Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

Kvantifiering av vätgaskoncentrationer i Surface och gränssnitts Lager och strömaterial genom djupprofilering med kärnreaktionen Analys

Published: March 29, 2016 doi: 10.3791/53452
Automatic Translation
1, 1, 1, 1, 2
1Institute of Industrial Science, The University of Tokyo, 2Micro Analysis Laboratory, Tandem accelerator, The University Museum, The University of Tokyo

Summary

Vi illustrerar tillämpningen av en H (15 N, αγ) 12 C resonanskärnreaktion analys (NRA) för att kvantitativt utvärdera densiteten hos väteatomerna på ytan, i volymen och vid ett gränsskikt av fasta material. Den ytnära väte djup profilering av en Pd (110) enkristall och SiO 2 / Si (100) stackar beskrivs.

Abstract

Kärnreaktion analys (NRA) via resonans 1 H (15 N, αγ) är 12 C reaktions en mycket effektiv metod för djupprofilering som kvantitativt och icke-förstörande avslöjar vätetäthetsfördelningen vid ytorna, vid gränsytor, och i volymen av fasta material med hög djupupplösning. Tekniken applicerar en 15 N jonstråle av 6.385 MeV som tillhandahålls av en elektrostatisk accelerator och specifikt detekterar en H isotopen i djup upp till ca 2 | j, m från målytan. Yta H omfattningar mäts med en känslighet i storleksordningen ~ 10 13 cm -2 (~ 1% av en typisk atommonolager densitet) och H volymkoncentrationer med en detektionsgräns av ~ 10 18 cm -3 (~ 100 vid. Ppm ). Den ytnära djup resolutionen 2-5 nm för utanpå normal 15 N ion förekomsten mot målet och kan förbättras till värden under 1 nm för mycket plana mål efter adopting en yta betning förekomst geometri. Metoden är mångsidig och lätt appliceras på varje högvakuum kompatibel homogent material med en slät yta (inga porer). Elektriskt ledande mål tål vanligen jonstrålen bestrålning med försumbar nedbrytning. Väte kvantifiering och rätt djup analys kräver kunskap om elementära sammansättning (förutom väte) och massdensitet av målmaterialet. Speciellt i kombination med ultrahögvakuum metoder för in situ mål framställning och karakterisering, 1H (15 N, αγ) 12 C NRA är idealisk för vätgasanalys vid atomärt styrda ytor och nanostrukturerade gränssnitt. Vi visar exemplariskt här tillämpningen av 15 N NRA på MALT Tandemacceleratoranläggningen vid universitetet i Tokyo till (1) kvantitativt mäta yttäckning och huvuddelen koncentrationen av väte i den ytnära region i en H2 utsatt Pd(110) enkristall, och (2) för att bestämma djupet plats och lager täthet av väte nära gränssnitt tunna SiO 2 filmer på Si (100).

Introduction

Den gränslösa väte som en förorening eller som en beståndsdel i en mängd olika material och mängd väte-inducerad interaktionsfenomen gör att avslöja fördelningen väte i ytnära regionen och begravda gränssnitt av fasta ämnen en viktig uppgift i många områden i teknik och grundläggande materialvetenskap. Framstående sammanhang innefattar studier av väte absorption i lagrings- och reningsmaterial för väteenergitillämpningar, bränsleceller, foto- och hydrering katalys, väte lagring och försprödning i kärn- och fusionsreaktor teknik, vätgas inducerade ytaktiva effekter i epitaxiell tillväxt tillverkning och väte- relaterade elektriska tillförlitlighetsproblem i halvledarkomponentteknologi.

Trots sin omnipresence och enkel atomstruktur, kvantitativ detektion av vätgas medför analytiska utmaningar. Som väte innehåller bara en enda elektron, annars mångsidig elementära analysär av elektronspektroskopi är ineffektiva. Vanligaste metoderna väte upptäckt genom mass analytiska, optiska, eller kärnresonans tekniker såsom metallurgisk fusion, termisk desorption, infraröd absorption eller NMR-spektroskopi är i huvudsak okänsliga för djup platsen för väte. Detta utesluter t.ex. diskriminera mellan yta-adsorberat och bulk-absorberat väte som skiljer sig väsentligt i deras fysiska och kemiska material interaktioner, och deras skillnad blir därför allt viktigare för analys av nanostrukturerade material som utgör små volymer och stora ytor. Väte profilering av sekundär jon masspektrometri, men som ger djupupplöst kvantitativa H koncentrationer är lika destruktiv för den analyserade mål som metallurgisk fusion, och sputtering effekter kan göra djupinformation som erhålls nära ytan opålitliga.

Kärnreaktion analys med den smalaenergi resonans (E res) av ett H (15 N, αγ) 12 C reaktion på 6.385 MeV 1-3, å andra sidan, kombinerar fördelarna med icke-förstörande väte kvantifiering med hög djupupplösning i storleksordningen ett fåtal nanometer nära ytan. Metoden bestämmer ytan H omfattningar med en känslighet i storleksordningen 10 13 cm -2 (~ 1% av en typisk atommonolager densitet). Vätgaskoncentrationer i det inre av material kan bedömas med en detektionsgräns av flera 10 18 cm -3 (~ 100 vid. Ppm) och en sonderingsdjup intervallet ca 2 pm. Den ytnära djup resolutionen rutinmässigt 2-5 nm i yta-vinkelrätt infall av 15 N jonstrålen på det analyserade målet. I utanpå bete incidens geometrier, kan upplösningen ökas ytterligare till värden under 1 nm. Se ref. 3 för en detaljerad redogörelse.

Dessa funktioner har visat 1 H ( 12 C NRA som en kraftfull teknik för att belysa den statiska och dynamiska uppträdande av väte vid ytor och gränssnitt i en mängd olika processer och material 3. Inrättats genom Lanford 4 1976, var 15 N NRA användes först till övervägande del för att kvantitativt bestämma volymen H koncentrationer i bulkmaterial och tunna filmer. Bland andra ändamål, har de absoluta vätgaskoncentrationer som uppnås genom 15 N NRA använts för att kalibrera andra, inte direkt kvantitativa, tekniker vätedetektions 5,6. Också 15 N NRA väte profilering i mål med väl definierade gränssnitt i skiktade tunnfilmsstrukturer har beskrivits 7-10. På senare tid har stora framsteg gjorts när det gäller att studera väte i ytnära regionen kemiskt ren och strukturellt väldefinierade mål genom att kombinera 15 N NRA med yta analytisk ultrahögt vakuum (UHV) instrumentering FÖRBEREDELSEe Atomically kontrollerade ytor in situ för H analys 3.

