Kwantificering van waterstof concentraties in Functionele Lagen en Bulk Materials door middel van diepte- met Nuclear Reaction Analysis

Summary

We illustreren de toepassing van ¹ H ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C resonante nucleaire reactie analyse (NRA) de dichtheid van waterstofatomen op het oppervlak kwantitatief evalueren, het volume, en een tussenlaag van vaste stoffen. Het nabije oppervlak waterstof diepteprofilering van een Pd (110) monokristal en _SiO2 / Si (100) stapels beschreven.

Abstract

Nucleaire reactie analyse (NRA) via de resonante ¹ H ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C reactie is een zeer effectieve methode diepte- die kwantitatief als niet-destructief onthult de waterstofdistributie dichtheid bij oppervlakken aan grensvlakken en de hoeveelheid vaste materialen met een hoge resolutie diepte. Deze techniek wordt een ¹⁵ N ionenstraal van 6,385 MeV door een elektrostatische versneller en detecteert specifiek de ^1H isotoop in een diepte van ongeveer 2 urn van het doeloppervlak. H dekkingen oppervlak gemeten met een gevoeligheid in de orde van 10 ~ ¹³ cm ^-2 (~ 1% van een typische atomaire monolaag dichtheid) en H volumeconcentraties met een detectiegrens van 10 ~ ¹⁸ cm ^-3 (~ 100 op. Ppm ). De bijna-oppervlak diepte resolutie is 2-5 nm voor oppervlakte-normale ^15N ion incidentie op het doel en kan worden verbeterd tot waarden beneden 1 nm voor zeer vlakke targets door Adopting een aan het oppervlak grazen incidentiemeetkunde. De werkwijze is veelzijdig en gemakkelijk toegepast op een hoge vacuümcompatibel homogeen materiaal met een glad oppervlak (zonder poriën). Elektrisch geleidende doelen meestal tolereren de ionenbundel bestraling met verwaarloosbare afbraak. Waterstof kwantificering en correcte diepgaande analyse vereisen kennis van de elementaire samenstelling (naast waterstof) en de massa dichtheid van het doel materiaal. Vooral in combinatie met ultrahoog vacuüm werkwijzen voor in-situ doel bereiding en karakterisering, ¹ H ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C NRI ideaal voor waterstof analyse op atomair gecontroleerde nanogestructureerde oppervlakken en interfaces. We demonstreren hier voorbeeldig toepassing van ¹⁵ N NRI het MALT Tandem versneller faciliteit van de Universiteit van Tokyo (1) kwantitatief te meten dekking oppervlak en de bulk concentratie van waterstof in het nabije oppervlak gebied van een H ₂ blootgesteld Pd(110) monokristal, en (2) de diepte en locatie layer dichtheid van waterstof bij de grensvlakken van dunne _SiO2 films op Si (100) te bepalen.

Introduction

De alomtegenwoordigheid van waterstof als een verontreiniging of als bestanddeel van een grote verscheidenheid aan materialen en de rijkdom van de waterstof-geïnduceerde interactie fenomenen maken het openbaren van de distributie van waterstof in de buurt van het oppervlak regio en begraven interfaces van vaste stoffen een belangrijke taak in veel gebieden van engineering en de fundamentele materiaalkunde. Prominente contexten omvatten studies van waterstof absorptie in de opslag en zuivering materialen voor waterstofopslag energietoepassingen, brandstofcel, foto- en hydrogenering katalyse, het vasthouden van waterstof en verbrossing in nucleaire en fusiereactor engineering, waterstof-geïnduceerde oppervlakte-actieve effecten in epitaxiale groei fabricage en waterstof gerelateerde elektrische betrouwbaarheidsproblemen in halfgeleider technologie.

Ondanks de alomtegenwoordigheid en simpele atoomstructuur, de kwantitatieve detectie van waterstof stelt analytische uitdaging. Waterstof bevat slechts een enkel elektron anders veelzijdige elementaire analysis door het elektron spectroscopie is buiten werking. Common waterstof detectiemethoden door massale analytisch, optische, of nucleaire resonantie technieken zoals metallurgische fusion, thermische desorptie, infrarood absorptie of NMR-spectroscopie zijn in principe ongevoelig voor de diepte locatie van waterstof. Dit sluit bijvoorbeeld onderscheid tussen oppervlak geadsorbeerd en bulk geabsorbeerde waterstof die aanzienlijk verschillen in hun fysische en chemische materiaal interacties en hun onderscheid wordt daardoor steeds belangrijker voor de analyse van nanogestructureerde materialen die kleine hoeveelheden en grote oppervlakken omvatten. Waterstof profilering door secundaire ionen massaspectrometrie, hoewel het verstrekken van diepgaande opgelost kwantitatieve H concentraties, is even destructief voor de geanalyseerde target as metallurgische fusion en sputteren effecten kan de diepte-informatie verkregen in de buurt van het oppervlak onbetrouwbaar maken.

Kernreactie analyse met de smalleenergie resonantie (E _res) van het ¹ H ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C reactie bij 6,385 MeV ^1-3, anderzijds, combineert de voordelen van niet-destructieve waterstof kwantificatie met hoge resolutie diepte in de orde van enkele nanometer in de buurt van het oppervlak. Met deze methode wordt het oppervlak H dekkingen met een gevoeligheid in de orde van 10 ¹³ cm ^-2 (~ 1% van een typische atomaire monolaag dichtheid). Waterstofconcentraties in het inwendige van materialen kan worden beoordeeld met een detectiegrens van meerdere 10 ¹⁸ cm ^-3 (~ 100 op. Ppm) en een sonderingsdiepte traject van ongeveer 2 urn. De bijna-oppervlak diepte resolutie is routinematig 2-5 nm in oppervlakte-normale inval van de ¹⁵ N ionenbundel op de geanalyseerde doel. In-oppervlak grazen incidentiemeetkunden, kan de resolutie verder worden verbeterd tot waarden beneden 1 nm. Zie Ref. 3 voor een gedetailleerde beschrijving.

Deze mogelijkheden blijken ^1H ( 12 C NRI als een krachtige techniek om de statische en dynamische gedrag van waterstof aan oppervlakken en interfaces ontrafelen in een grote verscheidenheid van processen en materialen ^3. Opgericht door Lanford ⁴ in 1976, werd ¹⁵ N NRA eerste voornamelijk gebruikt om kwantitatief te bepalen volume H concentraties in bulk materialen en dunne films. Onder andere doeleinden, hebben de absolute waterstof concentraties verkregen door middel van ¹⁵ N NRA werd gebruikt om andere, niet direct kwantitatief, waterstof detectietechnieken ^5,6 kalibreren. Ook ¹⁵ N NRA waterstof profilering in doelen met goed gedefinieerde interfaces in gelaagde dunne film structuren is beschreven ^7-10. Meer recent is er veel vooruitgang geboekt in het bestuderen van waterstof in de buurt van het oppervlak gebied van chemisch schoon en structureel goed gedefinieerde doelstellingen bereikt door ^15N NRA met oppervlakte analytische ultrahoog vacuüm (UHV) instrumentatie te prepare atomisch gecontroleerde oppervlakken in situ voor de analyse H ^3.

