Waiting
Login processing...

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

Engineering

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

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

Проиллюстрируем применение 1 H (15 N, αγ) 12 C резонансная реакция анализ ядерных (НРА) количественно оценить плотность атомов водорода на поверхности, в объеме и на границе раздела фаз слоя твердых материалов. Приповерхностный глубина водорода Профилирование Pd (110) монокристалла и SiO 2 / Si (100) стеки описан.

Abstract

Анализ ядерных реакций (NRA) с помощью резонансной 1 H (15 N, αγ) 12 C реакция является весьма эффективным методом глубины профилирования , что количественно и неразрушающим показывает распределение водорода плотности на поверхностях, на границе раздела фаз, а также в объеме твердые материалы с высокой разрешающей способностью по глубине. Методика применяется 15 Н ионного пучка 6.385 МэВ , предусмотренных электростатическом ускорителе и конкретно обнаруживает 1 H изотопа в глубинах до около 2 мкм от поверхности мишени. Поверхность H покрытия измеряются с чувствительностью в порядке ~ 10 13 см -2 (~ 1% от типичной атомной плотности монослоя) и объем H концентрации с пределом обнаружения ~ 10 18 см -3 (~ 100 в. Частей на миллион ). Разрешение по глубине вблизи поверхности составляет 2-5 нм для поверхности нормального 15 Н падения ионов на мишень и может быть увеличена до значений менее 1 нм для очень плоских мишеней ADOPтин поверхность выпасе геометрии падения. Метод является универсальным и легко применен к любому высокого вакуума, совместимого однородного материала с гладкой поверхностью (без пор). Электропроводящие цели, как правило, переносят облучение пучка ионов с незначительной деградации. Водород Количественное и правильный анализ глубины требуют знания элементарного состава (кроме как водород) и плотности массы материала мишени. Особенно в сочетании с ультра-высоких методов вакуума для набивных целевой подготовки и характеристики, 1 H (15 N, αγ) 12 C идеально подходит для анализа НРО водорода при атомарной контролируемых поверхностей и наноструктурированных интерфейсов. Мы иллюстративно продемонстрировать здесь применение 15 N НРА на ускорителе СОЛОД Тандем университета Токио (1) количественно измерить покрытие поверхности и объемной концентрации водорода в приповерхностном области в H 2 подвергается Pd(110) монокристалл, и (2) для определения глубины расположения и уровня плотности водорода вблизи границ раздела тонких пленок SiO 2 на Si (100).

Introduction

Широкое распространение водорода в качестве примеси или в качестве составляющей огромного количества различных материалов и богатство водорода индуцированных явлений взаимодействия делают выявление распределения водорода в приповерхностной области и на погребенных интерфейсов твердых тел важной задачи во многих областях инжиниринг и фундаментальное материаловедение. Видные контексты включают исследования поглощения водорода при хранении и очистки материалов для водородной энергетики, применения топливных элементов, фото- и гидрогенизации катализа, удержания водорода и хрупкости в ядерной и термоядерной реакторной техники, поверхностно-активных эффектов водорода индуцированных в производстве эпитаксиальных роста и водород- связанные с этим вопросы электрической надежности в технологии полупроводниковых приборов.

Несмотря на вездесущность и простой атомной структуры, количественное определение водорода представляет аналитические проблемы. Поскольку водород содержит только один электрон, в противном случае разносторонние элементные Analysявляется методом электронной спектроскопии оказывается неэффективным. Общие методы обнаружения водорода посредством массовых аналитических, оптических или ядерных резонансных методов, таких как металлургического плавления, термодесорбция, инфракрасного поглощения или ЯМР-спектроскопии в основном нечувствительны к глубине расположения водорода. Это не позволяет, например, различия между поверхностной и объемной адсорбированного-поглощенного водорода , которые существенно различаются по своим физико-химических взаимодействий материалов, и , следовательно , их различие становится все более важным для анализа наноструктурных материалов , которые содержат малые объемы и большие площади поверхности. Водород профилирование вторичной ионной масс-спектроскопии, хотя обеспечивая глубину с разрешением количественные концентрации H, одинаково разрушительны для анализируемой мишени в качестве металлургического плавления и распыления эффекты могут оказать информацию о глубине, полученной вблизи поверхности ненадежной.

Анализ ядерных реакций с узкимэнергетический резонанс (E РЭС) 1 H (15 N, αγ) 12 C реакции при 6.385 МэВ 1-3, с другой стороны, сочетает в себе преимущества неразрушающим количественному водорода с высокой разрешающей способностью по глубине порядка нескольких нанометров вблизи поверхности. Метод определяет поверхности Н покрытий с чувствительностью в порядка 10 13 см -2 (~ 1% типичной атомной плотности монослоя). Концентрации водорода в интерьере материалов могут быть оценены с пределом обнаружения нескольких 10 18 см -3 (~ 100 ат. Частей на миллион) и зондирующего диапазоне глубины около 2 мкм. Разрешение по глубине вблизи поверхности обычно 2-5 нм в поверхностно-нормальном падении пучка ионов 15 N на анализируемой мишени. В поверхностных-скользящем падении геометрии, разрешение также может быть увеличена до значений менее 1 нм. См. 3 для детального счета.

Эти возможности доказали 1 H ( 12 C NRA как мощный метод выяснения статического и динамического поведения водорода на поверхностях и границах раздела в большом разнообразии процессов и материалов 3. Созданная Лэнфордом 4 в 1976 г., 15 N НРА впервые был использован в основном для количественного определения концентрации объема H в сыпучих материалов и тонких пленок. Среди других целей, абсолютные концентрации водорода , полученные с помощью 15 N НРА были использованы для калибровки других, а не непосредственно количественные, методы 5,6 обнаружения водорода. Кроме того, 15 N НРО профилирование водорода в мишени с четко определенными интерфейсами в слоистых тонкопленочных структурах было описано 7-10. Совсем недавно, значительный прогресс был достигнут в изучении водорода в приповерхностной области химически чистых и структурно четко определенных целей путем объединения 15 N NRA с поверхностным аналитическим сверхвысокого вакуума (СВВ) приборов для ДГОе атомарно контролируемой поверхности в месте для анализа Н3.