Genom att kvantifiera väte täckning på enstaka kristallytor, har NRA hög grad bidragit till den nuvarande mikroskopisk förståelse av väteadsorption faser på många material. 1H (15 N, αγ) 12 C NRA är dessutom den enda experimentell teknik för att direkt mäta noll- peka vibrationsenergi av utanpå adsorberad H-atomer 11, det vill säga, det kan avslöja den kvantmekaniska vibrationsrörelser av adsorberade H-atomer i riktningen för den infallande jonstrålen. Genom förmågan hos nanometerskala diskriminering mellan yta-adsorberat och bulk absorberas H, kan 15 N NRA ge värdefull insikt i väte tränger genom materialytor, såsom relevant för mineral hydrering dejting 12 eller för observation hydrid kärn under ytor av H upptagande metaller 13-15. Hög resolution 15 N NRA ansökningar har visat potential att upptäcka undermonoskikttjockleksvariationer adlayers 16 och för att skilja yta-adsorberat från volym absorberat väte i Pd nanokristaller 17. Kombinationen med termisk desorption spektroskopi (TDS) möjliggör entydiga identifieringar av H 2 termisk desorption funktioner och för djupet upplöst utvärdering av den termiska stabiliteten hos adsorberat och absorberat väte tillstånd mot desorption och diffusion 13,15,18. På grund av sin icke-förstörande natur och hög djupupplösning 1 H (15 N, αγ) 12 C NRA är också en idealisk metod för att upptäcka väte begravdes på intakta gränssnitt, som gör det möjligt att studera väte fångst vid metall / metall 19-22 och metall / halvledare gränssnitt 16,23-25 ​​och för att spåra väte diffusion i staplade tunnfilmssystem 9. Genom att direkt visualisera väte omfördelning fenomena mellan gränssnitten i SiO 2 / Si-baserade metalloxidhalvledar (MOS) strukturer som relaterar till elektrisk nedbrytning enhet har NRA gjort särskilt värdefulla bidrag till enheten tillförlitlighet forskning 26.

Principen väte upptäckt i NRA är att bestråla det analyserade målet med en 15 N jonstråle av åtminstone E res = 6.385 MeV att inducera resonans 1H (15 N, αγ) 12 C kärnreaktion mellan 15 N och ett H i material. Denna reaktion frigör karakteristiska y-strålar av 4,43 MeV som mäts med en scintillationsdetektor i närheten av provet. Den γ-utbytet är proportionell mot H-koncentrationen i ett visst djup av målet. Normalisera denna signal med antalet infallande 15 N joner omvandlar den till absoluta H densitet efter att systemet γ-detektering har kalibrerats med en standard mål av känd H koncentration. 15 res kan reagera med väte på målytan. Koncentrationen av begravda väte mäts med 15 N joner incident vid energier (E I) ovan E res. Inuti målmaterialet, de 15 N-joner lider energiförlust på grund av elektronisk stopp. Denna effekt ger den höga djup upplösning, eftersom en H (15 N, αγ) har 12 C kärnreaktionen resonans en mycket smal bredd (Lorentz bredd parameter Γ = 1,8 keV) och bromskraft av material för 6,4 MeV 15 N varierar mellan 1-4 keV / nm, så att passagen av den 15 N jonen genom endast ett fåtal atomskikt är tillräckligt för att skifta dess energi utanför resonans fönstret. Sålunda detekterar resonans reaktion begravd H vid E i> E res i en sonderings djup d = (Ei - E res) / S, där S är den elektroniskabromskraft av analysmaterialet 3.

Genom att mäta γ avkastning när du skannar händelsen 15 N jon energi i små steg, erhåller man en kärnreaktion magnetiseringskurva som innehåller densiteten ingående fördelningen av väte i målet. I denna magnetiseringskurva (γ avkastning jämfört med 15 N energi), är den faktiska H djupfördelningen faltas med NRA avgörande funktion som ger en övervägande Gauss breddning och är den största begränsningen för djupupplösningen 3. På ytan (dvs på E i = E res) Gauss bredd domineras av en dopplereffekten på grund av nollpunkten vibrationer i H-atomerna mot målytan. 11,27,28 avkastningskurvan med begravd väte detekteras vid E i> E res påverkas av en ytterligare Gauss breddning komponent som beror på slumpvis 15 N jon energi straggling i målet. De stripigt bredd ökar i proportion mot kvadratroten av jonen bana längden i materialet 29,30 och blir den dominerande upplösning begränsande faktorn ovan probdjup av 10 till 20 nm.

För att demonstrera några mycket typiska väte profilering program med 15 N NRA, vi här som exempel beskriva (1) den kvantitativa utvärderingen av ytan H täckning och bulk absorberade vätekoncentrationen i en H2 utsatt palladium (Pd) enkristall, och (2) utvärderingen av de djup plats och väte lager densiteter vid begravda gränssnitt SiO 2 / Si (100) stackar. NRA-mätningarna utförs på MALT 5 MV van-de-Graaf tandemaccelerator 31 vid universitetet i Tokyo, som ger en mycket stabil och väl monokromatiserad (AE i ≥ 2 keV) 15 N jonstråle av 6-13 MeV. Författarna har utvecklat ett datorstyrt system för accelerateller för att möjliggöra automatiserad energi scanning och datainsamling för väte profilering. Speglar de två olika uppgifter NRA mätning som lagts fram av ovanstående H profilerings applikationer ger MALT anläggningen två ion beam linjer med specialiserade experimentstationer: (1) en UHV yta analyssystem med en enda vismut germanate (BGO, Bi 4 Ge 3 O 12 ) γ-scintillationsdetektor tillägnad NRA kvantifiering av väte Ytan omfattningar, till noll-punktsvibrationsspektroskopi, och till H djupprofilering på Atomically styrda enkristallina mål i en unik kombination med TDS; och (2) en hög vakuumkammare utrustad med två BGO detektorer placerade mycket nära målet för ökad effektivitet γ-detektering, vilket ger en lägre gräns H upptäckt och snabbare datainsamling. Denna inställning har ingen provberedning anläggningar men möjliggör snabb provutbyte (~ 30 min) och därmed en högre genomströmning av mål för vilka en väl controfylld ytskikt är inte en väsentlig del av den analytiska uppgiften, såsom H profilering på nedgrävda gränssnitt eller kvantifiering av bulk H koncentrationer. Vid båda balkrader är BGO detektorer placeras lämpligen utanför vakuumsystem eftersom y-strålar tränger de tunna kammarväggarna med försumbar dämpning.

Figur 1
Figur 1. NRA setup i BL-1E UHV-system. (A) Schematisk vy i BL-1E UHV-system utrustat med sputter ion pistol, låg energi elektron diffraktion (LEED), och Auger elektronspektroskopi (AES) för in -situ framställning av atomärt beställt och kemiskt rena enkla kristallytan mål och kombinerade NRA och TDS mätningar med en kvadrupol masspektrometer (QMS) monterad på en linjär förflyttning skede. (B) Pd enda kristall förlaga bifogad på tHan provhållare av kryogeniska manipulator. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 1 (A) visar UHV systemet balk linje (BL) -1e, som är fullt utrustad för in-situ framställning av atomärt beställda enkla kristallytor och har ett grundtryck <10 -8 Pa att upprätthålla ytrenhet. För att ge prov tillgång för utanpå analytiska verktyg är 4 "BGO scintillator placeras på 15 N Ion Beam axel ~ 30 mm bakom målet. Provet monteras på en 4-axlig manipulation scen för exakt (x, y, z, Θ) positionering och kan kylas med flytande kväve till ~ 80 K eller med komprimerat Han till ~ 20 K. Figur 1 (B) visar en Pd enkristall målet monterad genom punktsvetsade Ta stödtrådar till en He kompressions kryostat. kvarts~~POS=TRUNC distanser ark isolerar sampl e hållarplattan elektriskt från kryostaten kroppen. Detta möjliggör den infallande 15 N jonström mätning nödvändig för kvantitativ NRA och möjliggör elektronbombardemang uppvärmning från volframtråd på baksidan av provhållaren. Ett typ K termoelement är punktsvetsad till kanten av Pd-provet. En kvartsplatta som är fäst på roboten axeln ovanför provet används för att övervaka jonstrålen profil och för prov-ljushöjden. Figur 2 (A) visar setup på BL-2C med två 4 "BGO detektorer anordnade i 90 ° med avseende till 15 N trålen med sin främre yta längre än 19,5 mm från strålens axel. prov~~POS=TRUNC hållaren~~POS=HEADCOMP (fig 2 (B)) erbjuder ett enkelt fastspänningsmekanism för snabb provutbyte och medger rotation av provet runt den vertikala axeln för att justera 15 N infallsvinkeln.

