핵 반응 분석과 깊이 프로파일 링을 통해 표면 및 인터페이스 레이어 및 대량 재료의 수소 농도의 정량화

요약

우리는 ¹ H의 적용을 도시한다 ⁽¹⁵ N을 αγ) 정량적 부피, 표면에 수소 원자의 농도를 평가하고, 고체 물질의 계면 층에 ¹² 개의 C 공진 핵반응 분석 (NRA). ₂ /시 (100) 스택 PD (110) 단결정 및 그런가의 표면 근처의 수소 깊이 프로파일 설명한다.

초록

공진 ¹ H 통해 핵반응 분석 (NRA) ⁽¹⁵ N은 αγ) ¹² C 반응은 정량적 비파괴 계면의 표면에서 수소 농도 분포를 보여준다 깊이 프로파일의 매우 효과적인 방법이며, 체적에 높은 깊이 해상도 고체 물질. 이 기술은 정전 가속기가 제공 6.385 MeV까지의 ¹⁵ N 이온 빔을 적용하고 구체적으로는 약 2 ㎛의 타겟 표면까지의 깊이의 ¹ H 동위 원소를 검출한다. 표면 H 커버리지가 10 ~ ^13cm 정도의 감도로 측정 ^-2 (~ 1 통상 원자 단층 농도 %) 10 ~ ^18cm의 검출 한계와 H 체적 농도 ^-3 (~ 100있다. PPM ). 가까운 표면 깊이 해상도는 대상에 표면 정상 ¹⁵ N 이온 발생 2-5 나노 미터이며 ADOP에 의해 매우 평평 대상에 대해 1 나노 미터 이하 값으로 향상 될 수있다팅 표면 방목 발생 형상. 상기 방법은 다양하고 용이하게 매끄러운 표면 (기공)이 모든 호환 가능한 고 진공 균질 재료에 적용된다. 도전성 타겟은 보통 무시할 열화 이온빔 조사를 허용. 수소 정확한 정량 및 깊이 분석은 기본 조성물 (또한 수소) 및 타겟 재료의 질량 밀도의 지식을 필요로한다. 특히 시츄 타겟 제조 및 특성, ¹ 시간 동안 고진공 방법과 함께 ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C NRA에 원자 적으로 제어 된 표면 나노 계면에서 수소 분석에 적합하다. 우리는 예시 적으로 여기에 (1) 정량적 표면 커버리지 및 Pd 노출 H _(2)의 표면 근처의 영역에서의 수소의 부피 농도를 측정 도쿄 대학의 MALT 탠덤 가속기 시설에서 ¹⁵ N NRA의 적용을 보여(110) 단결정은, (2)의 Si (100)의 _{박막의 SiO2} 막의 계면 근처 수소의 깊이 위치와 층의 밀도를 결정한다.

서문

불순물이나 재료의 광대 한 다양한의 구성 및 수소에 의한 상호 작용 현상의 풍부한 수소의 편재는 많은 분야에서 중요한 과제 가까운 표면 영역 및 고체의 매장 인터페이스에서 수소 분포를 공개 만든다 엔지니어링 및 기초 재료 과학. 탁월한 컨텍스트 핵 융합 반응기 공학, 에피 택셜 성장의 제조 및 수소 수소 유도 활성제 효과 수소 에너지 애플리케이션, 연료 전지, 광, 및 수소화 촉매, 수소 유지 및 취화의 저장 및 정제 물질에서 수소 흡수의 연구를 포함 반도체 디바이스 기술에 관련된 전기 신뢰성 문제.

그 편재하고 간단한 원자 구조에도 불구하고, 수소의 정량 검출 분석 과제를 포즈. 수소는 하나의 전자, 그렇지 않으면 다양한 원소 분석가를 포함으로전자 분광법입니다이 효과가 렌더링됩니다. 이러한 금속 융합 열탈착, 적외선 흡수 또는 NMR 분광법 등의 질량 분석 광학 또는 핵 공명 기술을 통해 일반 수소 검출 방법은 수소의 깊이 위치에 주로 둔감하다. 이것은 그들의 물리 화학적 물질의 상호 작용에 실질적으로 상이 표면 흡착 및 벌크 흡수 수소를 식별, 예를 들면, 배제, 그 차이는 그러므로 소량 큰 표면 영역을 포함하는 나노 구조 물질의 분석을위한 점점 더 중요해진다. 이차 이온 질량 분광법으로 수소 프로파일은 깊이 - 분해 정량적 H 농도를 제공하지만, 금속 융착 등 분석 대상에 동일하게 파괴하고, 스퍼터링 효과는 불안정한 표면 근처 얻어진 깊이 정보를 렌더링 할 수있다.

좁은와 핵 반응 분석에너지 공진 ¹ H의 (E _입술) ⁽¹⁵ N, αγ) 6.385 MeV의 ^{1-3 12} C 반응 반면에, 몇몇의 순서로 높은 깊이 해상도 비파괴 수소 정량의 장점을 결합한 표면 근처 나노 미터. 상기 방법은 10 ^{13cm -2} 정도의 감도면 H 커버리지를 판단한다 (~ 전형적인 단층 원자 농도 1 %). 재료 내부의 수소 농도는 ¹⁸ 10 cm ^-3 여러 (AT. PPM ~ 100) 내지 약 2 ㎛의 프로빙 깊이의 범위를 검출 한계로 평가 될 수있다. 표면 부근의 깊이 해상도는 통상적으로 분석 대상물을 향해 ¹⁵ N 이온빔의면 수직 입사 2-5 ㎚이다. 입사면 나온 형상으로, 해상도가 1nm 이하의 값을 더욱 향상시킬 수있다. 참조를 참조하십시오. 자세한 계정 3.