Путем количественного охвата водорода на монокристаллических поверхностях, НРО значительный вклад в текущем микроскопическом понимании адсорбции фаз водорода на многих материалах. 1 H (15 N, αγ) 12 C НРО , кроме того , единственная экспериментальная методика для непосредственного измерения нуль- указывают колебательную энергию поверхностных атомов адсорбированного H 11, то есть, он может выявить квантово-механического колебательного движения адсорбированных атомов Н в направлении падающего пучка ионов. Благодаря способности нанометрового дискриминации между поверхностной поглощен и объемно-поглощенного Н, 15 Н НРО может обеспечить ценную информацию проникновения водорода через материальные поверхности, такие как отношение к гидратация знакомствам 12 или для наблюдения гидридный зарождение под поверхностями Н абсорбирующий металлы. 13-15 High-рesolution 15 N NRA приложения продемонстрировали потенциал для обнаружения суб-монослойных вариации толщины adlayers 16 и различать поверхности адсорбируются из объемно-поглощенного водорода в Pd нанокристаллов 17. Комбинация с термодесорбции спектроскопии (TDS) позволяет однозначных идентификаций H 2 тепловых особенностей десорбции и глубины с разрешением оценки термической стабильности адсорбированного и поглощенного водорода состояния против десорбции и диффузии 13,15,18. Благодаря своему неразрушающему характеру и высокой разрешающей способностью по глубине 1 H (15 N, αγ) 12 C НРО также идеальный метод для обнаружения водорода похоронен на неповрежденных интерфейсов, что позволяет изучать улавливание водорода на металл / металл и металл 19-22 / полупроводник интерфейсы 16,23-25 ​​и для отслеживания диффузии водорода в уложенных тонких пленочных систем 9. Непосредственно визуализируя водорода перераспределения Phenomenа между интерфейсами SiO 2 / Si на основе металл-оксид-полупроводник (МОП) структур , которые имеют отношение к деградации электрических устройств, НРО сделал особо ценный вклад в устройство исследования 26 надежности.

Принцип обнаружения водорода в НРО облучать анализируемый цель с 15 N ионного пучка , по крайней мере Ерез = 6.385 МэВ , чтобы вызвать резонансное 1 H (15 N, αγ) 12 C ядерной реакции между 15 Н и 1 Н в материал. Эта реакция высвобождает характерные гамма-лучи 4.43 МэВ, которые измеряются с помощью сцинтилляционного детектора соседнего образца. Γ-выход пропорционален концентрации Н в некоторой глубине мишени. Нормализация этот сигнал на число падающих ионов 15 N преобразует его в абсолютную плотность H после того как система γ-детектирования откалиброван со стандартной мишени с известной концентрацией Н. 15 Ерез может вступать в реакцию с водородом на поверхности мишени. Концентрация погребенного водорода измеряется с помощью 15 N ионов , падающих при энергиях (E I) выше Ерез. Внутри материала мишени, ионы 15 N страдают потерей энергии за счет электронного торможения. Этот эффект обеспечивает высокое разрешение по глубине, так как 1 H (15 N, αγ) 12 C ядерная реакция резонанса имеет очень узкую ширину (ширина Лоренцевы параметр Γ = 1,8 кэВ) и тормозная способность материалов 6,4 МэВ 15 N диапазонов между 1-4 кэВ / нм, так что прохождение ионов 15 N только через несколько атомных слоев достаточно , чтобы переложить свою энергию вне резонанса окна. Таким образом, резонансная реакция обнаруживает похороненный H на E I> E Рез в глубину зондирования D = (E I - E Рез) / S, где S является электроннымубойную силу анализируемого материала 3.

Путем измерения гамма-выход при сканировании N энергии ионов падающего 15 с небольшим шагом, получается ядерная реакция кривой возбуждения , которая содержит распределение плотности водорода по глубине в мишени. В этой кривой возбуждения (γ-выход по сравнению с 15 N энергии), фактическое распределение глубины H свернут с аппаратной функцией НРА , который добавляет преимущественно гауссово уширение и является основным ограничением для разрешения по глубине 3. На поверхности (т.е. при Е I = E Рез) гауссова ширина доминирует эффект Доплера из - за нулевых колебаний атомов Н по отношению к поверхности мишени. 11,27,28 Кривая доходности захороненного водорода обнаружен на E I> E Рез зависит от дополнительного гауссовой компоненты уширения из - за случайного 15 N энергии ионов straggliнг внутри мишени. Ширину стрегглинга увеличивается пропорционально квадратному корню из длины траектории иона в материале 29,30 и становится доминирующим разрешение ограничивающим фактором выше зондирования глубин 10-20 нм.

Чтобы продемонстрировать несколько очень типичных водорода профильной обработки с 15 N НРА, мы здесь иллюстративно описывать (1) количественную оценку степени покрытия поверхности H и объемной поглощен концентрации водорода в Н 2 подвергается палладий (Pd) монокристалла, и (2) оценка глубины и местоположения слоя водорода при плотностях захороненных интерфейсов SiO 2 / Si (100) стеков. Измерения NRA выполняются в солоде 5 М.В. ван-де-Граафа тандем ускорителя 31 из Университета Токио, который обеспечивает высокую стабильность и хорошо монохроматизированного (Е I ≥ 2 кэВ) 15 N ионного пучка 6-13 МэВ. Авторы разработали компьютерную систему управления для acceleratили для включения автоматического сканирования энергии и сбора данных для профилирования водорода. Отражая два различных NRA измерительных задач , представленный выше H профилирующих приложений, солоде объект обеспечивает две линии ионного пучка с помощью специализированных экспериментальных станций: (1) поверхностно - аналитическая система СВВ с одного германате висмута (BGO, Bi 4 Ge 3 O 12 ) γ-сцинтилляционный детектор, посвященный NRA количественному поверхностных водорода покрытиях, к нулевой точке колебательной спектроскопии и H глубины профилирования на атомарно контролируемых одиночных целей кристалла в уникальной комбинации с TDS; и (2) высокий вакуум-камера оснащена двумя детекторами BGO, расположенные очень близко к цели для повышения эффективности γ-детектирования, обеспечивая более низкого предела обнаружения Н и получение более быстрых данных. Эта установка не имеет никаких средств подготовки образцов, но позволяет быстрый обмен образца (~ 30 мин) и, следовательно, более высокую пропускную способность целей, для которых хорошо CONTROзаполненными поверхностный слой не является существенной частью аналитической задачи, такие как H профилирования на захороненных интерфейсов или количественному концентраций H объемной. На обеих линиях пучка, детекторы BGO эргономично расположены за пределами вакуумных систем, потому что гамма-лучи проникают тонкие стенки камеры с незначительным ослаблением.

Рисунок 1
Рисунок 1. Установка НРО в системе BL-1E СВВ. (А) Схематическое вид сверху в систему BL-1E СВВ , оборудованного распылени ионной пушки, низкой энергии дифракции электронов (ДМЭ) и оже - электронной спектроскопии (AES) для ин -situ подготовка атомарной упорядоченных и химически чистых одиночных целей поверхности кристалла и комбинированных НРА и измерения TDS с квадрупольный масс - спектрометр (QMS) , установленный на линейной стадии перевода. (Б) Pd монокристаллического образца прикрепленная на тон Держатель образца криогенной манипулятором. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