iles / ftp_upload / 53452 / 53452fig2.jpg "/>
Figur 2. NRA setup på BL-2C. (A) Schematisk vy ovanifrån in i den hög vakuumkammare vid BL-2C utrustad med två BGO y-detektorer nära målpositionen. (B) provhållare med en stor chip mål av SiO 2 / Si (100) fastspänd på. Imma upp denna provtyp med vattenånga efter NRA analys visualiserar fläckarna som bestrålades med 15 N jonstrålen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Planering av experiment

  1. Identifiera MALT strålens linje ränta beroende på mätuppgift (BL-1E för ytan väte, BL-2C för bulk eller gräns väte). Kontakta bistå forskare (för närvarande MW eller KF) för att diskutera detaljer om NRA mätningar och deras nödvändiga förberedelser.
  2. Hämta en balk ansökningsformulär och observera sista ansökningsdatum på MALT webbplats 31.
    Obs! MALT anläggningen inbjuder nya projektförslag varje mars och september för sommaren (april-september) och vintern (oktober-mars) halv år i taget, respektive.
  3. Skriv strålen tiden förslaget och lägga fram enligt anvisningarna på MALT webbplats.
  4. Efter godkännande av förslaget, bekräfta strålen tidsplan för kommande halvt år som meddelades malt webbplats 31. Säkerhetsutbildning krävs för nya användare i början av terminen.
  5. Förbered dig för strålen tid i Advance. Överväga alla detaljer i försöket, och den tid som krävs för transport av material, för provinstallation, och särskilt för in situ ytpreparering i UHV (vid behov). Redo mål provet för NRA mätningen innan strålen Tiden börjar.

2. Förberedelse för NRA Mätningar vid BL-1E (UHV)

Obs: Använd alltid handskar vid hantering av instrument och material avsedda för användning i vakuum, inklusive rena verktyg.

  1. Installera enkristall provet i UHV (se Figur 1 (B)).
    1. Ställ punktsvets kraft till 3,5. Placera enkristallina prov på ren, plan, icke-ledande arbetsyta och punktsvets två 4 cm långa bitar av tantal (Ta) tråd (0,3 mm diam.) Parallellt med prov kanter.
    2. Försiktigt böja trådar att passa runt kristall kanten formen i kampen mot de böjkrafter med pincett eller tång vid punktsvetspunkter. På en längd av ~ 1 cm på varje sida, enpply 2-4 extra plats svetspunkter till trådparet längs kristall kanten.
    3. Böj kabeländarna peka bort från kristall centrum i ett horisontellt plan parallellt med arbetsytan. Placera provet med stödtrådar på den Ta plattan (0,3 mm tjock) av provhållaren. Rikta prov för att täcka hålet ovanför baksidan glödvärmaren och fixera provläget genom punktsvetsning alla fyra stödtrådändar på plattan. Om möjligt, tillämpa mer än en svetspunkten till varje trådänden, rör sig från trådspetsen mot provet.
    4. Skär bort någon överdriven kabellängd sticka ut ur hållaren plåtkanten. Ställ punktsvets kraft till minimum och släppa en puls genom punktsvetstång stängd tom. Spot-svets typ K (kromel-Alumel) termo (0,2 mm diameter) till den övre kanten av kristall provet.
    5. Bekräfta korrekt anslutning av provhållaren genom att mäta resistansen mellan de elektriska genomföringskontakter på kryostat huvudet: Filament vs prov (bias kontakt fäst vid provhållaren platta)> 20 MQ; Filament mot marken (kryostat kroppen)> 20 MQ; Glödlampor leder (0,3 mm diam W.) <3 Ω; Termoelement leder: ~ 16 Ω; Termoelement mot marken> 20 MQ; Termoelement kontra prov ~ 20 Ω och ~ 8 Ω (beroende på trådmaterial, kromel eller Alumel).
    6. Notera avstånd mellan centra för prov och balkprofilen monitor (kvartsplatta).
    7. Byt kopparpackningen på UHV manipulator huvudet och försiktigt in kryostat med monterade prov. Dra åt flänsbultarna och evakuera UHV systemet efter instruktioner från den assisterande vetenskapsman.
    8. Förbered UHV kammare för baka ut genom att fästa värme band och aluminiumfolie. Försäkra normal drift av alla turbomolekylära pumpar under minst 30 min och ett tryck <2 x 10 -4 Pa. Slå på kammarvärmare att baka UHV-system för 24 timmar.
    9. Bekräfta ion mätaren under 1 x 10 -5 Pa. Stänga baka värmares. Reaktivera icke förångningsbart getter (NEG) pump med inre uppvärmningselement vid 400-450 ° C under 30 min medan kammaren fortfarande är varm.
    10. Låt kammar svalna 3-4 timmar, sedan tillbaka QMS elektronik och strömkablarna till jon pistol och LEED optik. Degas filament av QMS, ion pistol, och LEED. Bekräfta att kammarbastryck är <1 × 10 -8 Pa efter fullt kylning till rumstemperatur (inom 12-24 timmar).
  2. Förbered enda kristallytan i UHV (se Figur 1 (A)).
    1. Position prov i kammaren centrum med manipulatorn x, y, z-scenen och rotera för att anpassa ytan mellan visnings och jon pistol (mot gas doseraren). Slå på ion pistol strömförsörjning och justera "Emission" kontroll till 20 mA. Titta på provet genom visnings och finjustera provrotationsvinkel, så att spegelbilden av den glödande ion pistol filament är synlig på provytan.
    2. Ställ "Beam energi" på jon pistol power leverera till 800 eV. Nära NEG pumpavstängningsventil vid kammarens botten och införa 6 × 10 -3 Pa Ar gas i UHV kammaren genom variabel läckventil. Bekräfta en sputter jonström (digital testare, från prov till marken) runt 2 | iA och spotta ytan under 10 min vid rumstemperatur.
    3. Lägg flytande kväve till roboten kryostat. Vid manipulator huvud, ansluta glödvärmare leder till strömförsörjning och digital testare (20 mV) till termoföring. Jorda filamentet.
    4. Anslut prov kontakt med förspänning strömförsörjning. Applicera prov förspänning 1 kV. Använd glödvärmeströmmar upp till 6,6 A för glödgning, oxidation, och flash-uppvärmning i nästa steg (2.2.5) under övervakning av termospänningen (provtemperatur) med den digitala testaren.
      VARNING: Rör ALDRIG digital testare eller manipulator huvudet medan provet är partisk (risk för dödlig elektrisk chock!).
    5. Glödga prov i UHV till 1000 K under 10 minuter att säkerställa trycketförblir under 2 x 10 -7 Pa. Oxidera vid 750 K i 5,0 x 10 -5 Pa O 2 under 5 minuter, därefter sänka vid rumstemperatur (RT) i 5,0 x 10 -5 Pa H2. Utför en slutlig blinkande till 600 K i UHV.
    6. Observera LEED mönster och upprepa steg 2.2.1 till 2.2.2 (sputtring) och 2.2.3. till 2.2.5 (glödgning / oxidation / H2 -reduktion) tills en klar (1 × 1) struktur med ljuspunkter med låga bakgrunds resultat (Figur 3) och inga föroreningar finns kvar i Auger elektronspektroskopi 32. Spotta för endast 2-3 minuter i de upprepade sputter / härdningscykler.
    7. (tillval) Lägg till flytande kväve till roboten kryostat för att kyla provet till 90 K och utsättas för några Langmuirs (L) H2-gas (1 L = 1,33 x 10 -4 Pa). Utför en TDS mätning och slutligen kontrollera att H2 termisk desorption spektrum överensstämmer med litteraturdata 15.
      Obs: De förberedelser som är nödvändigai förväg av NRA strålens tid är nu klar. Den rena målytan kan nu framställas rutinmässigt inom ~ 2-3 timmar genom att upprepa steg 2.2.1 till 2.2.6 med sputtering cykler av 2-3 min.