Door het kwantificeren van de waterstof-dekking op single crystal oppervlakken, NRA heeft aanzienlijk bij tot de huidige microscopische begrip van waterstof adsorptie fasen op vele materialen bijgedragen. ^{1H (15} N, αγ) ¹² C NRA is bovendien de enige experimentele techniek om direct te meten het zero punt trillingsenergie oppervlakteactieve geadsorbeerde waterstofatomen ^11, dat wil zeggen, kan de kwantummechanische trillingsbeweging geadsorbeerde H atomen in de richting van de invallende ionenbundel onthullen. Door het vermogen van nanometerschaal discriminatie tussen oppervlak geadsorbeerd en bulk geabsorbeerde H, ¹⁵ N NRI kan waardevol inzicht in de waterstof binnendringend bieden via materiaaloppervlakken, zodanig dat hydratatie dating ¹² belang of voor het observeren hydride kiemvorming onder oppervlakken van H -absorbing metalen ^13-15. High-rRESOLUTIE ¹⁵ N NRI aanvragen potentieel sub-monolaag diktevariaties van adlayers ¹⁶ detecteren en het oppervlak geadsorbeerd uit-geabsorbeerde waterstof in Pd nanokristallen ¹⁷ onderscheiden aangetoond. De combinatie met thermische desorptie spectroscopie (TDS) maakt ondubbelzinnige identificatie van _H2 thermische desorptie functies en voor de grondige opgelost beoordeling van de thermische stabiliteit van geadsorbeerde waterstof geabsorbeerd en toestanden tegen desorptie en diffusie ^13,15,18. Vanwege de niet-destructieve aard en hoge diepteresolutie ¹ H ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C NRA is het ideale wijze waterstof detecteren begraven intact interfaces, waardoor voor het bestuderen waterstof trapping in metaal / metaal en metaal ^19-22 / halfgeleider interfaces ^16,23-25 ​​en voor het bijhouden waterstofdiffusie in gestapelde dunne film systemen ^9. Door direct te visualiseren waterstof herverdeling phenomeneen tussen de interfaces van SiO ₂ / Si-gebaseerde metal-oxide-halfgeleider (MOS) structuren die betrekking hebben op elektrische degradatie apparaat heeft NRA bijzonder waardevolle bijdragen aan het apparaat betrouwbaarheid onderzoek ²⁶ gemaakt.

De waterstof detectie principe in NRA is om de geanalyseerde doel te bestralen met een ¹⁵ N ionenbundel van ten minste E _res = 6,385 MeV aan de resonante ^{1H (15} N, αγ) ¹² C-kernreactie tussen ¹⁵ N en ¹ H in de materiaal. Deze reactie komt karakteristieke γ-stralen van 4,43 MeV die worden gemeten met een scintillatie detector nabij het monster. Het γ-rendement evenredig met de H-concentratie in een bepaalde diepte van het doel. Normaliseren van dit signaal met het aantal invallende ¹⁵ N ionen omzet in absolute H dichtheid na γ-detectiesysteem gekalibreerd met een standaard doel bekende concentratie H. ¹⁵ res kunnen reageren met waterstof op het doel oppervlak. De concentratie van begraven waterstof wordt gemeten met ¹⁵ N-ionen incident op energie (E _i) boven E _res. Binnen het doelmateriaal, de ¹⁵ N ionen lijden energieverlies door elektronische stoppen. Dit effect zorgt voor de hoge diepte resolutie, omdat de ¹ H ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C kernreactie resonantie heeft een zeer smalle breedte (Lorentz breedte parameter Γ = 1,8 keV) en de remkracht van materialen voor 6,4 MeV ¹⁵ N varieert tussen 1-4 keV / nm, zodat de doorgang van de ¹⁵ N ion met slechts enkele atomaire lagen voldoende is om energie te verschuiven buiten de resonantie venster. Aldus detecteert de resonante reactie begraven H bij E _i> E _res in een sonderingsdiepte d = _(Ei - _res E) / S, waarbij S de elektronischeremkracht van het geanalyseerde materiaal ^3.

Door meting van de γ-opbrengst tijdens het scannen van de invallende ¹⁵ N ionenenergie in kleine stappen, verkrijgt men een nucleaire reactie excitatie curve die de dichtheid grondige verdeling van waterstof in het doel bevat. In deze excitatie curve (γ-yield versus ¹⁵ N-energie), zal de werkelijke H diepte verdeling convolved met de NRI instrumentele functie die een overwegend Gauss verbreding voegt en is de belangrijkste beperking voor de diepte resolutie ^3. Op het oppervlak (dat wil zeggen ten _Ei = E _res) de Gauss breedte wordt gedomineerd door een Doppler-effect door nulpunt trilling van de H-atomen tegen het doeloppervlak. ^11,27,28 De opbrengst curve van begraven waterstof gedetecteerd E _i> E _res wordt beïnvloed door een aanvullende Gauss verbreding component als gevolg van willekeurig ¹⁵ N ion energie straggling in het doel. De onregelmatig breedte neemt toe met de vierkantswortel van het ion trajectlengte in het materiaal ^29,30 en wordt de dominante resolutie beperkende factor boven sonderen diepte van 10-20 nm.

Enkele typisch waterstof profileren aanvragen blijkt met ¹⁵ N NRA, we hier exemplarisch beschreven (1) de kwantitatieve evaluatie van het oppervlak H dekking en de bulk geabsorbeerde waterstofconcentratie in een _H2 blootgesteld palladium (Pd) monokristal, en (2) de evaluatie van de diepte locatie en waterstof laag dichtheden bij begraven interfaces _SiO2 / Si (100) stacks. De NRA metingen worden uitgevoerd op het MALT 5 MV van-de-Graaf tandem versneller ³¹ van de Universiteit van Tokyo, dat een zeer stabiel en goed gemonochromatiseerde (AE _i ≥ 2 keV) ¹⁵ N ionenbundel van 6-13 MeV levert. De auteurs hebben een computer systeem ontwikkeld voor de Acceleratof om geautomatiseerde energie scannen en data-acquisitie voor waterstof profilering mogelijk te maken. Als gevolg van de twee verschillende NRA meettaken door de bovenstaande H profileren van applicaties, de MALT faciliteit biedt twee ionenbundel lijnen met gespecialiseerde proefstations: (1) een UHV oppervlakte analytisch systeem met een enkele bismut germanaat (BGO, Bi ₄ Ge ₃ O ₁₂ ) γ-scintillatiedetector gewijd aan de NRA kwantificering van waterstof oppervlak dekkingen, tot nul-point trillingen spectroscopie, en H diepteprofilering op atomair gecontroleerde single crystal doelen in een unieke combinatie met TDS; en (2) een hoog vacuümkamer voorzien van twee detectoren BGO zich vlakbij de doelstelling voor de verhoging γ-detectie-efficiëntie, waardoor een lagere H detectielimiet en snellere data acquisitie. Deze instelling heeft geen monstervoorbereiding faciliteiten, maar zorgt voor een snelle steekproef uitwisseling (~ 30 min) en daarmee voor een hogere doorvoersnelheid van doelstellingen waarvoor een goed controgevuld oppervlaktelaag geen essentieel onderdeel van de analytische taak, zoals H profilering bij begraven interfaces of kwantificering van bulk H concentraties. Op beide balk lijnen, worden de BGO detectoren gunstig buiten de vacuümsystemen geplaatst omdat de γ-stralen dringen de dunne wanden met een verwaarloosbare verzwakking.

