Verfügbare Methoden der Ionenstrahlanalytik am Ionenstrahlzentrum

Mittels Ionenstrahlanalytik (ion beam analysis - IBA) können prinzipiell alle Elemente des Periodensystems bestimmt werden. Welche Methode im Einzelfall "die Methode der Wahl" ist ist, hängt dabei immer von der expliziten Fragenstellung ab.

Typische Anwendungsgebiete der Ionenstrahlanalytik sind unter anderem:

• Halbleitermaterialien
• Solarzellen
• Gläser
• Metalle
• Sonder- und Verbundwerkstoffe
• Beschichtungen
• Biomedizinische Materialien
• Kunst- und Kulturgut
• Geologische Proben
• Archäometrie

Wir beraten Sie gern.

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Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (Rutherford-Backscattering-Spectrometry - RBS)

• Hohe Nachweisempfindlichkeit für schwere Elemente in/auf leichter Matrix
• Blindheit für leichte Elemente in schwerer Matrix
• Quantitative und standardfreie Methode mit einer relativen Genauigkeit von < 1%
• Die Anwendung von “channeling“-Messgeometrien ermöglicht die Messung der Kristallstörungen in einkristallinen Proben

Typische Parameter

• Analysierbare Elemente: O bis U
• Nachweisgrenze:
  • < 0,1 Atom-% bis mehrere Atom-% im Volumen
  • 10¹² at/cm²  bis 10¹⁵ at/ cm² als Dünnschichten in Abhängigkeit der Elementkombinationen
• Analysentiefe: ~ Mikrometer
• Tiefenauflösung: 5-10 nm bei der Anwendung von Standard-Siliziumdetektoren
• Medium Energy Ion Scattering (MEIS) als Sonderanwendung möglich, die Tiefenauflösung beträgt dann 1 nm

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Elastische Rückstreuanalyse
(Elastic recoil detection - ERD)

• Hohe Nachweisempfindlichkeit für leichte Elemente in/auf leichter Matrix
• Schwere Elemente in leichter Matrix bei gleichzeitiger Detektion der Primärteilchen
• Quantitative und standardfreie Methode mit einer relativen Genauigkeit von 1%

Typische Parameter

• Analysierbare Elemente: H, B-S, Cl-U
• Nachweisgrenze:
  • < 0,1 Atom-% bis >1 Atom-% (bei Anwesenheit von schweren Elementen)
• Analysentiefe (max.): 0,5 - 0,75 μm
• Tiefenauflösung: etwa 20 nm

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Kernreaktionsanalyse
(Nuclear reaction analysis - NRA)

• Selektiver Nachweis von leichten Elementen
• Isotopensensitive Analysenmethode
• Spurenelementverteilung ist messbar

Typische Parameter

• Analysierbare Elemente: H bis F
• Ortsauflösung (lateral): 1 - 100 mm²
• Nachweisgrenze:
  0,02 Atom-% bei H
  0,05 Atom-% sonstige Elemente
• Analysentiefe: bis zu 5 μm (materialabhängig)
• Tiefenauflösung (für H):
  • ca. 8 nm (in Si),
  • 1 nm (bei streifendem Einfall)

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Teilchen-induzierte Röntgen- und Gamma-Emission
(Particle induced X-Ray and Gamma- Emission - PIXE/PIGE)

• Zerstörungsfreie/-arme Analyse
• Messung an Luft oder im Vakuum
• Simultane Multielement-Analyse

Typische Parameter

• Analysierbare Elemente: Li bis U
• Nachweisgrenze:
  • > 0,001 Atom-%
• Analysentiefe (max.): 0,5 -5 μm

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Ionenstrahlmikrosonde
(Microprobe)

• Laterale Elementverteilungen oder Tiefenprofile im Lateralbereich von einigen Mikrometern mittels PIXE, RBS, RBS/C, ERD, NRA
• Quantitative und standardfreie Methode mit einer relativen Genauigkeit von 5-10%

Typische Parameter

• Analysierbare Elemente & Analysentiefe: technikabhängig --> s.o.
• Laterale Auflösung:
  • > 4 x 4 µm²
  • > 30 x 30 µm² (channeling)
• Scanfläche: < einige mm²

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Zerstörungsfreie, quantitative Wasserstoffanalytik

Es wird die resonante Kernreaktion

zur standardfreien Bestimmung des Wasserstoff-Gehaltes in oberflächennahen Schichten von Festkörpern verwendet (Resonante Kernreaktions-Analyse, RNRA). Dabei wird ausgenutzt, dass die Ausbeute an γ -Strahlung sehr stark von der Energie der ¹⁵N-Einschussionen abhängig und bei der Resonanzenergie Eres = 6,385 MeV um ein Vielfaches überhöht ist.

Schießt man mit einer Energie E > E_res ein, so erreichen die ¹⁵N-Ionen durch Energieverlust in der Probe erst in einer bestimmten Tiefe die Energie E_res. Dadurch ist es möglich, den Wasserstoffgehalt in Abhängigkeit von der Tiefe zu bestimmen.

 Eigenschaften des Wasserstoff-Analytik-Messplatzes:

• Einschussionen: ¹⁵N²⁺
• Energie: 6,3 bis 12 MeV

• Strahlstrom: 10 - 50 nA
• Strahlfleck: 1 - 100 mm²
• Nachweisgrenze: 0,02 at%  (200 ppm)
• Analysiertiefe: bis 5 µm (materialabhängig)
• Tiefenauflösung: typ.: 8 nm (Si), minimal 1 nm (streifender Einfall)
• Messgröße: Ausbeute der 4,43 MeV-γ
• Detektor: 4" x 4 " BGO