Figur 3
Figur 3. LEED mönster (223 eV) i den rengjorda Pd (110) yta i BL-1E UHV-system. Den klara (1 × 1) mönster med ljusa diffraktion prickar på en låg bakgrund innebär en atomärt välordnad ytstruktur. klicka här för att se en större version av denna siffra.

  1. Rikta 15 N jonstråle till enkristall mål.
    1. Vid 1E UHV kammaren, läge prov i kammaren centrum (x = 25, y = 26, justera z med ögat höjd av QMS främre öppning) och rotera för att möta 15 N jonbeam linje. Ta kvartsplatta balkprofilen skärmen (Figur 1 (B)) till NRA mätposition genom att sänka provhållaren genom prov-monitor avståndet mätt i steg 2.1.5. Ställ digitalkamera på fönster fläns under roboten att sända strålen profilbild på kvartsplattan till TV-skärm i gasreglaget rummet.
    2. Ta bort alla andra elektriska kontakter för att ta prov på manipulator huvudet och ansluta signalledningen till digital ström integrator i kontrollrummet. Ställ elektro deflektor spänningen på BL-1E till 8500 V. Öppna tre manuella avstängningsventiler på BL-1E mellan UHV kammaren och avböjningsmagnet BM04.
    3. Få instruktioner från den assisterande vetenskapsman att bekanta sig med gaspedalen styrsystemet i kontrollrummet.
      Obs: parametrar Accelerator (såsom strålen energi- och riktningsbestämmande magnetfält och fokuseringslinser) ställs in med tilldelnings rattar på en central kontrollpanel. Beam line ventiler och Faraday koppar ärfjärr öppnas / stängs av musklick och pneumatisk manövrering.
    4. I kontrollrummet, växlar nuvarande integratör från "Stand by" -läge till "Operate". Anslut integrator analog utgång till aktuell indikator. Vid gaspedalen kontrollpanelen justera 15 N jonstråle energi med gaspedalen i spaltåterkopplingsmodet till en energi analysator magnetfält av 5535 Gauss (Parameter: NMR03) och matcha bock magnetfält (Parameter HPB04) till ~ -6,033.4 Gauss att rikta jonstråle på mål i 1E UHV kammare. Ställ magnetiska quadrupole linsparametrar (MQ04) till XCC = 4,64 A och YCC = 5,15 A för att fokusera strålen ungefär.
    5. I kontrollrummet, öppna två avstängningsventiler mellan accelerator och balk linje 1E. Öppna Faraday cup (FC) FC04 och observera jonstråle profil på kvartsplatta i mål kammare på TV-skärmen. Finjustera BM04 och MQ04 parameterinställningar för att erhålla väl fokuserad jonstråle i centrum av profilen övervaka plattan. Justera z-position kvarts skärm med prov manipulateller om så är nödvändigt.
    6. Stäng Faraday cup FC04 och lyft upp prov z-läge igen genom prov-monitor avstånd. Ta del av NMR03 / HPB04 / MQ04 (XCC, YCC) parametrar och spara dem i en ny MagparNNN.xls fil för den aktuella strålen tid (NNN, ett tresiffrigt tal).
      Obs: Baserat på denna referens NMR03 / HPB04 ingång, beräknar MagparNNN.xls matchande magnetfält parametrar för energi analys (BM03) och riktning-switching (BM04) magneter behövs för att hålla jonstrålen position på målet under en 15 N energi scan.

3. Förberedelser för NRA Mätning vid BL-2C

  1. Lyft upp någon tidigare använt prov från balk linjer visade läget i den manipulaöverföringsstången, säker höjd med fixeringsskruven, och nära slussventilen på balken linjen.
  2. Dra av provet nuvarande linjen vid elektrisk genomföring och roterande pump linje vid KF flänskoppling av manipulatorn. Lösgöra manipulator från grinden ventilflänsen. Placera manipulator på beredningsbordet och skjut provhållaren ur överföringsröret. Rotera manipuleringsaxel för att placera provet horisontellt.
  3. Lossa två M2 skruvarna provklämman (Figur 2 (B)) och ta bort gamla mål. Ställ nytt prov, rikta parallellt med manipulator axeln och dra åt klämskruvarna. Dra tillbaka provet i överföringsröret och säker position med fixeringsskruven.
  4. Ersätta koppar packningen på gate ventil och installera manipulator på balken linjen. Fästa rotationspump linje till manipulator. Stäng ventil i den roterande pumpledningen till turbomolekylpump (TMP).
  5. Öppna roterande pump ledningsventilen av manipulatorn och evakuera överföringsröret för 10-15 minuter för att återställa roterande bastryck. Stäng manipulator pumpledning ventiler och öppna ventilen i roterande pumpledning till TMP. Öppna långsamt avstängningsventil till manipulatorn och evakuera för 20-30 minuter för att återställa 2-3 x 10 -3 Pa.
  6. Lägre prov på balk linjeposition och rikta yta ingenrmal av balk profil monitor (glasskiva) till infallande stråle riktning med hjälp av BL-2C kamera och närliggande TV-monitor. Anslut sedan BL-2C kamera signalledning till TV-monitor i kontrollrummet. Öppna två pneumatiskt manövrerade avstängningsventiler på BL-2C mellan NRA kammaren och avböjningsmagnet BM04.
  7. Anslut provströmsignalledningen mellan elektrisk genomföring av provmanipulatorn och digital ström integrator (kontrollrum). I gaspedalen kontrollrummet, växlar nuvarande integratör från "Stand by" -läge till "Operate" och anslut integrator analog utgång till strömmonitor.
  8. Ungefär rikta 15 N jonstrålar att rikta in BL-2C genom att böja magnetfält (Parameter HPB04) till ~ 0,6 Gauss (polaritet: positiv), magnetisk fyrpolig lins MQ04 parametrar till XCC = 4,64 A och YCC = 5,15 A, och kvadrupol lins MQ-2C parametrar A = 3,3 A och B = 3,6 A för att fokusera strålen ungefär.
  9. Finjustera HPB04 / MQ04 (XCC, YCC) / MQ-2C (A, B) parametrar för att optimera balk transmissjon (fri passage till målet) och balkprofilen på mål (använd balkprofil övervakar BPM-1C och BPM-2C och BL-2C kamerabilden) och ta del av de bästa inställningarna.