Figuur 1. NRA setup in de BL-1E UHV systeem. (A) Schematische bovenaanzicht in de BL-1E UHV systeem uitgerust met sputter ion kanon, lage energie elektronen diffractie (LEED), en Auger elektronen spectroscopie (AES) voor de in -situ bereiding van atomair besteld en chemisch schoon single crystal oppervlak targets en gecombineerde NRA en TDS metingen met een quadrupool massaspectrometer (QMS) gemonteerd op een lineaire vertaling podium. (B) Pd single crystal specimen in bijlage op thij houder van de cryogene manipulator proeven. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 1 (A) illustreert het UHV systeem beam lijn (BL) -1 sexies, die volledig is uitgerust voor de in-situ bereiding van atomair bestelde single crystal oppervlakken en heeft een basis druk <10 ^-8 Pa netheid oppervlak te behouden. Om sample toegang van de oppervlakte-analyse-instrumenten verschaffen, wordt de 4 "BGO scintillator geplaatst op de ¹⁵ N ionenbundel as ~ 30 mm achter het doel. Het monster wordt op een 4-as manipulatie podium voor nauwkeurige gemonteerd (x, y, z, Θ) positioneren en kunnen worden gekoeld met vloeibare stikstof tot -80 K of gecomprimeerde Hij tot ~ 20 K. Figuur 1 (B) toont een eenkristal doelwit Pd gemonteerd door gepuntlast Ta steundraden een cryostaat Hij compressie. Quartz sheet afstandhouders isoleren van de sampl e houder plaat elektrisch uit de cryostaat lichaam. Hierdoor kan het incident ¹⁵ N ionenbundelstroom stroommeting noodzakelijk kwantitatieve NRI en maakt elektronenbombardement verwarmen van de wolfraamlamp aan de achterzijde van de monsterhouder. Een type K thermokoppel gepuntlast aan de rand van de Pd specimen. Een kwarts plaat bevestigd aan de manipulator as boven het monster wordt gebruikt om de ionenbundel profiel en sample-koplampen bewaken. Figuur 2 (A) toont de opstelling van BL-2C met twee 4 "BGO detectors aangebracht op 90 ° ten opzichte de ¹⁵ N balk met hun voorvlak niet verder dan 19,5 mm naast de bundelas. de monsterhouder (Figuur 2 (B)) is een eenvoudige klemmechanisme voor snelle monster uitwisseling en zorgt voor rotatie van het monster om de verticale as de ¹⁵ N invalshoek passen.

iles / ftp_upload / 53452 / 53452fig2.jpg "/>
Figuur 2. NRA setup op BL-2C. (A) Schematische bovenaanzicht in de hoge vacuümkamer bij BL-2C uitgerust met twee BGO γ-detectors dicht bij het ​​doel positie. (B) Monster houder met een grote chip doelwit van SiO ₂ / Si (100) geklemd. Beslaan dit soort monster met waterdamp na de NRA analyse visualiseert de plekken die werden bestraald door de ¹⁵ N ionenbundel. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Protocol

1. Planning of Experiments

1. Identificeer de MALT gaspedaal beam lijn van de rente afhankelijk van de meettaak (BL-1E voor oppervlakte waterstof, BL-2C voor bulk of grensvlak waterstof). Neem contact op met het assisteren wetenschapper (momenteel MW of KF) om de details van de NRI metingen en de nodige voorbereidingen te bespreken.
2. Download een straal tijd aanvraagformulier en let op de uiterste datum van indiening van de MALT website ^31.
   Opmerking: The Malt faciliteit nodigt nieuwe projectvoorstellen respectievelijk elk maart en september voor de zomer (april-september) en de winter (oktober-maart) een half jaar termen.
3. Schrijf de balk tijd voorstel in te dienen volgens de instructies op het MALT website.
4. Na goedkeuring van het voorstel, bevestigen de bundel tijdschema voor het komende half jaar zoals aangekondigd op de website MALT ^31. Safety training vereist voor nieuwe gebruikers in het begin van het woord.
5. Bereid je voor op de balk tijd in AdvaNVU. Overweeg alle details van het experiment en de tijd die nodig is voor het vervoer van materiaal, voor monster installatie, en vooral voor in-situ oppervlaktebehandeling in UHV (indien nodig). Klaar voor het doel model voor de NRI meting voordat de bundel kan vanaf.

2. Voorbereiding voor NRI Metingen op BL-1E (UHV)

Opmerking: Draag altijd handschoenen bij het hanteren van instrumenten en materialen bestemd voor gebruik in vacuüm, met inbegrip van de schone gereedschappen.

