Количественное водорода концентрации в поверхностных и интерфейсных слоев и сыпучих материалов через профилирование по глубине с анализом ядерной реакции

Общая цель анализа ядерных реакций с использованием резонансной ядерной реакции 15 nH заключается в измерении плотности абсорбированных атомов водорода на твердых поверхностях, а также в определении распределения концентрации абсорбированного водорода по глубине в объеме материалов. Выяснение содержания водорода на поверхностях, в приповерхностном слое и на неглубоких межфазных границах твердых тел является ключевым вопросом во многих областях фундаментального материаловедения и инженерии. Основным преимуществом анализа ядерных реакций является то, что он позволяет количественно и неразрушающим способом определить концентрацию и глубину залегания водорода с нанометровым разрешением по глубине.

Профилирование водорода методом NRA поддерживает исследования материалов для хранения и очистки водорода. Сюда входят катализаторы для топливных элементов и гидрирования, удержание водорода и водородное охрупчивание, изготовление приборов и вопросы надежности, связанные с водородом, в полупроводниковых технологиях. В данном видео мы демонстрируем уникальное сочетание NRA с инструментами исследования поверхности для количественного определения плотности слоев водорода на атомно-контролируемых поверхностях мишеней и на неглубоких интерфейсах.

Данные эксперименты по анализу ядерных реакций проводятся на ускорителе MALT Токийского университета. Измерения содержания поверхностного водорода выполняются на линии пучка 1E в этой сверхвысоковакуумной камере. В камеру помещен монокристаллический образец палладия 110, при этом при комнатной температуре поддерживается давление ниже 10 nanopascals.

На этой схеме камеры с образцом (вид сверху) представлен общий обзор расположения оборудования. Слева входит линия пучка ионов азота, включающая дефлектор и чашку Фарадея. Кроме того, имеется ионная пушка для распыления, а также вход для водорода.

Камера оснащена оборудованием для дифракции медленных электронов и Оже-спектроскопии для подготовки мишеней INC2. Последними двумя приборами являются квадрупольный масс-спектрометр, показанный в нижней части схемы, и сцинтилляционная система детектирования справа. Образец фиксируется зажимом в держателе образцов на XYZ-столике в центре камеры, и за ним можно наблюдать через смотровое окно.

На этом изображении представлен пример держателя с образцом, который в данный момент находится в камере. Танталовые проволоки поддерживают монокристаллический образец. Держатель также позволяет проводить электрические и термические измерения.

Начните с очистки целевой поверхности в камере путем распыления и отжига. Используйте XYZ-столик, чтобы переместить образец в центр камеры. Кроме того, поверните образец для его правильного выравнивания.

Образец должен быть направлен к газовому дозатору, расположенному между ионным источником и смотровым окном. Для точной настройки угла включите блок питания ионного источника. Установите ток эмиссии на 20 milliamps.

Наблюдайте за образцом через смотровое окно, выполняя точную настройку его угла наклона. Цель состоит в том, чтобы зеркальное отражение нити ионного пушки было видно на поверхности образца. После завершения точной настройки установите значение энергии пучка на блоке питания ионной пушки на 800 electron volts.

Затем закройте затвор насоса NEG в нижней части камеры. С помощью регулируемого выпускного клапана введите в камеру аргон под давлением 9 millipascal. Для считывания тока ионного распыления используйте цифровой тестер, подключенный между образцом и заземлением.

Убедитесь, что сила тока составляет около двух микроампер на протяжении всего 10-минутного процесса распыления. Остановите распыление, закрыв регулируемый вентиль утечки и выключив источник питания ионного распылителя. Продолжите подготовку, доставив жидкий азот к манипулятору и добавив около 100 мл в криостат.

Оставайтесь у манипулятора, чтобы выполнить электрические соединения для отжига. Подключите крышки нагревателя нити к источнику питания нагревателя. Также подключите вывод термопары к цифровому тестеру для мониторинга температуры.