На рисунке 1 (А) иллюстрирует систему СВВ на линии луча (BL) -1e, которая полностью оборудована для приготовления на месте атомарной упорядоченных монокристаллических поверхностей и имеет базовое давление <10 -8 Па для поддержания чистоты поверхности. Для обеспечения доступа выборки для поверхностно-аналитические инструменты "BGO сцинтиллятор 4 размещен на оси 15 N ионного пучка ~ 30 мм позади цели. Образец устанавливается на стадии манипулирования с 4-оси для точной (х, у, г, Θ) определения местоположения и может охлаждаться жидким азотом до ~ 80 к или с сжимаются Он до ~ 20 К. на рис 1 (в) показан Pd одну цель кристалл , установленный с помощью точечной сварки проволок поддержки Ta к сжатию криостата He. Кварц лист распорки изолируйте SAMPL е держатель пластины электрически от корпуса криостата. Это дает возможность измерения тока ионного пучка , падающего 15 N , необходимое для количественного НРА и позволяет электронной бомбардировкой нагрева с вольфрамовой нити на задней стороне держателя образца. Тип K термопара точечной сваркой к краю образца Pd. Кварцевую пластинку , прикрепленную к оси манипуляторов над образцом используется для контроля профиля пучка ионов и для выравнивания образца пучка. Фиг.2 (а) показана установка на BL-2C с двумя 4 "детекторами BGO расположены под углом 90 ° по отношению 15 - Н пучка с лицевой стороны не дальше , чем 19,5 мм от оси пучка. держатель образца (рисунок 2 (в)) обеспечивает простой механизм фиксации для обеспечения быстрого обмена образца и позволяет вращения образца вокруг вертикальной оси для регулировки угла падения 15 N.

Iles / ftp_upload / 53452 / 53452fig2.jpg "/>
Рисунок 2. Установка НРА при BL-2C. (А) Схематическое вид сверху в большой вакуумной камере при BL-2C , снабженный двумя BGO гамма-детекторов , близких к заданному положению. (B) Держатель образца с большой целевой чип SiO 2 / Si (100) , закрепленной на. Запотевание этот тип образца с водяным паром после анализа НРО визуализирует пятна , которые были облучены пучком ионов 15 N. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

1. Планирование экспериментов

  1. Определение луча линии СОЛОД акселератора интерес в зависимости от измерительной задачи (BL-1E для поверхностного водорода, BL-2C для объема или на границе раздела фаз водорода). Обратитесь к помогающую ученым (в настоящее время MW или KF), чтобы обсудить детали измерений НРА и их необходимых препаратов.
  2. Скачать форму заявки пучкового времени и соблюдать сроки представления на веб - сайте СОЛОДА 31.
    Примечание: СОЛОД объект приглашает новых предложений по проектам каждый март и сентябрь для лета (апрель-сентябрь) и зима (октябрь-март) с половиной-летний срок, соответственно.
  3. Написать предложение пучкового времени и представить, как указано на сайте солод.
  4. После утверждения предложения, подтвердить график луча на срок предстоящей полтора года , как было объявлено на сайте СОЛОДА 31. Подготовка в области безопасности требуется для новых пользователей в начале срока.
  5. Подготовка к пучкового времени в ADVAсть. Рассмотрим все детали эксперимента, а также время , необходимое для транспортировки материалов, для установки образца, и особенно для монолитного подготовки поверхности в сверхвысоком вакууме (при необходимости). Готовые целевой образец для измерения NRA до начала времени луча.

2. Подготовка к НРА измерений при BL-1E (СВВ)

Примечание: Всегда носите перчатки при работе с инструментами и материалами, предназначенные для использования в вакууме, в том числе чистых инструментов.

  1. Установить единый образец кристалла в СВВ (см Рисунок 1 (B)).
    1. Установить спот-сварщика мощность до 3,5. Поместите монокристаллических образца на чистую, плоскую, непроводящего рабочей поверхности и точечной сварки двух 4-х сантиметровые кусочки тантал (Ta) проволоки (0,3 мм диам.) Параллельно к образцу края.
    2. Аккуратно согните провода, чтобы соответствовать вокруг края кристалла форму в условиях борьбы с изгибающие силы с помощью пинцета или плоскогубцев на точечной сварки точках. На длине ~ 1 см на каждом боку,pply 2-4 дополнительных точечной сварки указывает на паре проводов вдоль края кристалла.
    3. Согните концы проводов, чтобы указать расстояние от центра кристалла в горизонтальной плоскости, параллельной рабочей поверхности. Поместите образец с поддержкой проводов на пластине Та (толщиной 0,3 мм) держателя образца. Совместите образец, чтобы покрыть отверстие над нагревателем накаливания задней стороны и зафиксировать положение образца с помощью точечной сварки все четыре провода поддержки заканчивается на тарелку. Если это возможно, применить более одной сварочной точки до каждого конца проволоки, перемещаясь из проволоки наконечника в направлении образца.
    4. Срежьте любой чрезмерной длины провода, выделяясь из держателя пластины края. Установить спот-сварщика мощность до минимума и отпустить один импульс через точечной сварки клещами закрытым пустым. Тип Точечный наплавленного К (хромель-алюмель) термоэлемент (диаметром 0,2 мм) до верхнего края кристаллического образца.
    5. Подтвердить правильное подключение образца монтажа путем измерения сопротивления между электрическими контактами проходных на головке криостата: Накаливания против образца (бконтактный провод IAS прикреплен к образцу держателя пластины)> 20 МОм; Нить против земли (криостат тело)> 20 МОм; Нитевые провода (0,3 мм диам Вт.) <3 Ω; Термопара приводит: ~ 16 Ω; Термопара против земли> 20 МОм; Термопара против образца ~ 20 Ом и ~ 8 Ω (в зависимости от материала проволоки, хромель или алюмелевой).
    6. Обратите внимание, расстояние между центрами образца и профиля пучка монитора (кварцевая пластина).
    7. Заменить медную прокладку на манипулятором голову СВВ и осторожно вставьте криостат с установленным образцом. Затянуть болты фланца и эвакуировать системы СВВ следуя инструкциям из вспомогательном ученого.
    8. Подготовьте СВВ камеру для выпечки путем присоединения ленты Обогреватель и алюминиевой фольги. Убедите нормальную работу всех турбомолекулярным насосов в течение по крайней мере 30 мин и давлении <2 × 10 -4 Па. Включите камеры нагреватели испечь системы СВВ в течение 24 часов.
    9. Подтвердите ионную показание манометра ниже 1 × 10 -5 Па. Выключить нагреватель для выпечкиs. Реактивируйте неиспаряемый геттер (NEG) насос с внутренним нагревательным элементом при 400-450 ° С в течение 30 мин в то время как камера по-прежнему жарко.
    10. Пусть камера остыть в течение 3-4 ч, а затем повторно подключить QMS электронику и кабели питания для ионной пушки и LEED оптики. Дега нити, СУК ионной пушки и LEED. Убедитесь , что камера базовое давление составляет <1 × 10 -8 Па после полного охлаждения до комнатной температуры ( в пределах 12-24 ч).
  2. Подготовка поверхности монокристалла в СВВ (см Рисунок 1 (А)).
    1. Образец Позиция в центре камеры с манипулятором х, у, г-стадии и вращать, чтобы выровнять поверхность между видовом и ионной пушки (обращенной газовой дозатором). Включите ионной пушки источника питания и настроить управление "выбросов" до 20 мА. Посмотрите на образец через окна просмотра и тонкой регулировки угла поворота образца таким образом, что зеркальное отражение светящейся ионной пушки нить видна на поверхности образца.
    2. Установить '' Энергия пучка на ионной пушки роWer поставлять до 800 эВ. Задвижка Закрыть NEG насос в нижней части камеры и ввести 6 × 10 -3 Па Ar газа в СВВ камеру через клапан переменного утечки. Подтверждение распыления ионного тока (цифровой тестер, от образца к земле) около 2 мкА и бормотать поверхность в течение 10 мин при комнатной температуре.
    3. Добавить жидкий азот к манипулятору криостата. На манипулятором головке, подключите нагреватель нити приводит к источнику питания и цифровой тестер (20 мВ диапазона) до термопарой проходным отверстием. Смолоть нить.
    4. Подключение контакта образца к напряжению смещения источника питания. Применить смещение выборки 1 кВ. Используйте нагреватель нити накала токи до 6,6 А для отжига, окисления и флэш-нагрева в следующей стадии (2.2.5) при мониторинге термопара напряжения (температуры образца) с цифровым тестером.
      ВНИМАНИЕ: НИКОГДА не прикасайтесь цифровой тестер или манипулятором голову в то время как образец является предвзятым (риск смертельного поражения электрическим током!).
    5. Отжиг образца в СВВ до 1000 К в течение 10 мин обеспечивает давлениеостается ниже 2 × 10 -7 Па. Окислить при 750 K в 5,0 × 10 -5 Па O 2 в течение 5 мин, затем снижают при комнатной температуре (RT) в 5,0 × 10 -5 Па H 2. Выполните окончательное мигание до 600 К в СВВ.
    6. Соблюдать LEED шаблон и повторите шаги 2.2.1 2.2.2 (напыление) и 2.2.3. 2.2.5 (отжига / окисления / H 2 -уменьшение) до получения прозрачного (1 × 1) структуры с яркими пятнами на фоне низких результатов (рисунок 3) и отсутствие примеси остаются в оже - электронной спектроскопии 32. Sputter лишь 2-3 мин в повторных циклов распыления / отжига.
    7. (опционально) Добавить жидкий азот к манипулятору криостата для охлаждения образца до 90 К и выставить несколько Langmuirs (л) H 2 газа (1 л = 1,33 × 10 -4 Па). Выполните измерение TDS и , наконец , проверить , что тепловой спектр десорбция H 2 согласуется с литературными данными 15.
      Примечание: Препараты необходимозаранее времени пучка NRA В настоящее время завершена. Целевая чистая поверхность теперь могут быть получены обычно в течение ~ 2-3 ч, повторив шаги 2.2.1 через 2.2.6 с распыляемых циклов 2-3 мин.