1. Installeer monokristal monster in UHV (zie figuur 1 (B)).
   1. Stel spot-lasser macht tot 3,5. Plaats single crystal specimen op een schone, vlakke, niet-geleidend werkoppervlak en spot-lassen twee 4-cm lange stukken van tantaal (Ta) draad (0,3 mm diam.) Parallel aan de randen proeven.
   2. Buig draden aan te passen rond het kristal rand vorm, terwijl het tegengaan van de buigkrachten met een pincet of een tang op het puntlassen punten. Op een lengte van ~ 1 cm aan elke kant, eenpply 2-4 extra puntlassen punten om de draad paar langs het kristal rand.
   3. Bend draadeinden weg wijzen kristal centrum in een horizontaal vlak parallel aan het werkvlak. Leg het monster met ondersteuning draden op de Ta plaat (0,3 mm dik) van de monsterhouder. Lijn monster om het gat boven de achterkant gloeidraad kachel te dekken en zet het monster positie door puntlassen alle vier de steun draadeinden op de plaat. Als het mogelijk is, toe te passen meer dan één laspunt om elke draad einde, het verplaatsen van draad tip richting monster.
   4. Knip buitensporige lengte draad staande uit houder plaat rand. Stel spot-lasser macht om minimum en laat één puls door middel van puntlassen tang gesloten leeg. Type Spot lassen K (chromel-alumel) thermokoppel (0,2 mm diameter) aan de bovenrand van het kristal specimen.
   5. Bevestig een goede connectiviteit van het monster te monteren door het meten van weerstanden tussen de elektrische doorvoer contacten op de cryostaat hoofd: Filament versus monster (bias rijdraad bevestigd aan houder plaat proeven)> 20 MQ; Gloeidraad ten opzichte van de grond (cryostaat body)> 20 MQ; Filament leads (0,3 mm diam W.) <3 Ω; Thermokoppel leidt: ~ 16 Ω; Thermokoppel vs. grond> 20 MQ; Thermokoppel versus monster ~ 20 Ω en ~ 8 Ω (afhankelijk van het draadmateriaal, Chromel of alumel).
   6. Let op de afstand tussen de centra van het monster en balk profiel monitor (kwarts plaat).
   7. Vervang de koperen pakking op UHV manipulator hoofd en voorzichtig steek cryostaat met gemonteerde monster. Draai de flensbouten en evacueren UHV systeem volgens de instructies van de hulpverlenende wetenschapper.
   8. Bereid UHV kamer voor het bakken uitgevoerd door het aanbrengen van verwarming tapes en aluminiumfolie. Verzekeren normale werking van alle turbomoleculaire pompen ten minste 30 min en een druk <2 x 10 ^-4 Pa. Schakel de kamer kachels aan het UHV systeem bak gedurende 24 uur.
   9. Bevestig ion gauge lezing van minder dan 1 x 10 ^-5 Pa. Schakel bakken kachels. Activeren niet- verdampbare getter (NEG) pomp met inwendige verwarmingselement bij 400-450 ° C gedurende 30 min terwijl de kamer nog warm is.
   10. Laat de kamer afkoelen voor 3-4 uur, bevestig vervolgens weer QMS elektronica en voedingskabels aan pistool en LEED optiek ion. Degas filamenten van QMS, ion gun, en LEED. Controleer of onderplaat druk <1 x 10 Pa ^-8 na volledig afkoelen tot kamertemperatuur (binnen 12-24 uur).
2. Bereid enkel kristaloppervlak in UHV (zie figuur 1 (A)).
   1. Positie monster in de kamer center met de manipulator x, y, z-podium en draaien om het oppervlak af te stemmen tussen viewport en ion pistool (met uitzicht op het gas doseerder). Schakel ion gun voeding en stel control 'Emission' tot 20 mA. Kijk naar het monster door de viewport en fijn afgesteld monster rotatie hoek, zodat het spiegelbeeld van de gloeiende ion gun filament is zichtbaar op het monster oppervlak.
   2. Set 'Beam energie' op ion gun power leveren aan 800 eV. Sluiten NEG pomp afsluiter bij de kamer beneden en de invoering van 6 x 10 ^-3 Pa Ar gas in UHV kamer door variabele lek ventiel. Bevestig een sputter ionenstroom (digitale tester, van monster tot de grond) rond 2 uA en sputteren oppervlak gedurende 10 minuten bij kamertemperatuur.
   3. Voeg vloeibare stikstof aan de manipulator cryostaat. Bij manipulator hoofd, sluit filament verwarming leidt tot voeding en de digitale tester (20 mV bereik) aan thermokoppel doorvoer. Aard het filament.
   4. Sluit monster contact met voorspanning voeding. Solliciteer steekproef vertekening van 1 kV. Gebruik filament heater stromen tot 6,6 A voor gloeien, oxidatie en flash-verwarming in de volgende stap (2.2.5) observatie van het thermokoppel spanning (monstertemperatuur) met de digitale tester.
      LET OP: Raak NOOIT digitale tester of manipulator hoofd terwijl het monster is bevooroordeeld (risico op dodelijke elektrische schok!).
   5. Ontlaten monster UHV tot 1000 K gedurende 10 min waarborgen van de drukblijft onder de 2 × 10 ^-7 Pa. Oxideren bij 750 K in 5,0 x 10 ^-5 Pa O ₂ gedurende 5 minuten, temper bij kamertemperatuur (RT) in 5,0 x 10 ^-5 Pa _H2. Voer een laatste knipperende tot 600 K in UHV.
   6. Observeren LEED patroon en herhaal de stappen 2.2.1 tot en met 2.2.2 (sputteren) en 2.2.3. 2.2.5 (annealing / oxidatie / H ₂ -reductie) tot een heldere (1 x 1) structuur met heldere vlekken op lage achtergrond resultaten (figuur 3) en geen verontreinigingen in Auger elektronen spectroscopie ³² blijven. Sputteren slechts 2-3 minuten in de herhaalde sputter / gloeien cycli.
   7. (optional) vloeibare stikstof om de manipulator cryostaat monster afkoelen tot 90 K en blootstellen aan enkele Langmuirs (L) van _H2 gas (1 l = 1,33 x 10 ^-4 Pa). Voer een TDS meting en ten slotte controleren of de _H2 thermische desorptie spectrum in overeenstemming met literatuurgegevens ^15.
      Opmerking: De voorbereidingen noodzakelijkin afwachting van de NRA bundeltijd zijn nu voltooid. De schone ondergrond doel kan nu routinematig worden opgesteld binnen ~ 2-3 uur door het herhalen van stappen 2.2.1 tot 2.2.6 met sputteren cycli van 2-3 min.

Figuur 3. LEED patroon (223 eV) van de gereinigde Pd (110) oppervlak in de BL-1E UHV systeem. De heldere (1 × 1) patroon met heldere diffractie vlekken op een laag achtergrond betekent een atomair goed geordende oppervlaktestructuur. klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

3. Lijn ¹⁵ N ionenbundel aan eenkristal doel.
   1. Aan het 1E UHV kamer, positie monster in kamer centrum (x = 25, y = 26, aan te passen z op het oog om de hoogte van het QMS voor diafragma) en draai tot aangezicht ¹⁵ N ionbeam lijn. Breng kwarts plaat beam profiel monitor (Figuur 1 (B)) in de NRA meetpositie door het verlagen van de monsterhouder door sample-beeldscherm afstand, gemeten in stap 2.1.5. Stel digitale camera op raam flens onder de manipulator om het beeld beam profiel zenden op de kwarts plaat om de tv-monitor in het gaspedaal kamer.
   2. Verwijder alle andere elektrische contacten te proeven bij manipulator hoofd en sluit signaallijn naar digitale huidige integrator in de controlekamer. Stel elektrostatische deflector spanning op BL-1E tot 8500 V. Open de drie handmatige afsluiters op BL-1E tussen de UHV kamer en de buigende magneet BM04.
   3. Verkrijgen instructies van de meewerkende wetenschapper om vertrouwd te raken met het gaspedaal controlesysteem in de controlekamer worden.
      Opmerking: Accelerator parameters (zoals beam energie- en richting definiëren magneet velden en zich te concentreren lenzen) worden ingesteld met toewijsbare wijzerplaten op een centraal bedieningspaneel. Beam lijn kleppen en Faraday cups zijnop afstand geopend / gesloten door muisklikken en pneumatische bediening.
   4. In de controlekamer, schakelt de huidige integrator van 'Stand-by' modus om 'Operate'. Verbind integrator analoge uitgang aan de huidige indicator. Op het gaspedaal bedieningspaneel aan te passen ^15N ionenbundel energie versneller in gleuf feedback mode om een energie-analysator magneetveld van 5535 Gauss (Parameter: NMR03) en match buigen magneetveld (Parameter HPB04) naar ~ -6,033.4 Gauss om ionenbundel te richten op doel in 1E UHV kamer. Stel magnetisch quadrupole lens parameters (MQ04) naar XCC = 4,64 A en YCC = 5.15 A tot balk van ongeveer concentreren.
   5. In de controlekamer, geopend twee afsluiters tussen gaspedaal en beam lijn 1E. Open Faraday cup (FC) FC04 en observeren ionenbundel profiel op kwarts plaat in target kamer op het tv-scherm. Fine-tunen BM04 en MQ04 parameterinstellingen goed gefocusseerde ionenbundel te krijgen in het midden van het profiel van de monitor plaat. Pas z-positie van kwarts monitor met monster manipulatof indien nodig.
   6. Sluiten Faraday cup FC04 en til sample z-positie weer door sample-beeldscherm afstand. Neem nota van NMR03 / HPB04 / MQ04 (XCC, YCC) parameters en sla ze op in een nieuw MagparNNN.xls bestand voor de huidige bundeltijd (NNN, een drie-cijferig nummer).
      Opmerking: Op basis van deze verwijzing NMR03 / HPB04 input, MagparNNN.xls berekent de bijbehorende magneetveld parameters voor de energie-analyse (BM03) en richting-switching (BM04) magneten die nodig zijn om de ionenbundel positie op het doel tijdens een ¹⁵ N houden energiescan.