이러한 기능은 ⁽¹ H를 입증 15 N, αγ) ⁽¹²⁾ C NRA 공정 및 재료 ^(3)의 큰 다양한 표면과 계면에서 수소의 정적 및 동적 거동을 규명 할 수있는 강력한 기술로. 1976 년 Lanford ^(4)에 의해 설립, ¹⁵ N NRA 먼저 정량적으로 대량 재료 및 박막의 볼륨 H 농도를 결정하는 데 주로 사용되었다. 다른 용도 중에서, ¹⁵ N NRA 통해 얻어진 절대 수소 농도는 다른 직접적 정량적 수소 검출 기술 ^5,6-를 보정하는데 사용되어왔다. 적층 박막 구조에서 잘 정의 된 인터페이스와 목표에 또한 ¹⁵ N NRA 수소 프로파일 링은 ^7-10을 설명 하였다. 최근 많이 진행을 위해 준비 할 표면 분석 초고 진공 (UHV) 계측과 ¹⁵ N NRA를 조합하여 화학적으로 청정하고 구조적으로 잘 정의 된 타겟의 표면 근처의 영역에 수소를 연구하여 이루어진 것으로전자 원자 적 H 분석 ³ 현장에서 표면을 통제했다.

단결정 표면상의 수소 범위를 정량함으로써, NRA는 많은 재료에 수소 흡착상의 전류 미세한 이해하는데 크게 기여 하였다. ¹ H ⁽¹⁵ N을 αγ) ¹² C NRA 직접 제로를 측정하는 또 유일한 실험 기법 즉, 표면에 흡착 된 H 원자 ^(11)의 진동 에너지를 가리키고, 상기 입사 이온 빔의 방향에 흡착 된 H 원자의 양자 기계적 진동 운동을 표시 할 수있다. 표면 흡착 및 대량 흡수 사이에 나노 미터 크기의 차별 기능을 통해 H ¹⁵ N NRA는 미네랄 수분 데이트 ^(12)에 관련된이나 H의 표면 아래에 수소 핵을 관찰 물질 표면을 통해 수소 침투에 대한 귀중한 통찰력을 제공 할 수 있습니다 -absorbing 금속 ^13-15. 높은-Resolution ¹⁵ N NRA 애플리케이션 adlayers ^(16)의 서브 - 단층 두께 변화를 검출하고, 표면에 흡착 된 팔라듐 나노 ¹⁷ 체적 흡수 수소 구별 가능성을 보여 주었다. 승온 탈리 가스 분석 (TDS)을 조합 H ₂ 열 탈착 기능의 명확한 식별과 흡착의 열 안정성의 깊이 - 분해 평가 수 탈착 및 확산 ^13,15,18 대해 수소 흡수 상태. 그것의 비파괴 자연과 높은 깊이 해상도 ¹ H로 ⁽¹⁵ N, αγ) ⁽¹²⁾ C NRA는 금속 / 금속 ^19-22 금속에서 수소 트래핑을 공부하실 수 있습니다 그대로 인터페이스에 매장 수소를 감지 할 수있는 이상적인 방법입니다 / 반도체 인터페이스 ^16,23-25 ​​적층 박막 시스템 ^(9), 수소 확산을 추적. 직접 시각화 수소 재배포 phenomen으로전기 분해 장치에 관한 _SiO2로 인터페이스 간의 / Si 계 금속 산화물 반도체 (MOS) 구조는 NRA는 소자 신뢰성 연구 ^(26)에 특히 중요한 공헌을하고있다.

NRA 내의 수소 검출 원리는 ¹⁵ N ¹ H 사이에서 공진 ^한 H ⁽¹⁵ N, αγ) ¹² C 핵 반응을 유도하기 위해 적어도 E _입술 = 6.385 MeV까지의 ¹⁵ N 이온빔으로 분석 대상을 조사하는 자료. 이 반응은 샘플 근처의 섬광 검출기로 측정되는 4.43 백만 전자 볼트의 특성 γ 선을 해제합니다. γ 수율 대상의 특정 깊이에서 H 농도에 비례한다. ¹⁵ N 입사 이온의 숫자로이 신호를 정규화하면 γ 검출 시스템이 알려져 H 농도의 기준 대상으로 보정 한 후에 절대 H 농도로 변환한다. ⁽¹⁵⁾ N은 타겟 표면 상에 수소와 반응 할 수있는 E _입술에 입사 이온. 매립 된 수소의 농도는 E _입술 상기 에너지 (E의 _ⅰ) ¹⁵ N 이온을 입사하여 측정된다. 표적 물질 내부에서 ¹⁵ N 이온은 전자 정지에 의한 에너지 손실을 겪는다. 이 효과는 ¹ H ⁽¹⁵ N이 αγ) ¹² C 핵 반응 공명이 매우 좁은 폭을 가지고 있기 때문에, 높은 깊이 해상도를 제공합니다 (로렌 시안은 폭 매개 변수 Γ = 1.8 keV의) 6.4 재료의 정지 전력 백만 전자 볼트 ⁽¹⁵⁾ N 범위 사이 / 나노 1-4 keV의 단지 몇 원자 층 내지 ¹⁵ N, 이온의 통로가 공진 윈도우 외부 에너지를 이동하기에 충분하도록. 따라서, 공진 반응은 E에 매장 H를 감지 _전>을 프로빙 깊이 (d)에서 E _입술 = (E _난 - E _입술) S는 전자입니다 / S,분석 된 재료 ^(3)의 전력을 중지.