Рисунок 3
Рисунок 3. картина ДМЭ (223 эВ) очищенную Pd (110) в системе BL-1E СВВ. Прозрачный (1 × 1) узор с яркими дифракционных пятен на низком фоне означает атомарно хорошо упорядоченную структуру поверхности. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

  1. Совместите 15 N ионного пучка на одной мишени кристалла.
    1. В камере 1E СВВ, положение образца в центре камеры (х = 25, у = 26, отрегулируйте г на глаза к высоте QMS передней апертуры) и поверните к лицу 15 N ионлуч линии. Доведите кварцевой пластинкой профиль пучка монитор (Рисунок 1 (B)) в положение измерения НРА путем опускания держателя образца расстоянием образца монитора , измеренный на этапе 2.1.5. Установите цифровую камеру на окно фланца ниже манипулятором для передачи профиля луча изображения на кварцевую пластину на телевизионный монитор в комнате управления акселератором.
    2. Удалите все остальные электрические контакты к образцу на манипулятором голову и подключить линию сигнала к цифровому интегратора тока в диспетчерской. Установить напряжение электростатического дефлектора на BL-1E до 8500 В. Откройте три ручных задвижек на BL-1E между камерой СВВ и изгибающего магнита BM04.
    3. Получить указания, оказывающей помощь ученым, чтобы ознакомиться с системой управления акселератором в диспетчерской.
      Примечание: Параметры ускорителя (такие как балки энерго- и направления определяющих полей магнитов и фокусирующих линз) устанавливаются с назначаемыми циферблатов на центральной панели управления. Beam линейные клапаны и Фарадея чашкидистанционно открывать / закрывать с помощью щелчков мыши и пневматического привода.
    4. В комнате управления, переключатель интегратора тока от "Stand By" режима в "работа". Подключите аналоговый выход интегратора к текущему показателю. На панели управления ускорителя, регулировать энергию 15 N ионного пучка с ускорителя в режиме обратной связи с щелевой магнитного поля анализатора энергии из 5,535 Гаусс (параметр: NMR03) и соответствовать изгибу магнит поля (параметр HPB04) до ~ -6,033.4 Гаусс прямого ионного пучка на мишени в 1E СВВ камере. Набор магнитных квадрупольных параметров объектива (MQ04) до XCC = 4,64 А и ЮКЦ = 5,15 А, чтобы сфокусировать луч приблизительно.
    5. В контрольной комнате, открыть два задвижки между ускорителем и луча линии 1Е. Открытый Кубок Фарадей (FC) FC04 и наблюдать ионный профиль пучка на кварцевой пластины в камере мишени на телевизионном мониторе. Точная настройка BM04 и настройки параметров MQ04 получить хорошо сфокусированного ионного пучка в центре профиля монитора пластины. Отрегулируйте положение Z-кварцевого монитора с образцом manipulatили, если это необходимо.
    6. Закрыть Фарадея FC04 и поднимите образец Z-позицию снова расстояния образец-монитора. Примите к сведению / HPB04 / MQ04 (ХСС, ККМ) параметров NMR03 и сохранить их в новом файле MagparNNN.xls для текущего времени пучка (NNN, трехзначное число).
      Примечание: На основании этого опорного сигнала NMR03 / HPB04, MagparNNN.xls вычисляет параметры согласования магнита поля для энергии-анализа (BM03) и направления коммутации (BM04) магниты необходимо держать позицию ионного пучка на мишень в течение 15 N энергия сканирования.