3. Voorbereiding voor NRI Meting bij BL-2C

1. Til elke eerder gebruikte monster uit de bundel lijn positie in de manipulator overdracht staaf, veilige hoogte met fixatie schroef, en dicht afsluiter op de balk lijn.
2. Maak sample huidige regel op elektrische doorvoer en centrifugaalpomp lijn bij KF flens koppeling van de manipulator. Maak manipulator van de afsluiter flens. Plaats manipulator op de voorbereiding tafel en schuif de monsterhouder uit de verbindingsbuis. Draai manipulator as sample horizontaal te plaatsen.
3. Draai twee M2 schroeven van het monster klem (figuur 2 (B)) en verwijder de oude doelgroep. Stel nieuwe steekproef, parallel aan manipulator as af te stemmen, en draai de klemschroeven. Trek monster in verbindingsbuis en veilige positie fixatie schroef.
4. Vervang de koperen pakking op afsluiter en manipulator opnieuw op de balk lijn. Bevestig rotatiepomp lijn manipulator. Sluit klep in de roterende pomp lijn naar de turbo-moleculaire pomp (TMP).
5. Open rotatiepomp lijn ventiel van de manipulator en evacueren verbindingsbuis voor 10-15 minuten in een roterende basis druk herstellen. Sluiten manipulator pomp lijn kleppen en een open klep in rotatiepomp lijn naar TMP. Open langzaam de afsluiter van de manipulator en evacueren voor 20-30 minuten tot 2-3 x 10 ^-3 Pa herstellen.
6. Lagere monster beam lijn positie en lijn oppervlak geenrmal van de balk profiel monitor (glasplaat) naar invallende bundel richting met behulp van BL-2C camera en de nabijgelegen tv-monitor. Sluit vervolgens BL-2C camera signaallijn om tv-scherm in de controle kamer. Open twee pneumatisch bediende afsluiters op BL-2C tussen de NRI kamer en buigen magneet BM04.
7. Sluit monster huidige signaallijn tussen elektrische doorvoer van het monster manipulator en digitale huidige integrator (meldkamer). In het gaspedaal control room, schakelt de huidige integrator van 'Stand-by' modus om 'Operate' en sluit integrator analoge uitgang aan de huidige monitor.
8. Ruwweg lijn ^15N ionenbundel te richten in BL-2C door buigen magneetveld (Parameter HPB04) tot ~ 0,6 Gauss (polariteit: positief), magnetisch quadrupole lens MQ04 parameters XCC = 4,64 A en YCC = 5.15 A, en quadrupoollens MQ-2C parameters A = 3,3 A en B = 3,6 A tot balk van ongeveer concentreren.
9. Fine-tunen HPB04 / MQ04 (XCC, YCC) / MQ-2C (A, B) parameters om beam transmiss optimaliserenion (onbelemmerde doorgang te richten) en balk profiel op doel (afbeelding BL-2C camera gebruik beam profiel monitors BPM-1C en BPM-2C en) en kennis te nemen van de beste instellingen.

4. NRA Meting bij BL-1E

1. Flash-warmte Pd monster tot 600 K vrij oppervlak van een geadsorbeerde verontreinigingen. Stabiliseren het monster temperatuur op 145 K met gloeidraad verwarming (~ 3,6 A) en loopt hij compressie cryostaat (of koelen vloeibare stikstof).
2. Dicht kleppen gaspedaal en aan NEG pomp en bloot monster 2000 LH ₂ (2,66 x 10 ^-3 Pa × 100 sec) bij 145 K. Let monster afkoelen tot 80 K en aan te passen een _H2 achtergrond druk van 1 x 10 ^-6 Pa .
3. In de controlekamer, op zo'n ¹⁵ N ionenbundel energie op BM03 de gewenste start waarde voor de energie-scan (meestal NMR03 = 5525 Gauss) en stel BM04 volgens de MagparNNN.xls tafel.
4. Laad de NRA data-acquisitie software (NRAmain.vi) op ​​het gaspedaal control PC bij BL-2C. Selecteer diepteprofilering routine 'AutoScanLinuxUHVfb3.vi'. In AutoScanLinuxUHVfb3.vi, push 'Lees contante waarde' om de huidige magneet parameterinstellingen over te dragen aan de controle pc-software.
5. Controleer nogmaals dat alle kleppen op BL-1E open zijn, dat het monster huidige signaallijn is verbonden, dat de huidige digitizer is ingesteld op 'Operate', en dat een ¹⁵ N straal van idealiter 15 ± 5 nA is beschikbaar in de FC04.
6. Stel de stat starten, stoppen en STEP waarden van de BM03 parameter voor de energiescan (typisch 5525 Gauss, 5600 Gauss, en 1 Gauss, respectievelijk) en zet de optie 'Force TVC te GVM' op. Voor een ~ 15 nA straal van ¹⁵ N ^2+, stelt u de parameter 'Acquisition time' tot 50 sec.
7. Klik op de pijl 'Execution' in AutoScanLinuxUHVfb3.vi console om geautomatiseerde overname van een diepte profiel te starten (tot ~ 35 nm diepte in Pd voor STOP = 5600 Gauss). Aan het eind van de scan (of op een eerdere terminatie), klikt u op 'Stop meting' om de gegevens bestand te sluiten.
8. Schakel huidige digitizer op 'Stand-by' mode, los monster huidige lijn van monster manipulator doorvoer en sluit de laatste afsluiter op BL-1E voor de UHV kamer.
9. Stop de achtergrond _H2-gas dosering door het sluiten van de variabele lek ventiel. Open de NEG gate klep aan het UHV kamer bodem. (Optioneel: Neem een H ₂ TDS spectrum van het monster.)
10. Voor aanvullende NRA metingen (optioneel), re-bloot de Pd (110) oppervlak H ₂ volgens de instructies in stap 4.2 en herhaalt u de stappen 4.3 tot 4.9.

5. NRA Meting bij BL-2C

1. In de controlekamer, op zo'n ¹⁵ N ionenbundel energie op BM03 de gewenste START waarde voor de energie-scan (meestal NMR03 = 5525 Gauss om profilering aan de oppervlakte te starten).
2. Laad de NRA data-acquisitie software (NRAmain.vi) op ​​het gaspedaal pc op BL-2C. Selecteer diepteprofilering routine'AutoScanLinux11.vi'. Voer de gewenste BM03 parameters voor de geautomatiseerde energiescan (START, STOP, STEP), die overeenkomen met START om de BM03 waarde in te stellen in stap 5.1. Voor het huidige SiO ₂ / Si samples, set 'Acquisition time' tot 50 sec.
3. Controleer nogmaals dat alle kleppen op BL-2C zijn open, dat het monster huidige signaallijn is verbonden, dat de huidige digitizer is ingesteld op 'Operate', en dat een ¹⁵ N ²⁺ straal van 50-100 nA is beschikbaar in de FC04.
4. Klik op de pijl 'Execution' in 'AutoScanLinux11.vi' tot een diepte profiel die automatisch eindigt bij het STOP-waarde van de parameter BM03 te verwerven. Aan het einde van de scan (of voor eerdere beëindiging), klikt u op 'Stop meting' om de gegevens bestand te sluiten.