조금씩 입사 ¹⁵ N의 이온 에너지를 스캐닝하는 동안 γ 수율을 측정함으로써, 하나의 타겟의 수소 밀도의 깊이 분포를 포함하는 핵반응 여기 곡선을 얻는다. 이 여기 곡선 (γ-수익률 대비 ¹⁵ N 에너지)에서, 실제 H 깊이 분포는 주로 가우스 폭이 넓어을 추가하고 깊이 해상도 ³ 주 제한되는 NRA 쓸모있는 기능을 콘볼 루션된다. (즉, E _I = E _입술 AT) 가우스 폭 인해 타겟 표면에 대하여 H 원자의 영점 진동 도플러 효과에 의해 지배된다. ^11,27,28 매립 수소 수율 곡선에서 검출 표면에 E _I> E의 _{입술 인해} 임의의 ¹⁵ N 이온 에너지 straggli에 추가 가우스 폭이 넓어 구성 요소에 의해 영향을받습니다대상 내부 ng를. 낙오 폭 재료 ^{(29, 30)에서의} 이온 궤적의 길이의 제곱근에 비례하여 증가하고 지배적 해상도는 10-20 nm의 깊이를 프로빙 위에 인자를 제한하게된다.

¹⁵ N NRA와 몇 가지 매우 일반적인 수소 프로파일 응용 프로그램을 설명하기 위해, 우리는 여기에 예시 표면 H 범위 (1) 정량적 평가를 설명하고, H ₂ 노출 팔라듐의 대량 흡수 된 수소 농도 (PD) 단결정 및 _{(2)의 SiO2} /시 (100)의 매립 스택 계면에서 깊이 위치에 수소 층 밀도의 평가. NRA 측정은 MALT 5 매우 안정적이고 잘 monochromatized (ΔE _내가 ≥ 2 keV의) 6-13 백만 전자 볼트의 ¹⁵ N 이온 빔을 제공 도쿄 대학의 MV 반 드 그라프 탠덤 가속기 ^(31)에서 수행된다. 저자는 accelerat위한 컴퓨터 제어 시스템을 개발또는 수소 프로파일에 대한 자동화 된 에너지 스캐닝 및 데이터 수집을 활성화합니다. (1) 단일 비스무트 게르마늄과 UHV 표면 분석 시스템 (BGO, 양성애자 ₍₄₎ 창 ₃ O ₁₂ : 위의 H 프로파일 응용 프로그램에서 제시 한 두 가지 NRA 측정 작업을 반영 MALT 시설은 전문 실험 스테이션이 이온 빔 라인을 제공합니다 수소 표면 커버리지의 NRA 정량 전용) γ-섬광 검출기, 영점 진동 분광학, 그리고 TDS와 독특한 조합의 원자 제어 단결정 대상에서 H 깊이 프로파일에; (2) 두 BGO 검출기가 장착 된 고진공 챔버 하부 H 검출 한계 빠른 데이터 수집 제공 증가 γ 검출 효율 표적에 매우 가깝게 위치. 이 설정은 샘플 준비 시설이 없지만 목표의 높은 처리량 따라서 빠른 샘플 교환 (~ 30 분)을 허용하고있는 잘 contro채워진 표면층은 H의 매립 계면 프로파일 또는 벌크 H 농도의 정량 등의 분석 작업의 필수적인 부분이 아니다. γ 선을 무시할 감쇠 얇은 챔버 벽을 관통하기 때문에 두 빔 라인에서, BGO 감지기는 진공 시스템의 외부에서 편리하게 배치됩니다.

BL-1E UHV 시스템도 1 NRA 설정. (A)가에 대한 스퍼터 이온 총, 저에너지 전자 회절 (LEED), 및 오제 전자 분광법 (AES)을 구비 한 BL-1E UHV 시스템에 상면 모식도 -situ 사중 극 질량 분광기 (QMS)를 원자 적으로 기입 해주세요 화학적 깨끗한 단결정 표면 타겟의 제조 및 결합 NRA 및 TDS 측정은 선형 변환 스테이지에 탑재. (B) 팔라듐 단결정 표본 t에 연결된그는 극저온 조작의 홀더를 샘플링. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

도 1 (A)은 완전히 원자 적으로 기입 해주세요 단결정 표면의 인 시츄 제조 장착 표면 청결을 유지하기 위해 기본 압력 ^<10-8 씩 갖는다 빔 라인 (BL) -1E,에 UHV 시스템을 도시한다. 표면 분석 도구 용 샘플에 대한 액세스를 제공하기 위해 4 "BGO 신틸 레이터가 (타겟 뒤에 30mm가. 샘플을 정밀하게하는 4 축 조작 스테이지 상에 장착된다 ~ ¹⁵ N 이온빔 축에 배치되어, X, Y, Z, Θ) 위치 및 액체 질소로 냉각 할 수 있습니다에 ~ 80 K 또는 압축에 그는에 ~ (20) K. 그림 1 (B)는 그 압축 저온 유지 장치에 점 용접 따 지원 와이어가 장착 된 팔라듐 단결정 대상을 보여주고 있습니다. 석영 시트 스페이서는 SAMPL 보온 그라 이오 스탯의 몸에서 전기 전자 홀더 플레이트. 이것은 정량적 NRA에 필요한 입사 ¹⁵ N 이온빔 전류 측정을 가능하게하고, 샘플 홀더의 배면에있는 텅스텐 필라멘트로부터 전자 충돌에 가열을 허용한다. A 형 K 열전대는 스폿 용접의 Pd 시편의 가장자리에있다. 샘플 상기 조작부 축에 부착 된 석영 판 2 (A)를도. 이온 빔 프로파일 및 샘플 빔 정렬을 모니터링하는 데 대하여 90 °로 배치 된 두 개의 4 "BGO 탐지기 BL-2C의 구성도되고 추가적인 빔 축으로부터 떨어진 19.5 mm. 샘플 홀더보다 그 정면과 ¹⁵ N 빔 (도 2 (B))는 빠른 샘플 교환 간단한 클램핑 메커니즘을 제공하고, 수직축 주위에 시료의 회전을 허용 ¹⁵ N 입사 각도를 조정합니다.