3. Подготовка к НРА измерений при BL-2C

  1. Поднимите все ранее используемый образец из положения луча линии в к передаточному Манипулятор стержня, безопасной высоты с фиксацией винтом, и закрыть задвижки на линии пучка.
  2. Отделить образец линии тока на электрическую и проходным отверстием насоса роторного линии в KF фланцевой муфтой манипулятора. Отделить манипулятором от фланца задвижки. Поместите манипулятором на стол подготовки и держатель образца слайдов из передаточной трубки. Поворот оси манипулятора, чтобы поместить образец в горизонтальном положении.
  3. Ослабьте два винта M2 крышки зажима образца (рис 2 (B)) и удалить старую цель. Установить новый образец, выровняйте параллельно оси манипулятора, и затяните зажимные винты. Отвод образец в передаточную трубу и безопасное положение с фиксацией винтом.
  4. Заменить медную прокладку на задвижку и переустанавливать манипулятором на линии пучка. Приложить роторный насос линию манипулятора. Закрыть клапан в роторной линии насоса к турбомолекулярным насоса (TMP).
  5. Открыть поворотный клапан линии насоса манипулятора и эвакуировать передаточную трубу в течение 10-15 мин, чтобы восстановить поворотное основание давления. Закрыть линейные клапаны Манипулятор насос и откройте клапан в роторной линии насоса к ТМП. Медленно откройте задвижку к манипулятору и эвакуировать в течение 20-30 мин для восстановления 2-3 × 10 -3 Па.
  6. Нижний образец положения луча линии и выравнивания поверхности неRMAL профильного луча монитора (стеклянная пластина) для падающего направления пучка с помощью BL-2C камеры и рядом телевизора монитор. Затем соедините BL-2C сигнальную линию камеры к ТВ-монитор в диспетчерской. Открыто два пневмосистемами задвижки на BL-2C между камерой НРА и изгибающего магнита BM04.
  7. Подключите образец тока сигнальной линии между электрическим проходным отверстием образца манипулятора и цифрового интегратора тока (БЩУ). В комнате управления акселератором, переключатель интегратора тока от "Stand By" режиме "работа" и подключить аналоговый выход интегратора для текущего монитора.
  8. Грубо выровняйте 15 N ионного пучка на цели в BL-2C, установив изгибающий поле магнита (параметр HPB04) до ~ 0,6 Гс (Полярность: положительная), магнитная квадрупольных линз MQ04 параметры для XCC = 4,64 А и ККМ = 5,15 А и квадрупольного линзы MQ-2C параметры а = 3,3 а и в = 3,6 а, чтобы фокус пучка приблизительно.
  9. Тонкая настройка HPB04 / MQ04 (ХСС, ККМ) / MQ-2C (A, B) параметры для оптимизации луча ступион (свободный проход к целевой) и профиль пучка на мишень (использование пучка профилей мониторов BPM-1C и BPM-2C и BL-2C изображение с камеры) и принять к сведению оптимальные настройки.

4. НРА Измерение при BL-1E

  1. Флэш-тепла Pd образца до 600 K, чтобы освободить поверхность от любых адсорбированных загрязнений. Стабилизировать температуры образца при 145 К с нагревателем накаливания (~ 3,6 А) и работает на сжатие He криостат (или охлаждения жидким азотом).
  2. Закройте клапаны для акселератора и NEG насоса и выставить образец 2000 LH 2 (2,66 × 10 -3 Па × 100 сек) при 145 K. Пусть образец охлаждают до 80 K и отрегулируйте H 2 фоновое давление 1 × 10 -6 Па ,
  3. В контрольной комнате, установите 15 N энергии ионов пучка на BM03 до желаемого начального значения для энергетического сканирования (обычно NMR03 = 5525 Гаусс) и отрегулируйте BM04 в соответствии с таблицей MagparNNN.xls.
  4. Загрузите программное обеспечение для сбора данных НРА (NRAmain.vi) на ускорителе Controл PC на BL-2C. Глубину профилирование рутина 'AutoScanLinuxUHVfb3.vi'. В AutoScanLinuxUHVfb3.vi, кнопка "Читать текущие значения 'передавать текущие значения параметров магнита к программному обеспечению управления ПК.
  5. Еще раз Убедитесь , что все вентили на BL-1E открыты, что выборка тока сигнальной линии подключен, что ток дигитайзер установлен в положение "работа", и что 15 Н луч идеально 15 ± 5 нА доступно на FC04.
  6. Установите стат START, STOP и значения STEP параметра BM03 для энергетического сканирования (обычно 5,525 Гаусс, 5600 Гаусс, и 1 Гаусс, соответственно) и включите опцию 'Force TVC к ПМТС' на. Для ~ 15 нА пучка 15 N 2+, установите параметр "время захвата" до 50 сек.
  7. Нажмите кнопку "Execution" стрелка в AutoScanLinuxUHVfb3.vi консоли, чтобы начать автоматическое приобретение профиля глубины (до ~ 35 нм Глубина в Pd для Stop = Гаусс) 5600. По окончании сканирования (или на более ранней Terminвания), нажмите кнопку "Остановить измерение", чтобы закрыть файл данных.
  8. Переключатель тока дигитайзер в 'Режим ожидания' режиме, отделить образец линии тока от образца манипулятора проходным отверстием, и закройте последний задвижку на BL-1E перед камерой СВВ.
  9. Остановить дозировку фона H 2 газа путем закрытия клапана переменной утечки. Открыть задвижку NEG в нижней части камеры СВВ. (Необязательно: Возьмите TDS спектр H 2 образца.)
  10. Для получения дополнительных НРА измерений ( по желанию), повторное обнажить Pd (110) поверхности к H 2 , как указано в шаге 4.2 и повторите шаги 4.3 через 4.9.

5. НРО Измерение при BL-2C

  1. В контрольной комнате, установите 15 N энергии ионов пучка на BM03 до требуемого значения START для энергетического сканирования (обычно NMR03 = 5525 Гс , чтобы начать профилирование на поверхности).
  2. Загрузите программное обеспечение для сбора данных НРА (NRAmain.vi) на устройства управления акселератором ПК на BL-2C. рутина профилирование Выбор глубины'AutoScanLinux11.vi'. Введите требуемые параметры BM03 для автоматизированного энергетического сканирования (START, STOP, STEP), соответствие START значению BM03, установленного на шаге 5.1. Для настоящих образцов SiO 2 / Si, установить "время захвата" до 50 сек.
  3. Еще раз Убедитесь , что все вентили на BL-2C открыты, что выборка тока сигнальной линии подключен, что ток дигитайзер установлен в положение "работа", и того, что 15 N 2+ луч 50-100 нА доступен на FC04.
  4. Нажмите на кнопку "Execution" стрелку "AutoScanLinux11.vi", чтобы приобрести профиль глубины, которая автоматически прекращает свое действие при значении СТОП параметра BM03. В конце сканирования (или досрочного прекращения), нажмите кнопку "Стоп измерение", чтобы закрыть файл данных.