6. Data Analysis

1. Copy * .nra ruwe data bestanden in / home / csadmin / DataTaking / BTNNN uit de overname PC (NNN is het nummer van de huidige bundel tijd) op een USB-geheugenstick en transfer gegevensanalyse PC.
2. Start de zelfgebouwde softwarepakket voor NRI data-analyse en een open procedure 'NRA-Linux-2C-v3.ipf'. Het verkrijgen van de procedures NRA-Analysis-2C-v4.ipf, LinuxAddOn-3-v3.ipf en Menu-NRA.ipf en kopieer ze naar de map data met Igor gebruiker Routines.
3. Compileren procedures en selecteer 'Load NRI data' uit de verschijnende 'NRA' menu. Kies een gegevensbestand gemeten onder de afdelingen 4 en 5, en klik op 'Doorgaan' in het verschenen pop-up venster.
   Opmerking: De software genereert twee uitgangen grafiek van meetgegevens: "ruwe data" (raw γ-tellingen (GRS) vs. NMR03 magneetveld als weergegeven tijdens de gegevensverwerving), en "NRI spectrum ', overeenkomend met de excitatie curve (achtergrond- afgetrokken en incidenten charge-genormaliseerde γ-opbrengst (I _norm) vs. ¹⁵ N ion energie).
4. Selecteer 'Juist Sample Current lezingen' van 'NRA' menu en kies de 'HerberekenUlate ISC (hele golf) van gemiddeld ISC / Ifar ratio (bijv sample w / o bias) 'optie in het drop down menu om ionenbundel lading herschalen het lezen van de huidige digitizer aan de werkelijke afmeting (uC), gerelateerd aan de gemiddelde FC04 beam de huidige metingen van de volledige dataset. Verwijder de 'Inorm_by_Faraday' trace van de 'NRA spectrum' grafiek.
   Opmerking: Normalisatie van deze geschaalde geïntegreerde incident lading heeft de voorkeur (boven normalisering van de Faraday stroom), omdat het een betere afspiegeling van de ¹⁵ N-ion lading die eigenlijk het doel raakt dan de FC04 stroom. Laatstgenoemde wordt slechts eenmaal voor het Faradaycupje opent gemeten (om de bundel op het doel leveren) en dus geen rekening met bundelstroom schommelingen die altijd optreden in enige mate tijdens de acquisitietijd voor elk gegevenspunt. Herschalen het monster lading is nodig omdat de huidige digitizer lezen overschat de werkelijke invallende ionenbundel kosten als gevolg van secundaire electron emissie van het doel.
5. Bepaal de NMR03 waarde die overeenkomt met E _res (de maximale positie van het oppervlak resonantie piek in de plot 'raw data'). Indien verschillend van de software standaard waarde van 5535 Gauss, corrigeer de invoer (indien nodig ook het stoppen van de macht waarde) van 'NMR, energie en diepte schaal' routine van het 'NRA' menu te selecteren.
6. Als een achtergrond tarief (CPS) correctie noodzakelijk is geworden, gebruik dan eerst de functie 'Correct Faraday lezingen' om de genormaliseerde γ-opbrengst van de ruwe (GRS) data herberekenen na herziening van de achtergrondwaarde, het invoeren van een correctiefactor van 1 (voor de FC04 stroom). opnieuw uit te voeren dan de functie 'Correct Sample Current lezingen' (Stap 6.4) ook een herberekening van de kosten-genormaliseerde γ-opbrengst met de herziene achtergrond in de juiste schaal ten opzichte van de FC04 Faraday.
7. Plot charge-genormaliseerd γ-yield versus diepte top as naar de geconvolueerde hydro weer te gevengen diepte distributie (figuur 4).
8. Voeg foutbalken om de grafiek met behulp van de desbetreffende functie van de 'NRA' menu. Waar mogelijk, liever charge-normalisatie.
   Opmerking: Het tellen statistieken bepalen de fout Δ I van de NRA γ-opbrengst, I = GRS - achtergrond, door de fout gepropageerd onzekerheden van het gemeten ruwe tellingen, en de achtergrond, vandaar berekent als: . De fout bars in de diepte profiel grafieken (figuren 4 en 5) zijn Δ Ik _norm = Δ I / invallende ionenbundel lading.
9. (optioneel) Voer een geschikte analyse van de gegevens met geschikte model functies ^3.

Representative Results

Figuur 4 toont nabije oppervlak NRA profielen H H ₂ -exposed Pd (110) gemeten in de BL-1E UHV systeem bij een monstertemperatuur van 90 K onder een _H2 achtergrond druk van 1,33 x 10 ^-6 Pa. De ¹⁵ N ion incidentie energie is omgezet in indringende diepte met behulp van de remkracht van Pd (S = 3,90 keV / nm). Het open symbool profiel werd verkregen na pre-blootstellen van de Pd (110) monster tot 2000 LH ₂ bij 145 K om de absorptie van waterstof te induceren in de Pd bulk ^15. Dit profiel kan worden ontleed in een piek bij E _res = 6,385 MeV en een breed γ-yield plateau dat zich uitstrekt over het hele geprofileerd diepte regio. De piek bij E _res overeenkomend met H op het doeloppervlak, terwijl het horizontale gedeelte bewijst dat waterstof absorptie in de Pd bulk heeft plaatsgevonden. Het oppervlak piek heeft een bijna Gauss-vorm. Om dit beter te tonen, 2 achtergronddruk van een vers bereide Pd (110) oppervlak zonder H ₂ pre-dosering. Bij deze temperatuur enige oppervlakte chemisorptie van waterstof stabiel Pd (110); elke geabsorbeerde H zou diffunderen in de diepere bulk en ontsnappen NRA detectie in het nabije oppervlakgebied. Montage van het oppervlak piek tot een Gauss-profiel levert een piekhoogte van I _max = 86,9 ± 4,5 ct / uC en een: waarin σ de Gaussische breedte parameter. Van de Gauss piekoppervlak: en de γ-ray detectie-efficiëntie van de BL-1E setup (geijkt met een Kapton (C ₂₂ H ₁₀ O ₅ N _{2) n} folie standaard van exact bekend H concentratie (c _{bulk <}/ sub> = 2,28 × 10 ²² cm ^-3) en de remkracht S = 1,2879 keV / nm) α = 7,56 × 10 ^-13 [(CTS / uC) keV cm ^2], bepaalt men de absolute H dichtheid (N _s) de _H2 -exposed Pd (110) singe kristal als _Ns = I _s / α = 1,42 x 10 ¹⁵ cm ^-2. Ten opzichte van de Pd atoom dichtheid op Pd (110) oppervlak van 9,35 x 10 ¹⁴ cm ^-2 dit overeen met een H bereik van 1,52 ± 0,13 ml (monolagen), in zeer goede overeenstemming met de literatuurwaarde (1,5 ml) ^{15, 33,34.}

Figuur 4 toont ook dat de diepte resolutie van de NRI H profiel in het nabije oppervlaktegebied beperkt is door de breedte van het oppervlak resonantiepiek tot ongeveer 2-3 nm (≈FWHM / S). Daarom abrupte functies in het H-profiel, zoals het punt-naar-punt γ-opbrengst variaties gezien rond 16 nm diepte kan niet overeen met de werkelijk bestaande steile H concentratie gradiënten, omdat deze door de breedte oppervlak piek en extra energie verbreding te wijten aan ¹⁵ N-ion straggling ³ zou worden uitgesmeerd. Vandaar dat de γ-yield ribbels in het horizontale gedeelte van de H-profiel (5-22 nm diepte) weerspiegelen schommelingen van de BGO achtergrond telsnelheid (aparte achtergrond metingen blijkt dat een dergelijke toevallige fluctuaties optreden) en geen fysieke informatie over de diepte niet bevatten verdeling van de Pd-geabsorbeerde waterstof. De laatste verdeling verwachting tamelijk glad in de homogene monokristal, waarbij H diffusie snel (enkele 100 nm / sec zelfs bij 145 K) ^3,13,15. Aldus kan de nagenoeg constante concentratie van de bulk-geabsorbeerde waterstof in het nabije oppervlaktegebied van de Pd kristal na blootstelling aan 2000 LH ₂ bij 145 K worden geëvalueerd door het aanbrengen van het plateau gegevens in Figuur 4 een sigmoid function die stijgt tot de halve hoogte E _res met dezelfde breedte als de Gausse piek oppervlak ^3. Deze analyse is bepalend voor de hoogte plateau ik _bulk tot 15,4 ± 1,3 ct / uC. Met Pd stopkracht S = 3,9 keV / nm verkrijgt men aldus de H bulk concentratie c _bulk = I _bulk S / α = 7,94 x 10 ^{20 cm-3,} of 1,2% van de atomaire dichtheid in bulk Pd (laatstgenoemde vergelijking wordt ook gebruikt om α ijken gemeten nadat ik _meerdere in de Kapton standaard ^3). Deze bulk H concentratie betekent dat fijnverdeelde korrels Pd hydride (die een H / Pd-verhouding van ongeveer 0,65 bij deze temperatuur) tijdens haar blootstelling aan 2000 L (2,66 x 10 in het nabije oppervlaktegebied van de Pd kristal heeft gekiemd ^{- 3} × 100 Pa sec) _H2 bij 145 K, omdat de H oplosbaarheid in de verdunde fase vaste oplossing van Pd bedraagt ​​minder dan H / Pd = 5 x 10 ^-4 bij deze temperatuur en _H2 druk.