세틸 / ftp_upload / 53452 / 53452fig2.jpg "/>
BL-2C에 그림 2. NRA 설정. (A) 확대 목표 위치에 두 BGO의 γ 탐지기가 장착 BL-2C의 높은 진공 챔버에 도식 평면도. _SiO2로 대형 칩과 타겟 (B) 샘플 홀더 /시 (100)에 채워. NRA가 분석은 ¹⁵ N 이온 빔에 의해 조사 된 지점을 시각화 한 후 수증기이 샘플의 형식을 흐림. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

프로토콜

실험 1. 계획

1. 측정 작업 (표면 수소, 대량 또는 계면 수소에 대한 BL-2C에 대한 BL-1E)에 따라 관심의 MALT 가속기 빔 라인을 확인합니다. NRA가 측정과 필요한 준비의 세부 사항을 논의하기 위해 지원 과학자 (현재 MW 또는 KF)에 문의.
2. 빔 시간 신청서를 다운로드하고 MALT 웹 사이트 ^(31)의 제출 기한을 준수하십시오.
   참고 : MALT 시설은 각 월과 9 월 여름 (4 월 ~ 9 월)과 겨울 (10 월 월) 반 년 기간에 각각 새 프로젝트 제안을 초대합니다.
3. 빔 시간 제안서를 작성하고 MALT 웹 사이트의 지침에 따라 제출합니다.
4. 맥아 웹 사이트를 ³¹ 일 발표로 제안의 승인 후, 곧 반 년 임기의 빔 시간 일정을 확인합니다. 안전 교육은 학기의 시작 부분에서 새로운 사용자를 위해 필요합니다.
5. ADVA에서 빔 시간 준비NCE. (필요한 경우) 샘플 설치, 특히 UHV에서 원위치 표면 처리를위한 재료의 반송에 필요한 실험의 모든 세부 사항과 시간을 고려한다. NRA가 측정을위한 준비 대상 표본 빔 시간이 시작되기 전에.

BL-1E에서 NRA 측정 2. 준비 (UHV)

참고 : 청소 도구를 포함하여 진공 상태에서 사용하기위한 장비 및 물질을 취급 할 때는 항상 장갑을 착용하십시오.