Анализ 6. Данные

  1. Копирование * .nra исходные файлы данных в / главная / csadmin / DataTaking / BTNNN с ПК приобретения (NNN является номер текущего времени луча) на флэш-память USB и трansfer для анализа данных ПК.
  2. Запустите самодельный пакет программного обеспечения для анализа НРО данных и открытой процедуры "НРА-Linux-2C-v3.ipf '. Получить процедуры НРО-анализ-2C-v4.ipf, LinuxAddOn-3-v3.ipf, и меню-NRA.ipf и скопировать их в папку, содержащую данные Igor Подпрограммы пользователя.
  3. Компилировать процедуры и выберите "Загрузить NRA данные" в появившемся меню "НРА". Выберите файл данных, измеренных в соответствии с пунктами 4 или 5, и нажмите кнопку "Продолжить" в появившемся всплывающем окне.
    Примечание: Программное обеспечение генерирует два графика выхода из измеренных данных: 'необработанных данных' (необработанные гамма-счетчики (GRS) по сравнению с NMR03 магнитным полем , как показано во время сбора данных), а также "НРА спектр ', что соответствует кривой возбуждения (background- вычитаются и падающего заряда нормирована γ-выход (I норма) по сравнению с 15 N энергии ионов).
  4. Выбор "правильного образцов текущие показания" из меню "НРА" и выберите "RecalcУлате ISC (вся волна) от усредненного коэффициента ISC / IFAR (например, образец без смещения) "вариант из выпадающего меню для изменения масштаба заряда ионного пучка чтение из текущего дигитайзером до фактического размера (мкКл), отнесенная к усредненному FC04 луча текущие показания всего набора данных. Удалить след 'Inorm_by_Faraday' из графика 'НРО спектра'.
    Примечание: Нормализация к этому масштабируется интегрированный инцидент заряда является предпочтительным (более нормализации к току Фарадея) , поскольку он лучше отражает 15 N заряд ионов , что на самом деле попадает в цель , чем ток FC04. Последнее измеряется только один раз перед открытием Фарадея (для доставки луча на мишень) и, следовательно, не учитывает пучка флуктуации тока, которые всегда возникают в какой-то степени, в течение времени сбора данных для каждой точки данных. Изменение масштаба обязанность образца необходимо, так как текущее показание дигитайзер завышает фактический падающий ионный пучок заряда за счет вторичных элectron излучение от мишени.
  5. Определить величину NMR03 , соответствующий Ерез (максимальное положение поверхности резонансного пика на графике "сырые данные"). Если он отличается от значения по умолчанию программного обеспечения 5,535 Гаусс, исправить запись (при необходимости также на Останов значение мощности), выбрав 'ЯМР, энергии и шкала глубины' рутина из меню "НРА".
  6. Если фоновая скорость (сП) коррекция возникла необходимость, использовать первую функцию 'правильные показания Фарадея пересчитать нормированный гамма-выход из необработанных данных (GRS) после пересмотра фоновое значение, введя поправочный коэффициент 1 (для FC04 тока). Затем запустите функцию "правильного образца текущие показания" снова (этап 6.4) произвести перерасчет и заряд нормализованы гамма-выход с пересмотренным фона в правильно масштабируемой отношению к FC04 Фарадея.
  7. Участок заряда нормирована γ-выход по сравнению с глубиной в верхней оси для отображения свернутых гидроРаспределение глубины поколения (Рисунок 4).
  8. Добавить планки погрешностей в графе, используя соответствующую функцию из меню "НРА". Всякий раз, когда это возможно, предпочитают зарядовой нормализацию.
    Примечание: статистика подсчета определяют погрешность Δ I НРА гамма-выходом, I = GRS - Фон, через ошибки размножаемых неопределенности измеренных исходных отсчетов, Уравнение 1 и фона, Уравнение 1 следовательно, вычисляет, как: Уравнение 1 , Столбики ошибок в глубине профиля графиков (рисунки 4 и 5) Δ I = норма Δ I / падающего пучка ионов заряд.
  9. (необязательно) Выполните пригодное анализ данных с соответствующими функциями модели 3.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

На рисунке 4 показано приповерхностный НРА H профили H 2 -exposed Pd (110) , измеренная в системе BL-1E СВВ при температуре образца 90 К при Н 2 остаточное давление 1,33 · 10 -6 Па. Энергия 15 N падения ионов была преобразована в глубину зондирования , используя тормозную способность Pd (S = 3,90 кэВ / нм). Открытый профиль символ был получен после того, как предварительно обнажая Pd (110) образца до 2000 LH 2 при 145 К , чтобы вызвать поглощение водорода в Pd объеме 15. Этот профиль может быть разложен на пик при Е = Рез 6.385 МэВ и широким γ-выход плато , простирающейся по всей профилированного глубине региона. Пик при Ерез , соответствующий Н на поверхности мишени, в то время как область плато доказывает , что поглощение водорода в объеме Pd имеет место. Пик поверхность имеет почти гауссову форму. Чтобы продемонстрировать это лучше, 2 фоне давления со свежеприготовленным Pd (110) поверхность без H 2 предварительной дозировки. При этой температуре только поверхность хемосорбируясь водород устойчив при Pd (110); любая впитывается H будет диффундировать в глубоком объеме и уйти от обнаружения НРА в приповерхностной области. Установка пика поверхности к гауссовым профилем дает высоту пика I макс = 86,9 ± 4,5 / мкКл КТС и ап: Уравнение 1 где σ является гауссовым параметром ширины. Из гауссовой площади пика: Уравнение 1 и эффективность регистрации γ-луч установки BL-1E (калибруется с Kapton (C 22 H 10 O 5 N 2) N стандарта фольги точно известной концентрации Н (с насыпью </ суб> = 2,28 × 10 22 см -3) и тормозное усилие S = 1,2879 кэВ / нм) α = 7,56 × 10 -13 [(КТС / мкКл) кэВ см 2], один определяет плотность абсолютной H (N s) на H 2 -exposed Pd (110) опалить кристалл , как N s = I S / a = 1,42 × 10 15 см -2. По отношению к плотности атомов Pd на поверхности (110) Pd 9,35 × 10 14 см -2 это соответствует H покрытия 1,52 ± 0,13 мл (монослоя), в очень хорошем согласии с величиной литературы (1,5 мл) 15, 33,34.

На рисунке 4 показано также , что разрешение по глубине профиля НРА H в приповерхностной области ограничена шириной поверхности резонансного пика примерно 2-3 нм (≈FWHM / S). Поэтому, любые резкие особенности в профиле H, такие как изменение γ-выход точка-точкаS увидеть вокруг 16 нм глубина может не соответствовать реально существующим крутым концентрационные градиенты H, потому что такой будет размазан по ширине поверхности пика и дополнительному уширению энергии из - за 15 N ионов стрегглинга 3. Следовательно, γ-выход гофры в области плато профиля Н (от 5 до глубины 22 нм) отражает колебания BGO фоновой скорости счета (отдельные измерения фона подтверждают, что такие случайные флуктуации происходят) и не содержат физическую информацию о глубине распределение Pd-поглощенного водорода. Последнее распределение , как ожидается, будет достаточно гладкой в гомогенном монокристалла, где Н диффузия протекает быстро (несколько 100 нм / с даже при 145 К) 3,13,15. Таким образом, приблизительно постоянной концентрации сыпучего-поглощенного водорода в приповерхностной области кристалла Pd после облучения до 2000 LH 2 при 145 K может быть оценена путем подгонки данных плато на рисунке 4 к сигмовидной Functioп , который поднимается на его полувысоте в Ерез с той же ширины, что и гауссовой поверхности пика 3. Этот анализ определяет высоту плато я Bulk до 15,4 ± 1,3 / мкКл к.т.н.. С Pd убойную силу S = 3,9 кэВ / нм, то , таким образом , получает объемная концентрация H , как с насыпью = I набухают S / a = 7,94 × 10 20 см -3, или 1,2% от атомной плотности в объемном Pd (последний уравнение также используется для калибровки альфа после того, как измерив я набухают в стандарте каптоновом 3). Эта объемная концентрация H означает , что тонко распределенные зерна Pd гидрида (который имеет H / соотношение Pd около 0,65 при этой температуре) имеет зарождаться в приповерхностной области кристалла Pd во время его экспозиции до 2000 л (2,66 × 10 - 3 Па × 100 сек) H 2 при 145 к, так как растворимость H в твердой фазе разбавленного раствора из Pd составляет менее H / Pd = 5 × 10 -4 при этой температуре и давлении Н 2.