Figuur 5 geeft ¹⁵ N NRI diepteprofielen van een reeks _SiO2 / Si (100) stacks kunnen worden gemeten BL-2C. De SiO ₂ films hadden een dikte van 19,0, 30,0 en 41,5 nm ^35. Naast een piek oppervlakte waterstof bij E _res, alle profielen tonen een tweede piek in grotere diepte, wat aangeeft dat de H spreiding in de oxidefilm blijkbaar niet uniform. De positie van de tweede piek verschuift naar grotere diepte met toenemende SiO ₂ filmdikte. De optisch bepaalde SiO ₂ filmdikte wordt aangegeven door een verticale stippellijn in elk paneel (i) - (iii). Sluiten inspectie blijkt dat het centrum posities van de NRA profiel pieken liggen met een kleine verschuiving van ~ 4 nm boven de respectievelijke SiO ₂ / Si interfaces. Dit bewijst dat waterstof de neiging voor Accuformuleren niet precies op maar in een gebied dat zich uitstrekt over een paar nanometer van het oxide voor de interface. Deze eigenaardige H lokalisatie gedrag werd toegeschreven aan de bijna grensvlak SiO ₂ structuur, waarbij een groot aantal druk en sub-oxide ³⁶ gerelateerde defecten verschaffen preferentiële bindingsplaatsen waterstof species ^37. De gespannen grensgebied gevolg van de vermindering van het Si atoom dichtheid met een factor ~ 2 in de abrupte overgang van kristallijne Si amorf SiO _2. Voor kwantitatieve evaluatie van de respectieve oppervlak en nabij-grensvlak pieken werden aangebracht Gaussische functies die worden getoond als doorgetrokken lijnen in figuur 5. Analyse gelijk aan die hierboven beschreven voor de oppervlakte H piek op Pd (100) blijkt dat de nagenoeg grensvlak oxidegebieden van de _SiO2 / Si (100) filmstapelingen H bevatte een laag dichtheid (1,0-1,3) x 10 ¹⁴ cm ^-2.

Figuur 4. Near-oppervlak NRA H profielen van Pd (110) verkregen in de BL-1E UHV systeem onder een _H2 achtergrond van 1,33 x 10 ^-6 Pa Open symbolen:. Pre-blootgesteld aan 2000 LH ₂ bij 145 K, NRA gemeten op 90 K. Gevulde grijze en zwarte symbolen: Twee profielen gemeten bij 170 K zonder H ₂ pre-dosering. Raadpleeg de Note in Procedure Stap 6.8 van de fout bar berekening. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Figuur 5. NRA H-profiel van de drie SiO ₂ film op Si (100) gemeten in de BL-2C-systeem. NRA H-profielen voor de three SiO ₂ films op Si (100) met een dikte van (i) 19,0 nm, (ii) 30,0 nm, en (iii) 41,5 nm. SiO ₂ / Si (100) -interface posities zijn aangegeven met stippellijnen verticale lijnen. Dit cijfer is aangepast van Ref. ³⁵ met toestemming van AIP. Raadpleeg de Note in Procedure Stap 6.8 van de fout bar berekening. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.

Discussion

Figuur 4 toont de efficiënte onderscheid en kwantificering van oppervlakte geadsorbeerd van bulk-geabsorbeerde waterstof door ¹⁵ N NRI naar het voorbeeld van een Pd (110) monokristal in de BL-1E UHV systeem. De hoge reproduceerbaarheid van het oppervlak H piek in de drie profielen getuigt van de betrouwbaarheid van de in-situ UHV monstervoorbereiding en de niet-destructieve karakter van de NRI meting. De kwantitatieve overeenkomst van de geconstateerde H dekking met de verwachte atomaire verzadiging dichtheid toont verder de nauwkeurigheid van de NRA meting. Goede vergelijking tussen de NRI profielen van _H2 pre-blootgestelde Pd (110) (open symbolen) en de twee excitatie rondingen van alleen oppervlakte waterstof op Pd (110) (grijze en zwarte symbolen) in figuur 4 toont dat het oppervlak piek in de voormalig H profiel staarten asymmetrisch in de richting van het plateau van bulk geabsorbeerd waterstof in de bovenste ~ 5 nm. Dergelijke subtiel detail van potentieel niet-uniformm waterstof uitkeringen nauw onder de oppervlakte kan alleen worden onthuld door NRA. Eenzelfde H accumulatie in een ondiepe ondergrond gebied is ook waargenomen in andere metalen (Pt, Ti) ^11,14. De oorsprong van deze bijzondere H gedrag in de ondergrond regio is momenteel niet duidelijk, maar wetenschappelijk interessant met betrekking tot de juiste begrip van de eigenaardige waterstof absorptie-eigenschappen van nanomaterialen ¹⁷ in tegenstelling tot uitgebreide bulk metalen.

Aantal kritische parameters geboden bij het ​​protocol om een hoge kwaliteit te verkrijgen, zoals in figuur 4. The H ₂ achtergronddruk geïntroduceerd in stap 4,2 (1 x 10 ^-6 Pa) is een bewuste keuze zodanig dat de H stabiliseren -saturation dekking op het oppervlak door Pd balanceren NRI ionenbundel geïnduceerde H-desorptie met H-readsorptie van het _H2S gas enerzijds, terwijl het vermijden H opname in de bulk van Pd H <sub> 2 absorptie anderzijds. Als de _H2 druk te hoog was, zou H absorptie tijdens de NRA analyse een geleidelijke toename van de NRI signaal bij E _res veroorzaken, omdat het oppervlak resonantie piek overlapt met ongeveer 2 nm van de bovenste Pd bulk regio, waar H kunnen ophopen, vooral bij nog lagere temperaturen dan die in de experimenten van figuur 4. ^13-15,18 zo-H absorberende materialen zoals Pd of Ti, de geschiktheid van de _H2 achtergrond instelling moet worden gecontroleerd door te bevestigen dat de γ- opbrengst bij E _res blijft constant op de tijdschaal die nodig is om het oppervlak resonantie profiel te meten. Deze complicatie doet zich niet voor de meeste materialen die geen waterstof absorberen bij lage _H2 druk. Hier is kwantificering van het oppervlak H overvloedig aandacht gemakkelijk uitgevoerd na het observeren verzadiging van de γ-opbrengst bij E _res wanneer de _H2 achtergronddruk is stepwise verhoogd (tot maximaal 10 ^-2 Pa tolereerbare het vacuümpomp systeem).

