Kontakt

Dr. René Heller

Lei­ter Ionen­strahlanalytik
r.hellerAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 3617

Dr. Frans Munnik

f.munnikAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 2174

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.


RBS ©Copyright: Dr. Merchel, Silke

RBS. Copyright: S. Merchel

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
  • Hochauflösende RBS als Sonderanwendung möglich, die Tiefenauflösung beträgt dann < 1 nm

ERD ©Copyright: Dr. Merchel, Silke

ERD © S. Merchel

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
  • Hochauflösende ERD als Sonderanwendung möglich, die Tiefenauflösung beträgt dann < 1 nm

NRA ©Copyright: Dr. Merchel, Silke

NRA © S. Merchel

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)

PIXE-PIGE ©Copyright: Dr. Merchel, Silke

PIXE-PIGE © S. Merchel

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

2D Element-Verteilungen gemessen mit µ-PIXE an einer Probe aus dem Meeressediment ©Copyright: Dr. Munnik, Frans

2D-Element-Verteilungen in einer Meeressedimentprobe, gemessen mittels µ-PIXE (3 MeV Protonenstrahl, Strahlgröße 4x7 µm², Gesamtgröße 1x1 mm²). Zu erkennen sind Pyrite (FeS2), teilweise umhüllt von Kalium- und Silizium-Schichten.© F. Munnik

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
 

Gamma-Resonanz für die Wasserstoffanalyse ©Copyright: Dr. Grambole, Dieter

"Gamma"-Resonanz für die Wasserstoffanalyse © D.Grambole

Zerstörungsfreie, quantitative Wasserstoffanalytik

Es wird die resonante Kernreaktion

15N + 1H -> 12C + 4He + γ (4,43 MeV)

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 > Eres ein, so erreichen die 15N-Ionen durch Energieverlust in der Probe erst in einer bestimmten Tiefe die Energie Eres. 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
  • Experimenteller Aufbau zur Wasserstoffanalyse ©Copyright: Dr. Grambole, Dieter

    Experimenteller Aufbau zur Wasserstoffanalyse © D. Grambole

  • 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

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Dr. René Heller

Lei­ter Ionen­strahlanalytik
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Dr. Frans Munnik

f.munnikAthzdr.de
Tel.: +49 351 260 2174

 
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