1. UHV에 단결정 샘플을 설치 (1 (B 그림 참조)).
   1. 3.5 스폿 용접기 전원을 설정합니다. 깨끗하고 평평한 비전 도성 작업 표면에 단결정 시료를 놓고 스폿 용접을 탄탈이 4 cm 길이 조각 (따) 전선 (0.3 mm의 DIAM합니다.) 병렬로 가장자리를 샘플링 할 수 있습니다.
   2. 스폿 용접 지점에서 핀셋이나 집게와 굽힘 힘에 대항하면서 부드럽게 굴곡 와이어는 크리스탈 가장자리 모양을 주위에 맞게. 양쪽 ~ 1cm의 길이에,결정 가장자리 상기 전선 쌍에 부가 pply 2-4 스폿 용접 점.
   3. 벤드 와이어 가공면에 평행 한 수평면에서 결정 중심에서 멀리 가리 종료한다. 샘플 홀더의 따 플레이트 상에 지원 와이어 샘플 (0.3 mm 두께)를 놓습니다. 뒷면 필라멘트 히터 위의 구멍을 커버하고 스폿 용접 네 지원 와이어 접시에 종료하여 시료의 위치를​​ 고정하기 위해 샘플을 맞 춥니 다. 가능하면 샘플을 향해 와이어 끝에서 이동, 각 와이어 끝 부분에 하나 이상의 용접 점을 적용합니다.
   4. 홀더 플레이트 가장자리에서 밖으로 서 과도한 와이어 길이를 버려야. 최소 스폿 용접기 전원을 설정하고 스폿 용접 플라이어를 통해 하나의 펄스를 방출 비어 마감했다. 스폿 용접 형 K 결정 시료의 상부 가장자리 (크로 멜 - 알루멜) 열전쌍 (0.2 mm 직경).
   5. (나 필라멘트를 샘플 대 : 그라 이오 스탯의 머리에 전기 피드 스루 접점 사이의 저항을 측정하여 마운트 샘플의 적절한 연결을 확인IAS 접촉 와이어>) 홀더 플레이트 샘플에 부착 된 20 MΩ; 지상 대 필라멘트 (저온 유지 장치 본체)> 20 MΩ; 필라멘트 리드 (0.3 mm의 DIAM W.) <3 Ω; 열전대 리드 : ~ 16 Ω; 지상 대 열전대> 20 MΩ; 샘플 ~ 20 Ω 대 열전대와 ~ 8 Ω는 (선재, 크로 멜 또는 알루멜에 따라 다름).
   6. 샘플 및 빔 프로파일 모니터 (석영 판)의 중심 사이의 거리를합니다.
   7. UHV 조작기의 머리에 구리 개스킷을 교체하고 조심스럽게 장착 샘플 저온 유지 장치를 삽입합니다. 플랜지 볼트를 조 및 지원 과학자의 지침에 따라 UHV 시스템을 대피.
   8. 히터 테이프와 알루미늄 호일을 부착하여 빵에 대한 UHV 챔버를 준비합니다. 적어도 30 분 및 압력 <2 × ^10-4 아빠에 대한 모든 터보 분자 펌프의 정상 작동을 보장. 24 시간의 UHV 시스템을 굽는 챔버 히터의 전원을 켭니다.
   9. 1 × ^10-5 아빠 아래 이온 게이지의 수치를 확인합니다. 베이킹 히터를 끄고에스. 챔버가 여전히 뜨거운 상태에서 활성화되는 비증 발성 게터 (NEG)을 30 분 동안 400-450 ℃에서 내부 히터 요소와 펌프.
   10. 챔버 멋진 3 ~ 4 시간 동안, 다음, 총과 LEED 광​​학 이온하는 QMS 전자 및 전원 공급 케이블을 다시 연결하자. QMS, 이온 총과 LEED의 드가 필라멘트. 완전 (12 ~ 24 시간 이내)을 실온으로 냉각 한 후 해당 챔버베이스 압력은 <1 × ^10-8 씩 확인한다.
2. UHV에 단결정 표면을 준비합니다 (그림 1 참조 (A)).
   1. 매니퓰레이터의 X, Y, Z-단계와 챔버의 중앙에 위치 샘플 및 뷰포트 및 이온 총 (가스 도저에 직면) 사이의 표면을 정렬하기 위해 회전합니다. 이온 총의 전원 공급 스위치 및 20mA에 '방출'컨트롤을 조정합니다. 뷰포트를 통해 샘플을보고 빛나는 이온 총 필라멘트의 미러 이미지는 샘플 표면에 볼 수 있도록 샘플 회전 각도를 미세 조정합니다.
   2. 이온 총 포에 '빔 에너지'를 설정800 eV의에 공급 WER. 근접 NEG 펌프 게이트 챔버 하단 밸브와 가변 리크 밸브를 통해 UHV 챔버에 6 × ^10-3Pa의 Ar 가스를 도입. 이 μA 주변 (샘플에서 지상 디지털 테스터) 스퍼터 이온 전류를 확인한 후, 실온에서 10 분 동안 표면을 스퍼터.
   3. 매니퓰레이터의 저온 유지 장치에 액체 질소를 추가합니다. 조작의 머리에서, 필라멘트 히터 열전대 피드 스루에 전원 공급 장치 및 디지털 테스터 (20 MV 범위)에 이르게 연결합니다. 필라멘트의 정전기를 제거하십시오.
   4. 바이어스 전원으로 샘플 접촉을 연결한다. 1 kV의 샘플 바이어스를 적용합니다. 디지털 테스터와 다음 단계 (2.2.5) 열전대 전압 (샘플 온도)를 모니터링하면서에 어닐링, 산화 및 플래시 가열 6.6까지 필라멘트 히터 전류를 사용합니다.
      주의 : 샘플 바이어스 동안 디지털 테스터 또는 조작의 머리를 만지지 마십시오 (치명적인 감전의 위험이!).
   5. 압력을 보장하는 10 분 동안 1,000 K에 UHV에서 어닐링 샘플2 × 10 ^-7 아빠 아래에 남아있다. 5 분 동안 5.0 × ^10-5 파 O _2에서 750 K에서 산화 후 5.0 × ^10-5 파 H ₂ 실온 (RT)에서 감소시킨다. UHV 600 K에 최종 깜박임을 수행합니다.
   6. LEED 패턴을 관찰하고 2.2.2 (스퍼터링)와 2.2.3 단계를 2.2.1를 반복합니다. 낮은 배경 결과 (그림 3)과 불순물이없는 밝은 반점 명확한 (1 × 1) 구조까지 2.2.5 (어닐링 / 산화 / - 환원 H _2)에 오제 전자 분광법 ^(32)에 남아 있습니다. 반복 스퍼터 / 열처리 사이클에서 2 ~ 3 분 동안 스퍼터.
   7. (선택 사항) (1.33 × ^10-4 아빠 = 1 L) 90 K에 샘플을 냉각하고 H ₂ 가스의 몇 Langmuirs (L)에 노출 매니퓰레이터의 저온 유지 장치에 액체 질소를 추가합니다. TDS 측정을 수행하고 마지막으로 H ₂ 열 탈착 스펙트럼은 문헌 자료 ^(15)을 준수하는지 확인합니다.
      참고 : 준비 필요NRA가 빔 시간에 앞서 완료된다. 깨끗한 표면의 목표는 이제 2 ~ 3 분의 스퍼터링 사이클 2.2.6 단계 2.2.1를 반복하여 ~ 2-3 시간 내에 일상적으로 제조 할 수있다.

BL-1E UHV 시스템에서 그림 청소의 Pd 3. LEED 패턴 (223 EV) (110) 표면은. 저 배경에 밝은 회절 관광 명소와 클리어 (1 × 1) 패턴은 원자 적으로 잘 정렬 된 표면 구조를 의미한다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