Acht voorts dat de gegevens in Figuur 4 werden genomen met een ¹⁵ N ²⁺ bundelstroom van 15 ± 5 nA (stap 4,5). Deze bundelstroom is gebleken voldoende hoog zijn, enerzijds, er redelijke intense γ-signalen van de verzadigde laag dichtheid van oppervlak H-atomen ontstaan ​​uit het oogpunt acceptabele gegevens statistieken en totale meettijd en tevens nog voldoende zacht , anderzijds, bovenmatige H desorptie (wat weer zou vereisen hogere H ₂ achtergronddruk compensatie) en voorbeeld verwarming (hetgeen een wijziging van de H diepteverdeling door thermische diffusie kan veroorzaken) te vermijden.

Hoewel de NRI techniek veelzijdig en gemakkelijk op H oppervlaktelaag dichtheden bepalen voor de meeste vacuüm verenigbare vaste stoffen, beperkingen ontstaan ​​met betrekking tot dedetectie van bijzonder zwak geadsorbeerde H-soorten die niet stabiel tegen desorptie kunnen onder incident ¹⁵ N ionenbundel bestraling zelfs bij verliesgevende compensatie _H2 gas achtergrond (<10 ^-2 Pa). Zo hebben de auteurs nog niet in geslaagd het observeren van het oppervlak H-soorten met desorptie temperaturen (TDS) onder ~ 70 K met NRA. De neiging van H desorberen uit het monster of herverdeling binnen de doelgroep door diffusie onder de ionenbundel varieert sterk tussen de verschillende doelgroepen materialen en moeten worden beoordeeld in het kader van een bepaald onderzoek door het bewaken van de γ-opbrengst aan de indringende diepte van belang een functie van de ionenbundel dosis. Zonder compensatie H ₂ achtergrond zoals hier toegepast op Pd (110) waarbij H readsorbs gemakkelijk in veel gevallen een min of meer uitgesproken exponentieel verval van het H-signaal kan worden waargenomen. Meten en extrapoleren zoals H-verlies functies op nul ¹⁵ N blootstelling maakt het reproduceren van de oorspronkelijke H holenliteit op of in het doel voorafgaand aan verstoring door de ionenbundel (voor details, zie Ref. 3). Als het doel afmetingen mogelijk, waardoor de stroomdichtheid (nA / ^cm2) in het bestraalde oppervlak plek aan onscherp de ionenbundel met behulp van de MQ04 magnetische lenzen (Protocol stappen 2.3.5 en 3,10) H verliezen gedurende de verzachting analyse. In het algemeen dienen overmatig ¹⁵ N ion doses worden vermeden omdat zij fysieke schade aan het doeloppervlak in de vorm van gebreken die de H adsorptie (en absorptie) eigenschappen kunnen wijzigen kan veroorzaken. Bij monokristallen, LEED patroon van het oppervlak en de vorm van de H ₂ TDS spectrum ¹⁵ moet daarom regelmatig worden gecontroleerd. Als er een afwijking wordt geconstateerd, opnieuw voor te bereiden het oppervlak vers volgens de instructies (voor Pd (110)) in het Protocol stappen 2.2.1 tot 2.2.6.

Figuur 5 gedemonstreerd op het voorbeeld van de dunne film SiO ₂ / Si (100) stapels die waterstof diepte profilering analetion met ¹⁵ N NRA kan gewoon daarin bepalen de diepte ligging van de buurt-grensvlak H lagen en de H dichtheid zonder het vernietigen van het monstermateriaal. Merk echter op dat de H accumulatie in het grensvlak gebieden gezien in de diepteprofielen gedeeltelijk kan de NRA analyse zelf, omdat de ¹⁵ N ionenbestraling herverdeling van waterstof kan veroorzaken in het materiaal. Dit is een bekend effect ^35,38-40 en eventuele verplaatsing H in de NRA analyse moet worden gecontroleerd door meting van de concentratie H evolutie op accumulatie piek diepte op een niet-bestraalde monsterstip tijdens voortdurende ¹⁵ N ion bestraling. Hoewel deze bundel geïnduceerde H verplaatsing effect kan bepalen van de oorspron verdeling in een monster wat moeilijker kan worden benut voor analytische doeleinden diëlektrische betrouwbaarheid onderzoek H herverdeling trends tussen intacte interfaces van (model) MOS apparaat str evaluerenuctures, het verstrekken van informatie over de relatieve materiaal-specifieke H mobiliteiten. ^3,26

Ten aanzien van de H detectiegrens van de NRA meting, merken we op dat de opstelling in BL-2C met zijn grotere BGO detectie vaste hoek (Figuur 2 (A) heeft een meer dan twee keer zo groot gekalibreerde γ-detectie-efficiëntie factor (α _2C = 1.79 × 10 ^-19 (CTS / uC) (keV / nm) cm ^3), zoals in BL-1E (α _1E = 7,56 x 10 ^-20 (CTS / uC) (keV / nm) cm ³⁾⁾ en biedt dus een hogere gevoeligheid , gunstig voor het meten van lage concentraties H materialen die in situ oppervlaktebehandeling vereisen. De achtergrond teltempo in onze γ-detectiesysteem is nog ~ 0,1 cps, waarin een detectielimiet volume H concentraties vaste stoffen in de orde van 100 ppm (meerdere 10 ^{18 -3} cm) met een 100-nA bundel ¹⁵ N ^{2 +} bij BL-2C. In de huidige examenselen Deze verhoogde gevoeligheid (in combinatie met een sterkere ionenbundel), toegelaten meten oppervlak en tussenlaag H dichtheden in de _SiO2 / Si stapels met dezelfde acquisitietijd (50 sec) als ongeveer een orde van grootte groter oppervlak H verzadigde laag op Pd (110) (vergelijk schalen verticale as in figuren 4 en 5). De benodigde acquisitietijd wordt bepaald door de gewenste telstatistiek, de gegeven dichtheid in H en de ¹⁵ N ionenbundelstroom getolereerd door het doel. De acquisitietijd bepaalt ook de tijdsresolutie voor waarneming van tijdelijk veranderende H dichtheden zoals bij adsorptie, desorptie, absorptie of diffusie van waterstof of in materiaal.

Hoe hoger vacuümbasis druk bij BL-2C (~ 1 x 10 ^-5 Pa) kan tijdens de NRA meting ⁴¹ afzetting van H-bevattende verontreinigingen uit het restgas op het doeloppervlak veroorzaken. Dit kan result in groot oppervlak H pieken in de diepteprofielen die belangrijke kenmerken kunnen overweldigen direct onder het oppervlak, gelijk (maar slechter dan) gezien, bijvoorbeeld in de overlap met de ondiepere _SiO2 / Si grensvlak piek in figuur 5 (i) . Een grote H gehalte in de oppervlaktelaag ook een negatieve invloed op de evaluatie van kleine bulk H concentraties in grote indringende diepte (E _i> ~ 9 MeV) door het induceren γ-achtergrond indien niet resonante nucleaire reactieopbrengst ^42. Hoewel de BL-2C systeem thans reeds voor 10-cm dikke lood (Pb) afscherming blokkeert de BGO detectoren (niet getoond voor de duidelijkheid in figuur 2) de telsnelheid milieuachtergrond γ-straling, verdere verbetering van de H detectie termijn kan worden bereikt door de uitvoering van anti-toeval afscherming voor de detectoren die achtergrond signalen kan verminderen als gevolg van zeer doordringende kosmische muon-straling ^43.

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