通过核反应分析深度剖析法测定表面、界面层及块体材料中的氢浓度

利用共振性¹⁵N(p,αγ)¹²C核反应分析的总体目标是测量固体表面吸附氢原子的密度，并确定材料体内吸收氢的浓度随深度的分布情况。明确固体表面、近表面区域以及浅层界面处的氢含量，是基础材料科学与工程多个领域中的关键问题。核反应分析的主要优势在于，它能够以纳米级深度分辨率，对氢的浓度及其深度位置进行定量、无损的检测。

利用NRA进行氢元素分布分析，可支持氢气储存与纯化材料的研究，涉及燃料电池与加氢催化剂、氢滞留与氢脆现象，以及半导体技术中与氢相关的器件制备和可靠性问题。在本视频中，我们展示了一种将NRA与表面科学仪器独特结合的方法，用于量化原子级可控靶表面及浅层界面处氢分布的密度。

这些核反应分析实验在东京大学的MALT加速器设施中进行。表面氢的测量是在该超高真空室中的1E束线上完成的。此真空室已装载钯110单晶样品，并在室温下保持低于10纳帕的压力。

该样品室的俯视示意图概括了设备布局。氮离子束线（包括一个偏转器和一个法拉第杯）从左侧进入。此外，还配备了一个用于溅射的离子枪以及一个氢气输入口。

该腔室配备低能电子衍射和俄歇电子能谱仪，用于INC2靶材的制备。最后两种仪器分别是示意图底部所示的四极质谱仪和右侧的闪烁检测系统。样品由位于腔室中心附近的XYZ平台上的样品支架固定，并可通过观察窗进行观察。

此图片展示了样品台的一个示例，其中样品已置于腔室内。钽丝用于支撑单晶样品。该样品台还可实现电学和热学测量。

首先通过溅射和退火清洁腔室中的目标表面。操作XYZ样品台，将样品置于腔室中心位置。此外，旋转样品以实现正确对准。

样品应朝向位于离子枪和观察窗之间的气体给料器。为精确调整角度，打开离子枪电源，将发射电流调节至20毫安。

通过观察窗观察样品，同时微调其角度，目标是使离子枪灯丝的镜像清晰可见于样品表面。微调完成后，将离子枪电源的束流能量设置为800电子伏特。

接下来，在腔室底部关闭 NEG 泵的闸阀。使用可变漏阀将 9 毫帕的氩气引入腔室。对于溅射离子电流读数，请参考连接在样品与地之间的数字测试仪。

确认溅射过程中10分钟内的电流约为2微安。通过关闭可变漏气阀并关闭离子枪电源来停止溅射。继续准备操作：将液氮输送至操纵杆装置，并向低温恒温器中加入约100毫升液氮。

停留在操纵器处，进行退火所需的电路连接。将灯丝加热器盖连接至加热电源。同时，将热电偶引线接头连接至数字测试仪，以监测温度。

通过将灯丝连接到腔体外壳来接地。最后，将样品触点连接到偏置电压电源。此时，设置高压电源。

施加1千伏的样品偏压。随后将样品在1,000开尔文下退火，并在750开尔文下进行氧化。退火和氧化完成后，准备对样品进行低能电子衍射分析。

观察衍射图样，寻找如本示例所示的清晰结构，即具有明亮斑点且背景噪声较低的图样。必要时，需准备好重复溅射、退火、氧化和还原步骤。下一步是将氮离子束与单晶靶材对准，以进行核反应分析。

在 XY 平面中将样品居中，并调节 Z 方向位置至质谱仪前部孔径的高度。将样品旋转回位，使其面向束流线。接着，降低样品台，将束流轮廓监测器移至核反应分析所需的位置。

将相机安装在窗口法兰上，以将光束轮廓图像传输到控制室。返回操纵器并拆除样品的所有电接触，之后连接样品电流线。

现在，准备引入离子束。将束流线上的静电偏转器电压设置为 8,500 伏特。进入控制室继续操作。

在此处，将当前积分器从待机模式切换至工作模式。该示意图表示离子束被引导至不同实验束线之前，加速器束线的一部分。实验束线也已在图中示出。

本方案中有四个重要组成部分。BM03 是一个 90 度扇形磁铁，用于在深度剖析过程中选择离子束能量。

FC04 是一种法拉第杯，可插入离子束中以测量离子束电流，并防止离子束到达样品。MQ04 是一种磁四极透镜，用于将离子束聚焦到样品上。BM04 则是一种偏转磁体，用于将离子束引导至束线中。