4. NRA Mätning vid BL-1E

  1. Flash-värme Pd prov till 600 K för att frigöra yta från alla adsorberade föroreningar. Stabilisera provtemperaturen vid 145 K med glödvärmare (~ 3,6 A) och kör Han kompression kryostat (eller flytande kväve kylning).
  2. Stäng ventilerna till acceleratorn och NEG pump och utsätta provet till 2000 LH 2 (2,66 x 10 -3 Pa × 100 sek) vid 145 K. Låt provet svalna till 80 K och justera en H2 bakgrundstryck av 1 x 10 -6 Pa .
  3. I kontrollrummet, in 15 N jonstråle energi på BM03 till önskat startvärde för energi scan (typiskt NMR03 = 5525 Gauss) och justera BM04 enligt MagparNNN.xls tabellen.
  4. Ladda NRA datainsamling programvara (NRAmain.vi) på gaspedalen control PC på BL-2C. Välj djup profilering rutin AutoScanLinuxUHVfb3.vi ". I AutoScanLinuxUHVfb3.vi, push Läs nuvärde "för att överföra aktuella magnet parameterinställningar till styr PC-mjukvara.
  5. Kontrollera igen att alla ventiler på BL-1E är öppna, att provet strömsignalledningen är ansluten att den nuvarande digitaliserings är inställd på "Kör", och att en 15 N stråle av idealt 15 ± 5 nA finns på FC04.
  6. Ställ STAT start, stopp och STEP värden för BM03 parameter för energi scan (typiskt 5525 Gauss, 5600 Gauss, och en Gauss, respektive) och aktivera alternativet "Force TVC till GVM" på. För en ~ 15 nA stråle av 15 N 2+, ställ in "Förvärvs tid" parameter till 50 sek.
  7. Klicka på "Execution" pilen i AutoScanLinuxUHVfb3.vi konsolen för att starta automatisk förvärv av en djupprofil (upp till ~ 35 nm djup i Pd för STOPP = 5600 Gauss). Vid slutet av skanningen (eller för en tidigare termination), klicka på "Stoppa mätning" för att stänga datafilen.
  8. Växla nuvarande digitizer till "Stand by" -läge, lösgöra provet aktuella raden från prov manipulator genomföring och stäng den sista slussventilen på BL-1E innan UHV kammaren.
  9. Stoppa bakgrunds H2 gas doseringen genom att stänga den variabla läcka ventil. Öppna NEG grindventilen vid UHV kammarbotten. (Valfritt: Ta en H 2 TDS spektrum av provet.)
  10. För ytterligare NRA mätningar (tillval), återexponera Pd (110) yta till H2 enligt instruktionerna i steg 4,2 och upprepa steg 4,3 till 4,9.

5. NRA Mätning vid BL-2C

  1. I kontrollrummet, in 15 N jonstråle energi på BM03 till önskat startvärde för energi scan (typiskt NMR03 = 5525 Gauss att starta profilering på ytan).
  2. Ladda NRA datainsamling programvara (NRAmain.vi) på gasreglaget PC på BL-2C. Välj djupprofilering rutin'AutoScanLinux11.vi'. Ange de önskade BM03 parametrar för automatisk energi scan (START, STOPP, STEP), matchande start på BM03 värdet i steg 5,1. För de nuvarande SiO2 / Si prover, ställa "Förvärv tid" till 50 sekunder.
  3. Kontrollera igen att alla ventiler på BL-2C är öppna, att provet strömsignalledningen är ansluten att den nuvarande digitaliserings är inställd på "Kör", och att en 15 N 2+ stråle av 50-100 nA finns på FC04.
  4. Klicka på "Execution" pil i "AutoScanLinux11.vi" för att få en djup profil som upphör automatiskt vid stoppvärdet av BM03 parametern. Vid slutet av skanningen (eller tidigare uppsägning), klicka på "Stoppa mätning" för att stänga datafilen.