3. 단결정 대상으로 ¹⁵ N 이온 빔을 맞 춥니 다.
   1. 1E UHV 챔버에서, 챔버의 중앙에 위치 샘플 ¹⁵ N 이온에 직면 회전 (X = 25, Y는 QMS 전면 개구의 높이에 눈으로 Z를 조정, 26 =)빔 라인. 단계 2.1.5 측정 샘플 모니터 거리만큼 샘플 홀더를 낮추어 NRA 측정 위치에 석영 판 빔 프로파일 모니터 (도 1 (B))를 준비한다. 액셀 제어실의 TV 모니터의 석영 플레이트 상에 빔 프로파일 이미지를 전송하는 조작부 아래 창 플랜지에 디지털 카메라를 설정한다.
   2. 조작 머리로 샘플링 및 제어 룸에서 디지털 현재의 통합에 신호선을 연결하는 다른 모든 전기 접점을 제거합니다. 8500 V. 열기로 UHV 챔버와 굽힘 자석 BM04 사이 BL-1E에있는 세 개의 수동 게이트 밸브 BL-1E에 정전 편향 전압을 설정합니다.
   3. 어시스트 과학자의 지시는 컨트롤 룸에서 가속기 제어 시스템에 익숙해 얻습니다.
      참고 : (예 : 빔의 에너지 및 방향 - 정의 자석 필드와 초점 렌즈 등) 가속기 매개 변수는 중앙 제어 패널에 할당 다이얼로 설정됩니다. 빔 라인 밸브와 패러데이 컵은원격 / 연 마우스 클릭 및 공압 작동에 의해 폐쇄.
   4. 컨트롤 룸에서 '조작'에서 '대기'모드에서 현재의 통합을 전환합니다. 현재의 지표로 통합 아날로그 출력을 연결합니다. 액셀 제어판에서 5535 가우스 (파라미터 : NMR03)의 에너지 분석기 자기장에 슬릿 피드백 모드 촉진제 ¹⁵ N 이온빔 에너지를 조절하고, 이온 빔을 지향하도록 ~ -6,033.4 가우스 자기장 (파라미터 HPB04)를 절곡 일치 1E UHV 챔버에서 목표 상. 자기 사중 극 렌즈 매개 변수 XCC에 (MQ04) = 4.64 A와 YCC = 5.15 A가 약 빔을 초점을 설정합니다.
   5. 컨트롤 룸에서, 가속기 및 빔 라인 1E 사이에 열려있는 2 개의 게이트 밸브. 오픈 패러데이 컵 (FC) FC04와 TV 모니터 대상 챔버 석영 플레이트 상에 이온 빔 프로파일을 관찰한다. 미세 조정 및 BM04 MQ04 파라미터 설정 프로파일 모니터 플레이트의 중심에 잘 집속 이온 빔을 얻었다. 샘플 manipulat 석영 모니터의 Z-위치를 조정또는 필요한 경우.
   6. 닫기 패러데이 컵 FC04 및 샘플 모니터 거리로 다시 샘플 Z-위치를 올립니다. NMR03 / HPB04 / MQ04 (XCC, YCC) 매개 변수의 메모를 가지고 현재의 빔 시간 (NNN, 세 자리 수)의 새 MagparNNN.xls 파일에 저장합니다.
      주 :이 참조 NMR03 / HPB04 입력에 기초하여, MagparNNN.xls는 에너지 분석 (BM03)와 방향을 스위칭 (BM04)에 일치하는 자기장 파라미터를 계산하는 ¹⁵ N 중에 대상의 이온 빔 위치를 유지하기 위해 필요한 자석들 에너지 스캔.

BL-2C에서 NRA 측정 3. 준비

1. 빔 라인으로 조작하는 전송로드, 고정 나사와 보안 키, 가까운 게이트 밸브에 빔 라인 위치에서 이전에 사용 된 샘플을 올립니다.
2. 매니퓰레이터의 KF 플랜지 커플 링의 전기 피드 스루와 로터리 펌프 라인에서 샘플 현재 행을 분리합니다. 게이트 밸브 플랜지에서 조작을 분리합니다.
3. 전송 관에서 준비 테이블 및 슬라이드 샘플 홀더 상에 조작을 놓습니다. 수평 샘플을 배치하는 조작 축을 회전합니다.
4. 샘플 클램프의 두 M2 캡 나사 (그림 2 (B))를 풀고 된 목표를 제거합니다. 새로운 샘플을 설정 조작 축에 평행하게 정렬하고, 클램프 나사를 조입니다. 전달 튜브 및 고정 나사를 안전한 위치로 샘플을 철회.
5. 게이트 밸브에 구리 개스킷을 교체하고 빔 라인에 조작을 다시 설치하십시오. 조작에 로터리 펌프 라인을 연결합니다. 터보 분자 펌프 (TMP)에 로터리 펌프 라인 닫기 밸브.
6. 매니퓰레이터의 로터리 펌프 라인 밸브를 열고 회전 기본 압력을 복원하는 데 10 ~ 15 분 동안 전송 튜브를 대피. 닫기 조작 펌프 라인 밸브 및 TMP에 로터리 펌프 라인에 개방 밸브. 천천히 조작에 게이트 밸브를 열고 2 ~ 3 × ^10-3 아빠를 복원하는 데 20 ~ 30 분 동안 대피.
7. 낮은 빔 라인 위치로 샘플 및 표면 없음을 맞 춥니 다BL-2C 카메라 근처 TV 모니터의 도움으로 입사 빔 방향에 빔 프로파일 모니터 (유리판)의 rmal. 그런 다음 컨트롤 룸에서 TV 모니터로 BL-2C 카메라 신호 라인을 연결합니다. NRA가 실 및 굽힘 자석 BM04 사이 BL-2C에 오픈이 공압식 게이트 밸브.
8. 샘플 조작의 전기 피드 스루 및 디지털 현재 통합 (컨트롤 룸) 사이에 샘플 전류 신호 라인을 연결합니다. 가속 컨트롤 룸에서 현재 모니터에 '작동'하는 모드 '대기'와 연결하는 통합 아날로그 출력에서​​ 현재의 통합을 전환합니다.
9. 대략 굽힘 자석 필드 (매개 변수 HPB04)를 설정하여 BL-2c에 대상으로 ¹⁵ N 이온 빔을 정렬에 ~ 0.6 가우스 (극성 : 양), XCC = 4.64 A와 YCC = 5.15 (A)에 자기 사중 극 렌즈 MQ04 매개 변수 및 사중 극 렌즈 MQ-2C는 약 빔을 집중 A = 3.3 A와 B = 3.6 매개 변수.
10. 미세 조정 HPB04 / MQ04 (XCC, YCC) / MQ-2C (A, B) 매개 변수 빔 transmiss을 최적화 할 수이온 (탁 트인 통로 대상으로) 및 빔 대상 프로파일 (사용 빔 프로파일 모니터 BPM-1C 및 BPM-2C와 BL-2C 카메라 이미지) 및 최적의 설정을 기록해 둡니다.

BL-1E 4. NRA 측정

1. 600 K에 플래시 열 팔라듐 샘플은 흡착 된 오염 물질로부터 표면을 해제합니다. 필라멘트 히터 (~ 3.6 A)를 실행하고 그 압축 저온 유지 장치 (액체 질소 냉각) 145 K에서 샘플 온도를 안정시킨다.
2. 닫기 밸브는 가속기와 NEG 펌프 및 샘플 2,000 LH ₍₂₎ 80 K에 145 K.하자 샘플에서 시원한 (2.66 × ^10-3 아빠는 100 초 ×) 노출 및 1 × ^10-6 Pa의 H ₂ 배경 압력을 조절합니다 .
3. 제어실에서, 에너지 주사 (전형적 NMR03 = 5525 가우스)에 대해 원하는 시작 값 BM03 ¹⁵ N 이온빔 에너지를 설정하고 MagparNNN.xls 테이블에 따라 BM04를 조정한다.
4. 액셀 contro에 NRA 데이터 획득 소프트웨어 (NRAmain.vi)을로드BL-2C에서 리터의 PC. 선택 깊이 프로파일 루틴 'AutoScanLinuxUHVfb3.vi'. AutoScanLinuxUHVfb3.vi에서, 푸시 제어 PC 소프트웨어 현재 자석 파라미터 설정을 전송하는 '현재 값 읽기'.
5. 현재 디지타이저가 '조작'으로 설정되어 있는지, 샘플 전류 신호 라인이 연결되어 있는지, BL-1E에 모든 밸브가 열려 있는지 다시 확인하고 이상적으로 15 ± 5 nA의의 ⁽¹⁵⁾ N 빔은 FC04 볼 수있다.
6. 의 합계 START를 설정에서 옵션 'GVM에 힘 TVC를'중지 (각각 일반적으로 5,525 가우스, 5,600 가우스, 1 가우스) 에너지 스캔에 대한 BM03 매개 변수의 STEP 값과 전원을 켭니다. ¹⁵ N ^{2 +의} ~ 15 nA의 빔의 경우, 50 초에 '취득 시간'매개 변수를 설정합니다.
7. 깊이 프로파일의 자동 수집을 시작 AutoScanLinuxUHVfb3.vi 콘솔에서 '실행'화살표를 클릭 (STOP = 5,600 가우스에 대한 팔라듐에서 ~ 35 nm의 깊이까지). 스캔이 종료 (또는 이전 termin위한ATION)는 데이터 파일을 닫습니다 '정지 측정'을 클릭합니다.
8. 전류 디지타이저 스위치 모드 '대기'샘플 조작 피드 스루의 샘플 현재 행을 분리하고, UHV 챔버 전에 BL-1E의 마지막 게이트 밸브를 닫습니다.
9. 변수 누출 밸브를 닫아 배경 H ₂ 가스 투여를 중지합니다. UHV 챔버 하단의 NEG 게이트 밸브를 엽니 다. (선택 사항 : 샘플의 H ₂ TDS 스펙트럼을 가지고.)
10. (선택 사항) 추가 NRA 측정 단계 4.2에서 지시를 반복 4.9을 통해 4.3 단계로 H _2에 다시 노출은 PD를 (110) 표면하십시오.

BL-2C 5. NRA 측정

1. 컨트롤 룸에서 (표면에서 프로파일 링을 시작하는 일반적으로 NMR03 = 5525 가우스) 에너지 스캔 원하는 START 값에 BM03에서 ¹⁵ N 이온 빔 에너지를 설정합니다.
2. BL-2C에서 가속 제어 PC의 NRA 데이터 획득 소프트웨어 (NRAmain.vi)을로드. 선택 깊이 프로파일 루틴'AutoScanLinux11.vi'. 단계 5.1에서 설정 한 BM03 값 START 일치하는 자동화 된 에너지 스캔 (STAR​​T, STOP, STEP)에 대해 원하는 BM03 매개 변수를 입력합니다. 본 그런가 ₂ /시 샘플의 경우, 50 초에 '취득 시간'을 설정합니다.
3. 현재 디지타이저가 '조작'으로 설정되어 있는지, 샘플 전류 신호 라인이 연결되어 있는지, BL-2C에 모든 밸브가 열려 있는지 다시 확인하고 그 ¹⁵ N ^{2 +} 50 ~ 100 nA의 빔은 FC04에서 사용할 수 있습니다.
4. BM03 매개 변수의 STOP 값에 자동으로 종료 깊이 프로파일을 얻기 위해 'AutoScanLinux11.vi'에서 '실행'화살표를 클릭합니다. 검사의 끝에서 (또는 이전 종료를) 데이터 파일을 닫습니다 '정지 측정'을 클릭합니다.

6. 데이터 분석

1. 복사 * 취득 PC에서 / 가정 / csadmin / DataTaking / BTNNN에 .nra 원시 데이터 파일은 USB 메모리 스틱과 TR 상 (NNN은 현재 빔 시간의 수)데이터 분석 PC에 ansfer.
2. NRA의 데이터 분석 및 공개 절차 'NRA 리눅스-2C-v3.ipf'의 홈 내장 소프트웨어 패키지를 시작합니다. 절차 NRA-분석-2C-v4.ipf, LinuxAddOn-3-v3.ipf 및 메뉴 - NRA.ipf를 확보하고는 이고르 사용자 루틴을 포함하는 데이터 폴더에 복사합니다.
3. 절차를 컴파일하고 나타나는 'NRA'메뉴에서 '로드 NRA 데이터'를 선택합니다. 선택 데이터 파일 섹션 4, 5에서 측정하고, 나타나는 팝업 대화 상자에서 '계속'을 클릭합니다.
   참고 :이 소프트웨어는 측정 된 데이터에서 두 개의 그래프 출력을 생성 : 여기 곡선 (배경 -에 해당하는 '원시 데이터'(원시 γ-카운트 NMR03 자석 필드 대 (GRS) 데이터 수집 중에 표시 등), 그리고 'NRA 스펙트럼', 감산과 사건 담당 정규화 γ-수율 (I _규범) 대 ¹⁵ N 이온 에너지).
4. 'NRA'메뉴에서 '올바른 샘플 현재 측정 값'을 선택하고 '다시 계산을 선택평균 ISC / IFar 비율에서 ulate ISC (전체 파) (예를 들어, 샘플 바이어스 O / w) 평균 FC04 빔에 참조 실제 치수 (μC)에 현재의 디지타이저에서 읽기 이온 빔 요금을 재조정하는 드롭 다운 메뉴에서 옵션 ' 전체 데이터 세트의 전류 측정. 'NRA 스펙트럼'그래프에서 'Inorm_by_Faraday'추적을 삭제합니다.
   참고 :이에 정규화는 더 나은 실제로 FC04 전류보다 목표를 명중 ¹⁵ N 이온 충전을 반영하기 때문에 통합 입사 요금 (패러데이 전류에 정상화 이상)이 바람직하다 스케일링. 후자 번만 패러데이 컵 열리기 전에 측정 (대상 위에 빔을 제공하기 위해) 때문에, 항상 각 데이터 포인트에 대한 획득 시간 동안 어느 정도 발생하는 빔 전류의 변동을 고려하지 않는다. 현재 디지타이저 판독 인해 이차 EL의 실제 입사 이온빔 전하를 과대 평가하기 때문에 샘플을 스케일링하는 전하 필요대상에서 방출을 ectron.
5. E _입술에 대응 NMR03의 값 ( '원시 데이터'플롯 표면 공명 피크 최대 위치)를 결정한다. 5535 가우스의 소프트웨어 디폴트 값과 다른 경우 'NRA'메뉴에서 'NMR, 에너지와 깊이 규모의'루틴을 선택하여 (또한 중지 전력 값 필요한 경우), 항목을 수정합니다.
6. (CPS) 보정이 필요하게되었다 배경 레이트는 (1의 보정 계수를 들어, 배경 값을 수정 후의 원료 (GRS) 데이터로부터 정규화 γ 수율을 계산하기 위해 먼저 '올바른 패러데이 판독'기능을 사용하면 FC04 전류). 그리고 또한 FC04 패러데이에 제대로 조정과 관련하여 개정 배경 전하 정규화 된 γ-수율을 계산하기 위해 (6.4 단계) 다시 '올바른 샘플 현재 읽기'기능을 실행합니다.
7. 컨 볼빙 된 (convolved) 수력을 표시 상단 축으로 깊이 대 플롯 전하 정규화 γ-수율세대 깊이 분포 (그림 4).
8. 'NRA'메뉴에서 해당 기능을 사용하여 그래프에 오차 막대를 추가합니다. 가능하면, 전하 정상화를 선호합니다.
   참고 : 계수 통계가 오류가 NRA의 γ-수율 Δ I 정의, I = GRS - 배경, 측정 된 원료 카운트의 오류 전파 불확실성을 통해, 와 배경, 따라서 같이 계산한다 : . 깊이 프로파일 그래프 (그림 4, 5)이다 Δ I _규범 = Δ I / 입사 이온 빔 담당 오차 막대.
9. (선택 사항)에 적합한 모델 함수 ³ 데이터의 맞춤 분석을 수행합니다.

결과

도 4에 도시 한 표면 근처 H ₂ NRA의 H 프로파일은 1.33 × ^10-6 Pa의 H ₂ 배경 압력 하에서 팔라듐 90 K의 샘플 온도에서 BL-1E UHV 시스템에서 측정 된 (110) -exposed. ¹⁵ N 이온 발생 에너지는 PD (S = 3.90 keV의 / ㎚)의 정지 전력을 사용하여 깊이를 프로브로 변환되었습니다. 오픈 심볼 프로파일은 PD ^(15)에 대량의 수소 흡수를 유?...

토론

그림 4는 PD (110)를 BL-1E UHV 시스템에서 단일 결정의 예에서 효율적으로 구분하고 표면에 흡착 ⁽¹⁵⁾ N NRA을 통해 대량 흡수 수소의 정량을 보여줍니다. 세 프로필의 표면 H 피크의 재현성은 원위치 UHV 샘플 제제의 신뢰성 및 NRA 측정 비파괴 특성을 증명한다. 상기 예상 원자 포화 밀도 결정된 H 범위의 정량적 협정은 NRA 측정의 정확도를 나타낸다. 그림 4 닫기 H <...

자료

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