através de uma janela de visualização.

Esta imagem fornece um exemplo do porta-amostras com uma amostra que está atualmente na câmara. Os fios de tântalo suportam uma única amostra de cristal. O suporte também facilita as medições elétricas e térmicas.

Comece limpando a superfície alvo na câmara por meio de pulverização catódica e recozimento. Opere o estágio XYZ para posicionar a amostra no centro da câmara. Além disso, gire a amostra para alinhá-la corretamente.

A amostra deve estar voltada para o dosador de gás entre a pistola de íons e a janela de visualização. Para ajustar o ângulo, ligue a fonte de alimentação da pistola de íons. Ajuste o controle de emissão para 20 miliamperes.

Observe a amostra através da janela de visualização enquanto ajusta seu ângulo. O objetivo é ter a imagem espelhada do filamento da pistola de íons visível na superfície da amostra. Quando o ajuste fino estiver concluído, altere a configuração da fonte de alimentação da pistola de íons para a energia do feixe para 800 elétron-volts.

Em seguida, na parte inferior da câmara, feche a válvula da gaveta da bomba NEG. Use uma válvula de vazamento variável para introduzir gás argônio 9 milipascal na câmara. Para leitura de corrente de íons por pulverização catódica, consulte o testador digital conectado entre a amostra e o terra.

Confirme se a corrente está em torno de dois microamperes durante os 10 minutos de duração do sputter. Pare a pulverização catódica fechando a válvula de vazamento variável e desligando a fonte de alimentação da pistola de íons. Continue os preparativos trazendo nitrogênio líquido para o manipulador e adicionando cerca de 100 mililitros ao criostato.

Fique no manipulador para fazer conexões elétricas para recozimento. Conecte as tampas do aquecedor de filamento à fonte de alimentação do aquecedor. Além disso, conecte a passagem do termopar a um testador digital para monitorar a temperatura.

Aterre o filamento conectando-o ao corpo da câmara. Finalmente, conecte o sample contato à fonte de alimentação de polarização. Neste ponto, configure o alto voltage fonte de alimentação.

Aplique um viés de amostra de um quilovolt. Proceder ao recozimento da amostra a 1 000 Kelvin e oxidá-la a 750 Kelvin. Após o recozimento e a oxidação, prepare-se para fazer a difração de elétrons de baixa energia na amostra.

Observe o padrão de difração e procure uma estrutura clara com pontos brilhantes e baixo ruído de fundo, como neste exemplo. Esteja preparado para repetir as etapas de pulverização catódica, recozimento, oxidação e redução, conforme necessário. O próximo passo é alinhar o feixe de íons de nitrogênio ao alvo de cristal único para análise de reação nuclear.

Centralize a amostra no plano XY e ajuste a posição Z para a altura da abertura frontal do espectrômetro de massa. Gire a amostra de volta para a linha de feixe. Em seguida, abaixe o suporte de amostra para colocar o monitor de perfil de feixe na posição para análise de reação nuclear.

Defina uma câmera no flange da janela para transmitir imagens de perfil de feixe para a sala de controle. Retorne ao manipulador e remova todos os contatos elétricos da amostra. Depois disso, anexe a linha de corrente de amostra.

Agora, prepare-se para introduzir o feixe de íons. Defina a tensão do defletor eletrostático na linha de feixe para 8.500 volts. Entre na sala de controle para continuar.

Lá, mude o integrador atual do modo de espera para operar. Este esquema representa uma parte da linha do feixe do acelerador antes que o feixe de íons seja agitado para as diferentes linhas do feixe do experimento. As linhas de feixe do experimento também são representadas.

Existem quatro componentes que são importantes para este protocolo. BM03 é um ímã de setor de 90 graus. Ele seleciona a energia do feixe de íons durante o perfil de profundidade.

FC04 é um copo de Faraday que pode ser introduzido no feixe para ler a corrente do feixe de íons e impedir que o feixe alcance a amostra. MQ04 é uma lente quadrupolo magnética usada para focalizar o feixe na amostra. E BM04 é um ímã de dobra que direciona o feixe para as linhas do feixe.

Tome medidas para ajustar a energia do feixe de íons e direcione o feixe para o alvo na câmara de vácuo. Defina a lente quadrupolo magnética MQ04, os parâmetros XCC e YCC para focar aproximadamente o feixe. Abra as válvulas de gaveta entre o acelerador e a linha de viga e, em seguida, abra o copo de Faraday, FC04.

Use o monitor para observar o perfil do feixe de íons na placa do quarto na câmara alvo. Com este feedback, ajuste o ímã de dobra, o BM04 e as configurações da lente quadrupolo magnética. O objetivo é obter um feixe de íons bem focalizado no centro da placa do monitor de perfil.

Feche o copo de Faraday e registre os parâmetros antes de retornar à linha de feixe. De volta à linha de feixe 1E, use o aquecedor de filamento para aquecer rapidamente a amostra de paládio a 600 Kelvin e, em seguida, ajuste o aquecedor de filamento para cerca de 3.6 amperes para manter a temperatura da amostra em 145 Kelvin. Isolar a câmara do acelerador e da bomba NEG antes de expor a amostra a 2 000 langmuirs de hidrogénio a 145 Kelvin.

Desligue o aquecedor de filamento e quando a temperatura atingir 80 Kelvin, ajuste a pressão de fundo do hidrogênio para ser um micropascal. De volta à sala de controle, providencie para que o feixe de íons de nitrogênio tenha a energia inicial desejada. Para este experimento, certifique-se de que o copo de Faraday 04 registre uma corrente de feixe de 10 a 20 nanoamperes.

Em seguida, insira os parâmetros para a varredura de energia e o tempo de aquisição no software de controle antes de iniciar a aquisição automatizada de dados. Estes são valores de parâmetros típicos para BM03 para controlar a varredura de energia. Os valores são fornecidos para selecionar a energia inicial, a energia final e a mudança de energia a cada etapa.

O tempo de aquisição é de 50 segundos. As medições de hidrogênio em massa e de interface são feitas na linha de feixe 2C. Este manipulador foi removido da linha de feixe e está pronto com uma nova amostra no porta-amostras.

Para essas medições, a amostra é uma fina película de dióxido de silício em uma superfície de silício 100. Com a amostra alinhada paralelamente ao acesso ao tubo de transferência, aperte o clamp parafusos para prendê-lo no lugar. Retraia a amostra para dentro do tubo de transferência e prenda-a com um parafuso de travamento.

Mova o manipulador para sua posição na linha de feixe e reinstale-o na válvula gaveta. Quando o sistema estiver pronto, abaixe a amostra para a posição para a medição NRA. Como neste esquema, alinhe a superfície da amostra normal à viga incidente.

Use uma câmera de linha de feixe e um monitor para essa finalidade. No cabeçote do manipulador, conecte a linha de corrente de amostra ao integrador de corrente da sala de controle. Vá para a sala de controle para continuar.

Alinhe o feixe definindo o ímã de dobra e os parâmetros da lente quadrupolo magnética. Observe o perfil do feixe no monitor de perfil enquanto otimiza ainda mais os parâmetros para transmissão do feixe e mantém o perfil no alvo. Em seguida, defina o parâmetro BM03 para determinar a energia do feixe inicial para a varredura.

No computador, insira os parâmetros desejados para a varredura de energia e inicie a varredura automatizada de energia para adquirir um perfil de profundidade. Este perfil de profundidade próxima à superfície é de paládio de cristal único que teve sua superfície 110 exposta ao gás hidrogênio. O experimento foi realizado na linha de feixe 1E com uma pressão de fundo de hidrogênio de 1,3 micropascals.

O eixo horizontal inferior fornece a energia do feixe de íons de nitrogênio. O eixo superior fornece uma medida da profundidade com base no poder de parada do paládio. Os símbolos abertos correspondem a um experimento com paládio que foi pré-exposto em 100 segundos a 2.000 langmuirs de gás hidrogênio a 145 Kelvin.

Os dados foram obtidos a 90 Kelvin. O perfil pode ser decomposto em um pico na profundidade zero em preto e um platô em azul. A área do pico fornece informações sobre a densidade da superfície do hidrogênio.

Nesse caso, a cobertura é de 1 1/2 hidrogênio por átomo de paládio na superfície. O platô revela que o hidrogênio foi absorvido a uma profundidade de pelo menos 20 nanômetros. Os símbolos cinza e preto são para experimentos sem pré-dosagem de hidrogênio.

Esses dados foram obtidos a 170 Kelvin. Esses gráficos representam dados de uma série de experimentos com dióxido de silício sobre silício realizados na linha de feixe 2C. Como antes, a energia do íon é mostrada no eixo inferior.

A profundidade ao longo do topo. As posições da interface entre os materiais são indicadas por uma linha tracejada vertical. Todos os perfis mostram dois picos indicando uma distribuição não uniforme de hidrogênio, incluindo hidrogênio apenas alguns nanômetros à frente da interface de silício de óxido de silício.

Os experimentos neste vídeo demonstram que a técnica NRA pode distinguir hidrogênio absorvido na superfície e absorvido em volume ou interface em alvos sólidos. Além disso, a NRA quantifica o teor de hidrogênio em seus respectivos locais de profundidade sem destruir o material da amostra. Esteja ciente de que, especialmente a temperatura e a pressão durante a exposição ao hidrogênio, influenciam de forma muito crítica a distribuição de profundidade do hidrogênio absorvido pelo paládio.

Se esses parâmetros experimentais forem alterados, o perfil de hidrogênio é diferente daqueles mostrados neste vídeo. Depois de assistir a este vídeo, você deve ter uma boa impressão de como a medição da análise de reação nuclear é realizada nas instalações do MALT para determinar quantitativamente as densidades de hidrogênio nas superfícies e no interior de materiais sólidos por meio do perfil de profundidade em nanoescala.