6. Dataanalys

  1. Kopiera * .nra rå datafiler i / home / csadmin / DataTaking / BTNNN från förvärvet PC (NNN är numret på den aktuella strålen tid) på ett USB-minne och transfer till dataanalys PC.
  2. Starta hembyggda programpaket för NRA dataanalys och öppet förfarande "NRA-Linux-2C-v3.ipf". Skaffa förfaranden NRA-analys-2C-v4.ipf, LinuxAddOn-3-v3.ipf, och Meny-NRA.ipf och kopiera dem till datamappen innehåller Igor Användar rutiner.
  3. Sammanställa förfaranden och välj "Load NRA uppgifter från visas" NRA menyn. Välj datafil mätt under avsnitten 4 eller 5, och klicka på "Fortsätt" i föredialogruta.
    Obs! Programvaran genererar två graf utgångar från uppmätta data: "rådata" (rå y-räkningar (GRS) vs. NMR03 magnetfält som visas under datainsamling), och "NRA spektrum", som motsvarar exciteringskurvan (bakgrundsT subtraheras och incident laddning normaliserade γ avkastning (I norm) jämfört med 15 N jon energi).
  4. Välj "Rätt Sample Aktuella avläsningar" från "NRA" menyn och välj "Räknaulate ISC (hela våg) från i genomsnitt ISC / IFar förhållande (t.ex. prov w / o bias) "alternativ från rullgardinsmenyn för att skala om jonstrålar laddnings läsa från nuvarande digitizer till faktisk dimension (iC), i förhållande till den genomsnittliga FC04 strålen nuvarande avläsningar av hela datamängden. Ta bort "Inorm_by_Faraday" spår från "NRA spektrum" graf.
    Obs: Normalisering till detta skalas integrerade incident avgift är att föredra (över normalisering till Faraday nuvarande), eftersom det bättre återspeglar 15 N jonladdningen som faktiskt träffar målet än FC04 ström. Det senare mäts bara en gång innan Faraday cup öppnas (för att leverera strålen mot målet) och därför inte tar hänsyn till strålströmmen svängningar som alltid förekommer i viss utsträckning under förvärvstiden för varje datapunkt. Skalas provet avgiften är nödvändig eftersom den nuvarande digitaliserings läsning skattar själva händelsen jonstrålen laddning på grund av sekundär electron emissionen från målet.
  5. Bestäm NMR03 värde motsvarande E res (maxläge av ytan resonanstopp i "rådata" plot). Om annan programvara standardvärdet 5535 Gauss, korrigera inmatningen (om nödvändigt också stoppa effektvärde) genom att välja "NMR, energi och djupskalan" rutin från "NRA-menyn.
  6. Om en bakgrundshastighet (CPS) korrektion har blivit nödvändigt, använd först den "korrekta Faraday avläsningar" funktion för att räkna om normaliserade γ avkastning från rådata (GRS) efter revidering av bakgrundsvärdet, in i en korrektionsfaktor på en (för FC04 ström). Kör sedan "Rätt Sample Aktuella värden" funktion igen (steg 6,4) för att räkna även laddnings normaliserade γ avkastning med den reviderade bakgrund ordentligt skalas förhållande till FC04 Faraday.
  7. Plot laddnings normaliserad γ avkastning kontra djup som top axel för att visa faltade vattenkraftgen djupfördelning (Figur 4).
  8. Lägg felstaplar till grafen genom att använda respektive funktion från "NRA-menyn. När det är möjligt, föredrar laddnings normalisering.
    Obs: Räkna statistik definierar felet Δ I NRA γ avkastning, I = GRS - bakgrund, genom fel-fortplantas osäkerhet hos den uppmätta obehandlade räknas, ekvation 1 och av bakgrunden, ekvation 1 hence beräknar som: ekvation 1 . Staplarna fel i djupprofil grafer (figur 4 och 5) är Δ I norm = Δ I / infallande jonstrålen laddning.
  9. (tillval) Utför en passning analys av data med lämplig modell funktioner 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Figur 4 visar ytnära NRA H profiler av H 2 -exposed Pd (110) mäts i BL-1E UHV-system vid en provtemperatur av 90 K under en H2-bakgrundstryck av 1,33 x 10 -6 Pa. 15 N ion förekomsten energi har omvandlats till sondering djup med hjälp av bromskraft Pd (S = 3,90 keV / nm). Den öppna symbol profil erhölls efter förbehandling exponera Pd (110) prov till 2000 LH 2 vid 145 K för att inducera absorption av väte i Pd bulk 15. Denna profil kan delas upp i en topp vid E res = 6.385 MeV och en bred γ avkastning platå som sträcker sig över hela profildjup regionen. Toppen vid E res motsvarar H på målytan, medan platåområdet visar att väte absorption in i Pd bulk har ägt rum. Ytan toppen har en nästan Gauss form. För att demonstrera detta bättre, H2 bakgrundstryck från en nygjord Pd (110) yta utan H2 pre-dos. Vid denna temperatur bara yta kemisorberade väte är stabil vid Pd (110); någon absorberad H skulle diffundera in i djupare bulk och fly från NRA detektering i ytnära regionen. Montering av ytan topp till en Gauss profil ger en topphöjd av I max = 86,9 ± 4,5 cts / iC och en: ekvation 1 där σ är den gaussiska bredd parameter. Från Gauss topparean: ekvation 1 och γ-ray inspektion effektivitet BL-1E setup (kalibrerad med en Kapton (C 22 H 10 O 5 N 2) n folie standard exakt känd H koncentration (c bulk </ sub> = 2,28 x 10 22 cm -3) och bromskraft S = 1,2879 keV / nm) α = 7,56 x 10 -13 [(CTS / iC) keV cm 2], en bestämmer den absoluta H tätheten (N s) på H2 -exposed Pd (110) singe kristall som Ns = i S / a = 1,42 x 10 15 cm -2. I förhållande till Pd atomtäthet på Pd (110) yta av 9,35 x 10 14 cm -2 detta motsvarar en H täckning av 1,52 ± 0,13 ml (monoskikt), i mycket god överensstämmelse med litteraturvärdet (1,5 ml) 15, 33,34.

Figur 4 visar också att djupet resolution av NRA H-profil i den ytnära region begränsas av bredden av ytan resonanstoppen till ca 2-3 nm (≈FWHM / S). Därför några plötsliga funktioner i H profil såsom den punkt-till-punkt-γ-sträckvariations sett runt 16 nm djup inte kan motsvara faktiskt existerande branta H koncentrationsgradienter, eftersom en sådan skulle smetas ut av ytan toppbredden och ytterligare energibreddningen på grund av 15 N jon spretande 3. Således är γ avkastning korrugeringar i platåområdet av H profilen (5 till 22 nm djup) återspeglar variationer i BGO bakgrunds räknehastigheten (separata bakgrundsmätningar bekräftar att sådana slumpmässiga variationer förekommer) och inte innehåller fysisk information om djupet fördelning av Pd-absorberade väte. Den senare distribution väntas vara ganska jämn i den homogena enda kristall, där H diffusion är snabb (flera hundra nm / sek även vid 145 K) 3,13,15. Således kan approximativt konstant koncentration av bulk-absorberade väte i den ytnära region av Pd kristallen efter exponering för 2000 LH 2 vid 145 K utvärderas genom anpassning av platå data i figur 4 till en sigmoid funktion som stiger till sin halva höjd på E res med samma bredd som Gauss ytan topp tre. I analysen fastställs platån höjd I bulk till 15,4 ± 1,3 cts / iC. Med Pd bromskraft S = 3,9 keV / nm, erhåller man således H bulk koncentration som c bulk = jag bulk S / a = 7,94 x 10 20 cm -3, eller 1,2% av atomtätheten i bulk Pd (den senare ekvation används också för att kalibrera α efter att ha mätt jag bulk i Kapton standard 3). Denna bulk H koncentration innebär att finfördelade korn av Pd-hydrid (som har ett H / Pd-förhållande av ca 0,65 vid denna temperatur) har kärnbildas i den ytnära region av Pd kristallen under dess exponering för 2000 L (2,66 x 10 - 3 Pa × 100 sek) H2 vid 145 K, eftersom H löslighet i utspädd fast lösning fas av Pd uppgår till mindre än H / Pd = 5 x 10 -4 vid denna temperatur och H2-tryck.

Figur 5 visar 15 N NRA djupprofiler från en serie av SiO 2 / Si (100) stackar eftersom de kan mätas vid BL-2C. SIO 2 filmerna hade tjocklekar av 19,0, 30,0 och 41,5 nm 35. Förutom en topp på ytan väte vid E res, alla profiler visar en andra topp i större djup, vilket tyder på att H fördelningen inom oxidfilmen är tydligen inte enhetlig. Placeringen av detta andra topp skiftar till större djup med ökande SiO 2 filmtjocklek. Den optiskt bestämda SiO 2 filmtjocklek indikeras med en vertikal streckad linje i varje panel (i) - (iii). Nära inspektionen visar att centrum positionerna för NRA profiltoppar ligger med en liten förskjutning av ~ 4 nm ovanför respektive SiO2 / Si-gränssnitt. Detta bevisar att väte tenderar att Accuformulera inte exakt vid men i en region som sträcker sig över några få nanometer av oxiden framför gränssnittet. Denna säregna H lokalisering beteende har tillskrivits den nära gräns SiO 2 struktur, där ett stort antal av stammen och under oxid 36 relaterade defekter ge förmånliga bindningsställen för vätgas arter 37. De spända gränsskikts region resultat från en minskning av Si-atomen densiteten med en faktor på ~ 2 i den abrupta övergången från kristallin Si till amorf SiO 2. För kvantitativ utvärdering respektive yta och nära-gränstoppar anpassades till Gaussiska funktioner som visas som heldragna linjer i figur 5. En analys ekvivalent med den som beskrivits ovan för den yta H-topp på Pd (100) visar att den nära-interfacial oxid regioner i SiO 2 / Si (100) filmstaplar innehöll en H skikt densitet (1,0-1,3) x 10 14 cm -2.