На рисунке 5 показана 15 N NRA глубина профилей из серии SiO 2 / Si (100) суммируется , как они могут быть измерены при BL-2C. В SiO 2 пленки имели толщину 19,0, 30,0 и 41,5 нм 35. В дополнение к пику поверхности водорода при Ерез, все профили показывают второй пик при большей глубине, что указывает , что распределение Н в оксидной пленке, по- видимому , не однородна. Положение этого второго пика смещается в сторону большей глубины с увеличением SiO 2 толщиной пленки. Оптически определено SiO 2 толщина пленки обозначается вертикальной пунктирной линией на каждой панели (I) - (III). Близкий осмотр показывает , что центральные положения пиков профиля NRA расположены с небольшим смещением ~ 4 нм над соответствующими интерфейсами SiO 2 / Si. Это свидетельствует о том, что водород имеет тенденцию к Accuне совсем могут накапливаться в но в области, распространяющейся через несколько нанометров оксида в передней части интерфейса. Это своеобразное поведение локализации H было связано с почти на границе раздела фаз SiO 2 структуры, где большое количество деформаций и суб-оксида 36 дефектов , связанных с льготными обеспечивают сайты связывания для видов водорода 37. Напряженные межфазные результаты региона с уменьшением плотности атомов Si с коэффициентом ~ 2 в резком переходе из кристаллического кремния аморфного SiO 2. Для количественной оценки соответствующей поверхности и вблизи межфазных пики были приспособлены к гауссовой функции , которые показаны сплошными линиями на рисунке 5. С учетом анализа , эквивалентную той , которая описана выше для пика поверхности Н на Pd (100) показывает , что в ближней границе раздела фаз оксидные регионов SiO 2 / Si (100) стеки пленка содержала плотность H слоя (1,0-1,3) × 10 14 см -2.


Рисунок 4. приповерхностных NRA H профили Pd (110) , полученные в системе BL-1E СВВ под H 2 фоне 1,33 × 10 -6 Па Открытые символы:. Предварительно подвергается воздействию 2000 LH 2 при 145 К, NRA измеренная при 90 К. Заполненные серых и черных символов: два профиля , измеренные при 170 K без H 2 предварительной дозировки. Обратитесь к примечанию в процедуре Шаг 6.8 для расчета штрих - ошибка. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 5
Рисунок 5. НРО Н -образным профилем из трех SiO 2 пленки на поверхности Si (100) , измеренная в системе BL-2C. NRA H-образные профили для йРЗЭ SiO 2 пленки на Si (100) с толщиной (I) , 19,0 нм, (II) , 30,0 нм, и (III) , 41,5 нм. SiO 2 / Si (100) позиции интерфейса обозначены пунктирными вертикальными линиями. Эта цифра была адаптирована из работы. 35 с разрешения AIP. Обратитесь к примечанию в процедуре Шаг 6.8 для расчета штрих - ошибка. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

Рисунок 4 демонстрирует эффективное различие и количественная оценка поверхности адсорбируют из насыпной-поглощенного водорода через 15 N НРА на примере Pd (110) монокристалла в системе BL-1E СВВ. Высокая воспроизводимость пика поверхности H в трех профилях , свидетельствует о надежности препарата СВВ образца на месте и к неразрушающему характера измерения НРА. Количественное согласие определенной покрытия H с ожидаемой атомной плотности насыщения дополнительно показывает точность измерения НРА. Закрыть сравнение между профилями НРО H 2 предварительно подвергается Pd (110) (открытые символы) и две кривые возбуждения всего поверхностного водорода на Pd (110) (серые и черные символы) на рисунке 4 показывает , что пик поверхности в бывшие хвосты Н-образным профилем асимметрично по отношению к плато насыпной-поглощенного водорода в верхнем ~ 5 нм. Такая тонкая деталь потенциально не форраспределения водорода м близко ниже поверхности могут быть выявлены только через НРА. Аналогичное накопление Н в неглубокой приповерхностной области также наблюдается в других металлах (Pt, Ti) 11,14. Происхождение этого конкретного поведения H в приповерхностной области в настоящее время не выяснена , но с научной точки зрения интересно в отношении надлежащего понимания специфические свойства поглощения водорода наноматериалов 17 , в отличие от протяженных массивных металлов.

Несколько критических параметров должны соблюдаться в Протоколе , с тем чтобы получить данные высокого качества , такие , как те , на рисунке 4. H 2 фоновое давление введено в шаге 4.2 (1 × 10 -6 Па) является осознанный выбор таким образом , чтобы стабилизировать H покрытие -saturation на поверхности Pd, уравновешивая NRA ионный пучок индуцированного H-десорбция через Н-реадсорбции из газа Н 2 , с одной стороны, в то время как в то же время избегая поглощение Н в объеме Pd при H <суб> 2 поглощения, с другой стороны . Если давление H 2 была слишком высока, H поглощение при анализе NRA вызовет постепенное увеличение сигнала НРА на Ерез, так как поверхность резонансного пика перекрывает примерно 2 нм верхнего Pd объемной области, где H может аккумулировать, особенно при более низких температурах , чем те , в опытах на рисунке 4. 13-15,18 Таким образом, для H-поглощающих материалов , таких как Pd или Ti, уместности фоновой настройки H 2 должен быть проверен, подтвердив , что Г- выход на Ерез остается постоянной в масштабе времени , необходимого для измерения поверхностного резонанса профиля. Это осложнение не возникает для большинства материалов , которые не поглощают водород при низком давлении Н 2. Здесь Количественное охвата насыщения поверхности H легко выполняется после наблюдения насыщения гамма-выходом на Ерез , когда H 2 фона давление stepwISE увеличена (до максимум 10 -2 Па переносимой системой вакуумного насоса).

Заметим далее , что данные на рисунке 4 , были приняты с током 15 N 2 + шириной 15 ± 5 нА (этап 4.5). Этот ток пучка оказалась достаточно высокой, с одной стороны, чтобы разработать достаточно интенсивные гамма-сигналы от плотности насыщенного слоя атомов поверхности Н с точки зрения приемлемых статистических данных и общего времени измерения, а также, чтобы быть по-прежнему достаточно пологий , с другой стороны, чтобы избежать чрезмерной H десорбцию (что бы снова требуют более высокого Н 2 фоновое давление для компенсации) и нагрев образца (что может привести к изменению распределения глубины Н путем термодиффузии).