调整离子束能量，并将离子束引导至真空室内的靶材上。设置MQ04磁四极透镜、XCC和YCC透镜参数，使离子束大致聚焦。打开加速器与束流管道之间的闸阀，然后打开法拉第杯FC04。

使用显示器观察靶室中石英板上的离子束轮廓。根据该反馈信号，精细调节弯转磁铁 BM04 和磁四极透镜的设置，目标是在轮廓监测器板中心获得聚焦良好的离子束。

关闭法拉第杯，并在返回束线前记录相关参数。回到1E束线后，使用灯丝加热器将钯样品闪热至600开尔文，然后将灯丝加热器电流调至约3.6安培，以维持样品温度在145开尔文。在将样品暴露于145开尔文下2,000兰米尔的氢气之前，先将腔室与加速器和NEG泵隔离。

关闭灯丝加热器，当温度降至80开尔文时，将氢气背景压强调节至1微帕。回到控制室后，设置氮离子束的初始能量至所需值。本实验中，需确保法拉第杯04测得的束流电流为10至20纳安。

接下来，在启动自动数据采集之前，将能量扫描参数和采集时间输入控制软件。以下是用于 BM03 控制能量扫描的典型参数值，包括初始能量、最终能量以及每一步能量变化量的设定。

采集时间为50秒。体相和界面氢的测量在2C光束线上进行。该操纵器已从光束线移除，并已在样品 holder 中准备好新的样品。

进行这些测量时，样品为硅100表面的一层二氧化硅薄膜。将样品与转移管通道对齐后，拧紧夹具螺丝以固定样品。将样品缩回至转移管内，并用锁紧螺丝固定。

将操纵器移至光束线上的指定位置，并重新安装到闸阀上。当系统准备就绪后，将样品降至位置以进行NRA测量。如本示意图所示，需使样品表面与入射束流方向垂直对齐。

为此目的使用束线相机和监视器。在操纵杆头部，将样品电流线连接到控制室的电流积分器。前往控制室继续操作。

通过调节偏转磁铁和磁四极透镜参数，粗略对准光束。在轮廓监测器上观察光束轮廓，同时进一步优化参数以提高光束传输效率，并使光束轮廓保持在目标位置。随后，设置 BM03 参数以确定扫描的初始光束能量。

在计算机上输入能量扫描所需的参数，并启动自动能量扫描以获取深度分布图。该近表面深度分布图来自单晶钯，其110表面暴露于氢气中。实验在1E光束线上进行，氢气背景压力为1.3 µPa。

底部的横轴表示氮离子束能量。顶部的横轴基于钯的阻止本领提供深度的度量。空心符号对应于钯的实验，该实验中钯在145开尔文下预先暴露于2,000兰缪尔氢气中100秒。

数据在 90 开尔文下采集。该谱图可分解为黑色的零深度处的峰和蓝色的平台区。峰的面积提供了氢表面密度的信息。

在这种情况下，每个表面钯原子吸附的氢原子数为1 1/2。平台区表明氢已至少吸收至20纳米的深度。灰色和黑色符号代表未预先吸附氢的实验结果。

这些数据是在 170 开尔文下采集的。这些图展示了在 2C 光束线上进行的一系列关于硅上二氧化硅实验的数据。与之前相同，离子能量显示在横轴上。

沿顶部的深度。材料界面的位置由一条垂直的虚线标示。所有分布曲线均显示两个峰，表明氢的分布不均匀，包括在二氧化硅-硅界面前方仅几纳米处的氢。

本视频中的实验表明，非卢瑟福背散射分析（NRA）技术能够区分固体靶材中表面吸附的氢以及体相或界面吸附的氢。此外，NRA能够在不破坏样品材料的情况下，定量测定氢在其相应深度位置的含量。请注意，氢暴露过程中的温度和压力对钯吸附氢的深度分布具有极为关键的影响。

如果这些实验参数发生改变，氢分布轮廓很可能会与本视频中展示的结果不同。观看本视频后，您应能充分了解如何在MALT设施中进行核反应分析测量，以定量确定固体材料表面及内部纳米尺度深度范围内的氢密度。