Figur 4. ytnära NRA H profiler av Pd (110) erhållits i BL-1E UHV systemet under en H2 bakgrund av 1,33 x 10 -6 Pa Öppna symboler. Pre-exponerade för 2000 LH 2 vid 145 K, NRA mätt vid 90 K. Fylld grå och svarta symbolerna: två profiler som uppmätts vid 170 K utan H2 pre-dos. Se anmärkningen i Procedur Steg 6,8 för felstapel beräkningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

figur 5
Figur 5. NRA H profil tre SiO 2 film på Si (100) mätt i BL-2C systemet. NRA H-profiler för three SiO 2 filmer på Si (100) med en tjocklek av (i) 19,0 nm, (ii) 30,0 nm, och (iii) 41,5 nm. SiO 2 / Si (100) gränssnittspositioner indikeras av streckade vertikala linjer. Denna siffra har anpassats från Ref. 35 med tillstånd från AIP. Se anmärkningen i Procedur Steg 6,8 för felstapel beräkningen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Figur 4 visar en effektiv åtskillnad och kvantifiering av yt-adsorberat från bulk absorberat väte till 15 N NRA på exemplet med en Pd (110) enkristall i BL-1E UHV-system. Den höga reproducerbarhet ytan H topp i tre profilerna vittnar om tillförlitligheten in situ UHV provberedning och den icke-destruktiva natur NRA mätningen. Den kvantitativa överenskommelse av den fastställda H täckning med den förväntade atommättnadstätheten ytterligare visar noggrannheten hos NRA mätningen. Nära jämförelse mellan NRA profilerna för H 2 förexponerades Pd (110) (öppna symboler) och de två exciteringskurvorna för ytbehandlade väte på Pd (110) (grå och svarta symboler) i figur 4 visar att ytan toppen i fd H profil svansar asymmetriskt mot platå bulk absorberat väte i den översta ~ 5 nm. En sådan subtil detalj av potentiellt icke-jämm vätefördel tätt under ytan kan endast avslöjas genom NRA. En liknande H ackumulering i ett grunt ytan regionen har också observerats i andra metaller (Pt, Ti) 11,14. Ursprunget till denna H beteende under ytan regionen för närvarande inte klar men vetenskapligt intressant när det gäller att korrekt förstå de speciella väteabsorberande egenskaper hos nanomaterial 17 i motsats till långa bulkmetaller.

Flera kritiska parametrar bör observeras i protokollet för att få data av hög kvalitet, såsom de i fig 4. H 2 bakgrundstryck införs i steg 4,2 (1 x 10 -6 Pa) är ett medvetet val som att stabilisera H -saturation täckning på Pd ytan genom att balansera NRA jonstråle-inducerad H-desorption genom H-readsorption från H2-gas å ena sidan, samtidigt som man undviker H upptag i Pd bulk av H <sub> 2 absorption, å andra sidan. Om H2 trycket var för högt, skulle H absorption under NRA analys orsaka en gradvis ökning av NRA signalen vid E res, eftersom ytan resonanstopp lappar med omkring 2 nm av det översta Pd bulkmaterialområdet, där H samlas, särskilt vid ännu lägre temperaturer än de i experimenten i figur 4. 13-15,18 sålunda H-absorberande material, såsom Pd eller Ti, lämpligheten av H2 bakgrund inställningen måste verifieras genom att bekräfta att γ- avkastning på E res förblir konstant på tidsskalan krävs för att mäta ytan resonans profil. Denna komplikation uppstår inte för de flesta material som inte absorberar väte vid låga H2 tryck. Här är kvantifiering av ytan H mättnadstäckning lätt utföras efter att observera mättnad av γ avkastning på E res när H2 bakgrundstryck är stepwISE ökade (upp till maximalt 10 -2 Pa tolereras av vakuumpumpsystemet).

Observera vidare att data i figur 4 togs med en 15 N 2+ strålström av 15 ± 5 nA (steg 4,5). Denna strålströmmen har visat sig vara tillräckligt hög, å ena sidan, att utveckla rimligt intensiva y-signaler från den mättade skiktet densitet yta H-atomerna med tanke på godtagbara statistik data och övergripande tidmätning, och även att vara stilla tillräckligt varsam , å andra sidan, för att undvika överdriven H desorption (som återigen skulle kräva högre H2 bakgrundstryck för ersättning) och prov uppvärmning (vilket kan orsaka modifiering av H djupfördelningen genom termisk diffusion).

Även om NRA teknik är mångsidigt och lätt appliceras för att bestämma H ytskikts densiteter på de flesta vakuum kompatibla fasta material, begränsningar uppkommer med avseende på dendetektion av speciellt svagt adsorberade H-arter som inte kan vara stabila mot desorption under händelsen 15 N jonstråle-bestrålning även under förlustkompenserande H2-gas bakgrund (<10 -2 Pa). Till exempel, har författarna ännu inte lyckats observera ytan H-arter med desorption temperaturer (TDS) under ~ 70 K med NRA. Tendensen hos H för att desorbera från provet eller att omfördela i målet genom diffusion under jonstrålen varierar kraftigt mellan olika målmaterial och bör utvärderas som en del av en given analys genom att övervaka γ avkastning på sonderingsdjup intresse en funktion av jonstrålen dosen. Utan en kompenserande H2 bakgrund som tillämpas för att Pd (110), där H readsorbs lätt, i många fall kan observeras en mer eller mindre uttalad exponentiellt avtagande av H-signal. Mätning och extrapolering av sådana H-förlustfunktioner till noll 15 N exponering kan reproducera den ursprungliga H hålorheten på eller inuti målet innan störning av jonstrålen (för detaljer, se ref. 3). Om målet storlek så medger, minska strömtätheten (nA / cm 2) i balkbestrålade ytan plats av oskärpa jonstrålen med hjälp av MQ04 magnetiska linser (protokollsteg 2.3.5 och 3.10) kan lindra H förluster under analys. I allmänhet bör alltför 15 N jondoser undvikas eftersom de kan orsaka fysisk skada på målytan i form av defekter, som kan ändra H adsorption (och absorption) egenskaper. Vid enkristaller, bör därför kontrolleras LEED mönstret på ytan och formen av H 2 TDS spektrum 15 regelbundet. Om någon anomali observeras åter förbereda ytan nyligen enligt instruktionerna (för Pd (110)) i protokoll steg 2.2.1 till 2.2.6.