Заземлите нить, соединив ее с корпусом камеры. В завершение подключите контакт образца к источнику напряжения смещения. После этого настройте источник высокого напряжения.

Подайте на образец смещение в один киловольт. Затем проведите отжиг образца при 1 000 Kelvin и его окисление при 750 Kelvin. После отжига и окисления подготовьте образец для дифракции медленных электронов.

Изучите дифракционную картину; она должна иметь четкую структуру с яркими рефлексами и низким уровнем фонового шума, как показано в данном примере. Будьте готовы повторить этапы распыления, отжига, окисления и восстановления при необходимости. Следующим шагом является юстировка пучка ионов азота по монокристаллической мишени для проведения анализа ядерных реакций.

Центрируйте образец в плоскости XY и отрегулируйте положение по оси Z до высоты передней апертуры масс-спектрометра. Поверните образец обратно лицом к линии пучка. Затем опустите держатель образца, чтобы установить монитор профиля пучка в положение для анализа ядерных реакций.

Установите камеру на фланец окна для передачи изображений профиля пучка в пункт управления. Вернитесь к манипулятору и отсоедините все электрические контакты от образца. После этого подсоедините линию тока образца.

Теперь подготовьтесь к вводу ионного пучка. Установите напряжение электростатического отклонителя на линии пучка на 8 500 вольт. Для продолжения перейдите в помещение управления.

Затем переключите интегратор тока из режима ожидания в рабочий режим. На этой схеме представлена часть линии пучка ускорителя до того, как ионный пучок распределяется по различным экспериментальным линиям. Экспериментальные линии пучка также отображены на схеме.

Для данного протокола важны четыре компонента. BM03 представляет собой секторный магнит с углом 90 градусов. Он используется для выбора энергии ионного пучка при профилировании по глубине.

FC04 представляет собой стакан Фарадея, который можно ввести в пучок для измерения тока ионного пучка и предотвращения его попадания на образец. MQ04 — это магнитная квадрупольная линза, используемая для фокусировки пучка на образце. А BM04 — это отклоняющий магнит, который направляет пучок в линии пучка.

Примите меры для регулировки энергии ионного пучка и направьте пучок на мишень в вакуумной камере. Установите параметры магнитного квадрупольного объектива MQ04, линз XCC и YCC для предварительной фокусировки пучка. Откройте затворные клапаны между ускорителем и линией пучка, а затем откройте чашку Фарадея FC04.

Используйте монитор для наблюдения за профилем ионного пучка на кварцевой пластине в камере мишени. На основании этих данных точно настройте отклоняющий магнит BM04 и параметры магнитного квадрупольного объектива. Цель состоит в том, чтобы получить хорошо сфокусированный ионный пучок в центре пластины монитора профиля.

Закройте чашку Фарадея и зафиксируйте параметры перед возвращением к линии пучка. Вернувшись на линию пучка 1E, с помощью нагревателя нити подвергните образец палладия импульсному нагреву до 600 Kelvin, затем установите ток нагревателя нити примерно на 3.6 amps, чтобы поддерживать температуру образца на уровне 145 Kelvin. Изолируйте камеру от ускорителя и ГЭТ-насоса перед воздействием на образец водорода в дозе 2, 000 langmuirs при температуре 145 Kelvin.

Выключите нагреватель нити накала и, когда температура достигнет 80 Kelvin, отрегулируйте фоновое давление водорода до одного micropascal. Вернувшись в пункт управления, установите требуемую начальную энергию пучка ионов азота. Для данного эксперимента убедитесь, что чашка Фарадея 04 регистрирует ток пучка от 10 до 20 nanoamps.

Затем, перед началом автоматического сбора данных, введите в программное обеспечение управления параметры сканирования по энергии и время сбора данных. Ниже приведены типичные значения параметров для управления сканированием по энергии на установке BM03. Указаны значения для выбора начальной энергии, конечной энергии и шага изменения энергии.

Время сбора данных составляет 50 секунд. Измерения содержания водорода в объеме и на интерфейсе проводятся на линии пучка 2C. Данный манипулятор был снят с линии пучка и подготовлен с новым образцом в держателе образцов.

Для этих измерений в качестве образца используется тонкая пленка диоксида кремния на поверхности кремния 100. Выровняв образец параллельно входу в переносную трубку, затяните стопорные винты для его фиксации. Введите образец в переносную трубку и зафиксируйте его стопорным винтом.

Переместите манипулятор в рабочее положение на путепроводе пучка и снова установите его на затворный клапан. Когда система будет готова, опустите образец в положение для проведения NRA-измерения. Как показано на данной схеме, расположите образец так, чтобы нормаль к его поверхности была направлена вдоль падающего пучка.

Для этой цели используйте камеру и монитор на линии пучка. На головке манипулятора подключите линию тока образца к интегратору тока в пульте управления. Перейдите в пульт управления для продолжения.

Выполните грубую юстировку пучка, установив параметры изгибающего магнита и магнитного квадрупольного объектива. Наблюдайте за профилем пучка на профилометре, продолжая оптимизировать параметры для обеспечения прохождения пучка и удержания профиля на мишени. Затем установите параметр BM03, чтобы определить начальную энергию пучка для сканирования.

На компьютере введите необходимые параметры сканирования по энергии и запустите автоматическое сканирование энергии для получения профиля распределения по глубине. Данный профиль распределения в приповерхностном слое получен для монокристалла палладия, поверхность которого с гранью 110 была подвергнута воздействию газообразного водорода. Эксперимент проводился на линии пучка 1E при фоновом давлении водорода 1.3 micropascals.

Нижняя горизонтальная ось указывает энергию пучка ионов азота. Верхняя ось представляет глубину, рассчитанную на основе тормозной способности палладия. Открытые символы соответствуют эксперименту с палладием, который подвергался предварительному воздействию водорода при давлении 2 000 лангмюр в течение 100 секунд при температуре 145 Kelvin.

Данные были получены при температуре 90 Kelvin. Профиль может быть разложен на пик при нулевой глубине (черный цвет) и плато (синий цвет). Площадь пика дает информацию о поверхностной плотности водорода.

В данном случае степень покрытия составляет 1 1/2 атома водорода на один поверхностный атом палладия. Плато указывает на то, что водород был поглощен на глубину не менее 20 nanometers. Серые и черные символы соответствуют экспериментам без предварительного дозирования водородом.

Эти данные были получены при 170 Kelvin. На данных графиках представлены результаты серии экспериментов с диоксидом кремния на кремнии, проведенных на линии пучка 2C. Как и прежде, энергия ионов указана на нижней оси.

Глубина вдоль верхней части. Положения границы раздела между материалами отмечены вертикальной пунктирной линией. Все профили демонстрируют два пика, что указывает на неравномерное распределение водорода, включая водород, находящийся всего в нескольких нанометрах перед границей раздела диоксида кремния и кремния.

Эксперименты в данном видео демонстрируют, что метод NRA позволяет различать водород, абсорбированный на поверхности, и водород, абсорбированный в объеме или на границе раздела фаз в твердых мишенях. Кроме того, NRA позволяет количественно определить содержание водорода на соответствующих глубинах без разрушения материала образца. Обратите внимание, что температура и давление во время воздействия водорода оказывают критическое влияние на распределение по глубине водорода, абсорбированного палладием.

При изменении данных экспериментальных параметров, скорее всего, будет получен профиль распределения водорода, отличный от представленного в этом видео. После просмотра этого видео у вас должно сложиться четкое представление о том, как проводится измерение методом ядерного реакционного анализа на установке MALT для количественного определения плотности водорода на поверхности и внутри твердых материалов с помощью наноразмерного профилирования по глубине.