Хотя техника НРА является универсальным и легко применять для определения плотности Н поверхностного слоя на наиболее вакуумными совместимых твердых материалов, ограничения возникают по отношению кОбнаружение особенно слабо адсорбированными Н-видов , которые не могут быть устойчивы к десорбции под N ионного облучения пучком падающего 15 даже при потере компенсирующих H 2 газа фона (<10 -2 Па). Например, авторы еще не удалось наблюдать поверхностных Н-видов с температурами десорбции (TDS) ниже ~ 70 К с НРА. Тенденция Н десорбция из образца или перераспределить внутри мишени путем диффузии под пучком ионов сильно варьирует между различными целевыми материалами и следует оценивать как часть любого данного анализа путем мониторинга гамма-выход на глубину зондирования интерес как функцией от дозы ионного пучка. Без компенсирующего H 2 фона применительно здесь Pd (110) , где легко, во многих случаях может наблюдаться более или менее выраженный экспоненциальный спад сигнала H-H readsorbs. Измерительные и экстраполируя такие функции Н-потери к нулю 15 N экспозиции позволяет воспроизводить исходные H притоновности или внутри мишени до возмущении ионного пучка (подробнее см. 3). Если позволит размер мишени, уменьшая плотность тока (нА / см 2) в пучке облученной поверхности пятна дефокусирующими ионного пучка с помощью магнитных линз MQ04 (протокол Шаги 2.3.5 и 3.10) может смягчить потери H в течение анализ. В общем случае , избыточные 15 N дозы ионов следует избегать , поскольку они могут привести к физическому повреждению поверхности мишени в виде дефектов, которые могут изменить адсорбции Н (и поглощения) свойств. В случае монокристаллов, то LEED структура поверхности и форма H 2 TDS спектра 15 Поэтому следует регулярно проверять. При обнаружении какой-либо аномалии, повторно подготовить поверхность свеже, как указано в инструкции (для Pd (110)) в протоколе Шаги 2.2.1 через 2.2.6.

На рисунке 5 продемонстрировано на примере тонкой пленки SiO 2 / Si (100) стеки , что глубина водорода профилирование анальныйлиз 15 N НРО может прямолинейно определить глубину расположения вблизи межфазных слоев Н и плотность Н в ней без разрушения материала образца. Однако следует отметить, что накопление Н в межфазных областей , замеченных в профилях глубины могут частично быть результатом самого анализа НРА, так как 15 N Ионное облучение может вызвать перераспределение водорода в материале. Это хорошо известный эффект 35,38-40 и любое возможное перемещение H в ходе анализа НРА следует проверить путем измерения эволюции концентрации H на глубине пика накопления на необлученного образца месте в ходе продолжения 15 N иона облучение. Хотя этот пучок индуцированный Н перемещение эффект может сделать определение исходного распределения Н в образце несколько более трудным, она может быть использована для аналитических целей в диэлектрических исследований надежности для оценки H тенденции перераспределения между интактными интерфейсов (модели) ул устройства MOSuctures, предоставляя информацию о относительных существенных специфических H подвижностей. 3,26

Что касается предела обнаружения H измерения NRA, мы отмечаем , что установка в BL-2C с его телесный угол больше обнаружения BGO (рисунок 2 (А) имеет более чем в два раза большим калиброванного коэффициента эффективности γ-детектирования (α 2C = 1,79 × 10 -19 (КТС / мкКл) (кэВ / нм) см 3) , как и в BL-1E (1E α = 7,56 × 10 -20 (КТС / мкКл) (кэВ / нм) см 3)) и , следовательно , обеспечивает более высокую чувствительность , благоприятный для измерения низких концентраций H в материалах , которые не требуют на месте подготовки поверхности. Фоновый скорость счета в нашей системе γ-детектирования в настоящее время ~ 0,1 сП, устанавливая предел обнаружения для объемных концентраций Н в твердых телах в порядка 100 частей на миллион (несколько 10 18 см -3) с 100-нА пучок 15 N 2 + при BL-2C. В настоящем экзаменеПлес, эта повышенная чувствительность (в сочетании с более сильным ионным пучком), допускается измерение поверхностного и межфазного плотности слоя H в SiO 2 / Si стеки то же время приобретения (50 сек) , как примерно на порядок величины большей поверхности Н насыщение слой на Pd (110) (сравните вертикальные шкалы оси на фигурах 4 и 5). Требуемое время сбора определяется желаемым статистики подсчета, заданную плотность Н в и ток пучка ионов в 15 N переносимой цели. Время обнаружения также определяет временное разрешение для наблюдения скоротечно развиваются плотности H таких, как при адсорбции, десорбции, поглощения или диффузии водорода на или в материалах.

Чем выше вакуум базовое давление на BL-2C (~ 1 × 10 -5 Па) может привести к отложению Н-содержащих загрязняющие вещества из остаточного газа на поверхности мишени во время измерения NRA 41. Это может повторноSult в больших поверхности Н пиков в профилях глубины , которые могут перегрузить особенности интерес непосредственно под поверхностью, аналогичной (но хуже) , как видно, например, в перекрытии с неглубокой SiO 2 / Si на границе раздела фаз пика на рисунке 5 (I) , Большое содержание H в поверхностном слое также негативно влияет на оценку малых концентраций объемной Н в больших глубинах (зондирующих Е я> ~ 9 МэВ) путем индукции γ-лучей фона , обусловленного нерезонансной ядерной реакции с выходом 42. Хотя система BL-2C в настоящее время уже имеет 10-см толщиной свинца (Pb) защитные блоки для детекторов BGO (не показаны для ясности на рисунке 2) , которые снижают скорость счета фона γ-излучения окружающей среды, дальнейшее улучшение обнаружения H ограничение может быть достигнуто за счет реализации несовпадения экранирование для детекторов, которые могут уменьшить фоновые сигналы из - за высокой проникающей радиации космическое мюонную 43.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgments

Мы высоко ценим М. Мацумото внедрения программного обеспечения, которое позволяет автоматизированного измерения профилей глубины NRA H удаленно управлять параметрами СОЛОД акселератора с ПК сбора данных. Мы благодарим К. Намба за умело исполняющих Pd (110) препаратов образцов и НРО и измерения TDS в системе BL-1E СВВ и C. Накано за техническую помощь в работе ускорителя. (100) образца SiO 2 / Si с благодарностью получил в качестве любезности З. Лю NEC Corporation, Япония. Работа выполнена при частичной поддержке грантов-в-помощь по научным исследованиям (номера грантов 24246013 и 26108705) Японского общества содействия развитию науки (JSPS), а также через дотация для научных исследований в области инновационных направлений 'Материал конструкции через Computics: Комплексная Корреляция и неравновесная динамика "от Министерства образования, культуры, спорта, науки и технологии Японии.

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

Машиностроение выпуск 109 Водород Количественное профилирование по глубине поверхность водорода навалочных водород интерфейс водорода анализ ядерной реакции анализ ионного пучка
Количественное водорода концентрации в поверхностных и интерфейсных слоев и сыпучих материалов через профилирование по глубине с анализом ядерной реакции
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