Figur 5 visade på exemplet med tunnfilms SiO 2 / Si (100) staplar att väte djup profilering anallys av 15 N NRA kan rakt bestämma djupet placering nära gräns H lager och H tätheten däri utan att förstöra provmaterialet. Observera dock att H ansamling i gränsregionerna ses i djupprofiler delvis kan bero på NRA själva analysen, eftersom 15 N ion strålning kan orsaka en omfördelning av väte i materialet. Detta är en välkänd effekt 35,38-40 och eventuell H omlokalisering under NRA analys bör verifieras genom att mäta H koncentrationsutvecklingen på ansamling toppdjupet på en icke-bestrålade provet plats under fortsatt 15 N jon bestrålning. Även om denna balk-inducerad H omlokalisering effekt kan göra att bestämma den ursprungliga H fördelningen i ett prov något svårare, kan det utnyttjas för analytiska ändamål i dielektrisk tillförlitlighet forskning för att utvärdera H omfördelning trender mellan intakta gränssnitt (modell) MOS-enhet structures, ger information om relativa materialspecifika H rörligheter. 3,26

När det gäller H detektionsgräns NRA mätningen kan vi konstatera att installationen i BL-2C med större BGO upptäckt fast vinkel (Figur 2 (A) har en mer än dubbelt så stor kalibrerad effektivitet γ-detekterings faktor (α 2C = 1,79 × 10 -19 (cTS / iC) (keV / nm) cm 3) som i BL-1E (α 1E = 7,56 x 10 -20 (cTS / iC) (keV / nm) cm 3)) och ger därmed högre känslighet , gynnsamma för mätning av låga H koncentrationer i material som inte kräver in situ ytbehandling. Bakgrunden räknehastigheten i vår γ-detektionssystem är för närvarande ~ 0,1 cps, sätta en gräns för volym H koncentrationer detektering i fasta ämnen i storleksordningen 100 ppm (flera 10 18 cm -3) med en 100-nA stråle av 15 N 2 + vid BL-2C. I föreliggande tentaciper, ökade denna känslighet (i kombination med en starkare jonstråle), tillåts att mäta ytan och gränsskiktet H tätheter i SiO 2 / Si stackar med samma förvärvstiden (50 sek) som ungefär en storleksordning större yta H mättnadsskikt på Pd (110) (jämför med vertikal axel skalor i figurerna 4 och 5). Den erforderliga förvärvstiden bestäms av de önskade räkningsstatistik, den givna H tätheten i, och 15 N jonström tolereras av målet. Förvärvs tid definierar också tidsupplösningen för observation av övergående utvecklas H täthet såsom vid adsorption, desorption, absorption eller diffusion av väte eller i material.

Ju högre vakuum bastryck på BL-2C (~ 1 x 10 -5 Pa) kan orsaka avsättning av H-innehållande föroreningar från restgasen på målytan under NRA mätningen 41. Detta kan återSult i stora yta H toppar i djupprofiler som kan överväldiga funktioner av intresse direkt under ytan, liknande (men sämre än) sett, till exempel i överlappningen med grundare SiO 2 / Si gräns topp i figur 5 (i) . Ett stort H innehåll i ytskiktet också negativt påverkar utvärderingen av små bulk H koncentrationer i stora probdjup (E i> ~ 9 MeV) genom att inducera γ-ray bakgrund på grund av icke-resonanskärnreaktionsutbyte 42. Även om BL-2C-system för närvarande redan har 10 cm tjock bly (Pb) skärmblock för BGO detektorer (ej visade för tydlighet i figur 2) som minskar räknehastigheten miljö γ-strålning bakgrund, ytterligare förbättring av H upptäckt gräns kan uppnås genom tillämpning av anti-slump avskärmning för detektorerna, som kan reducera bakgrundssignaler på grund av starkt genomträngande kosmiska muon strålning 43.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Vi uppskattar M. Matsumoto för att genomföra det program som möjliggör automatisk mätning av NRA H djupprofiler genom fjärrstyrning maltacceleratorparametrarna från datainsamlings PC. Vi tackar K. Namba för skickligt utför Pd (110) provberedningar och NRA och TDS mätningar på BL-1E UHV systemet och C. Nakano för tekniskt stöd i accelerator drift. SiO 2 / Si (100) prov tas tacksamt emot som en artighet av Z. Liu av NEC Corporation, Japan. Detta arbete är delvis finansierats med bidrag-i-Stöd för vetenskaplig forskning (Grant nummer 24246013 och 26108705) i Japan Society för främjande av Science (JSPS), samt genom en Grant-i-Stöd för vetenskaplig forskning i innovativa områden "Material Design genom Computics: Complex Korrelation och icke-jämvikts Dynamics" från ministeriet för utbildning, kultur, sport, vetenskap och teknik i Japan.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Material
Pd single crystal  SPL (Surface Preparation Laboratory), http://www.spl.eu/products.html, or any other suitable supplier Order made to specification Disk, 9 mm diam., (110) oriented, aligned to < 0.5 degree or less, one side polished to < 0.3 mm roughness, self-prepared specimen 
H2 gas Joutou Gas Corporation, Ltd., Japan, http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html (99.9995%), or any other suitable supplier
O2 gas Joutou Gas Corporation, Ltd., Japan, http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html (99.99%), or any other suitable supplier
Ar gas Joutou Gas Corporation, Ltd., Japan, http://www.jyotougas.co.jp/item/gas.html (99.99995%), or any other suitable supplier
Tantalum / Wire The Nilaco Corporation, http://nilaco.jp/en/order.php TA-411325 (99.95%), 0.3 mm diam., or any other suitable supplier
Alumel / Wire  The Nilaco Corporation, http://nilaco.jp/en/order.php 851266 0.2 mm diam., or any other suitable supplier
Chromel / Wire (Chromel) The Nilaco Corporation, http://nilaco.jp/en/order.php 861266 0.2 mm diam., or any other suitable supplier
Equipment
3 keV Raster Ion Bombardment Gun and Control VARIAN, http://www.eurovac.se/docs/varian1.htm 981-2046 Power Supply, 981-2043 Ion Gun or equivalent product of any other suitable manufacturer
LEED-AUGER Optics OCI, http://www.ocivm.com/spectrometer_bdl800ir.html BDL600IR or equivalent product of any other suitable manufacturer
Quadrupole Mass Spectrometer Pfeiffer Vacuum, http://www.pfeiffer-vacuum.com/ Prisma QMS 200 or equivalent product of any other suitable manufacturer
Palladium Hydrogen Purifier Power + Energy Inc., http://www.powerandenergy.com PE-3001 99.9999999% purity; P+E H2 purifiers are now business of SAES Pure Gases Inc., http://www.saespuregas.com/Products/Gas-Purifier/Hydrogen/Palladium-Membrane/Palladium-Purifier-PE2100.html

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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

Tags

Engineering Väte kvantifiering djup profilering yta väte bulk väte gränssnitt väte kärnreaktion analys jonstråleanalys
Kvantifiering av vätgaskoncentrationer i Surface och gränssnitts Lager och strömaterial genom djupprofilering med kärnreaktionen Analys
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Wilde, M., Ohno, S., Ogura, S.,… More

Wilde, M., Ohno, S., Ogura, S., Fukutani, K., Matsuzaki, H. Quantification of Hydrogen Concentrations in Surface and Interface Layers and Bulk Materials through Depth Profiling with Nuclear Reaction Analysis. J. Vis. Exp. (109), e53452, doi:10.3791/53452 (2016).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter