Resonante Neutronenreﬂektometrie zum Nachweis von Wasserstoff

2. Mai 2022

Neue Neutronenstreumethode ermöglicht schnelle und präzise Bestimmung des Wasserstoffgehalts von Dünnschichtstrukturen und elektronischen Bauelementen.

Wasserstoff als nachhaltiger Brennstoff wird in der zukünftigen Energiewirtschaft eine zentrale Rolle spielen. Die Erzeugung von Wasserstoff durch Elektrolyse, die effiziente Speicherung und die Umwandlung in elektrische Energie in Brennstoffzellen beruhen auf der Wechselwirkung von Wasserstoff an den Oberflächen von Elektroden und Speichermaterialien. Um diese Technologien zu optimieren, sind quantitative Informationen über die Wasserstoffkonzentration in Materialien erforderlich, insbesondere in Oberflächennähe im Bereich einiger Nanometer.

Ein zweites, sich rasch entwickelndes Forschungsgebiet ist die gezielte Anpassung der Eigenschaften von Materialien für elektronische Bauteile durch Einlagerung von Wasserstoff. Zu den herausragenden Beispielen gehören die gezielte Modifikation der Gitterarchitektur und des Dotierungsgrads von Quanten-Materialien, die Modulation der Austauschkopplung und der magnetischen Anisotropie von magnetischen Multischichten und Bauelementen, sowie die Änderung des elektrischen Widerstands. Materialien mit Wasserstoff werden die Leistungsfähigkeit künstlicher neuronale Netze steigern. Diese Netze bilden die Grundlage für künstliche Intelligenz und maschinellen Lernens. Ein Problem ist der Energieverbrauch der künstlichen Neuronen und Synapsen, der durch Materialien mit Wasserstoff deutlich gesenkt werden kann. Künstliche Synapsen mit extrem niedrigem Stromverbrauch werden während des Lernprozesses durch Dotierung mit Wasserstoff programmiert. Dies geschieht durch Anlegen einer elektrischen Spannung, die Wasserstoff aus einer isolierten Speicherschicht in eine dünne leitende Schicht lädt oder entlädt, um deren Widerstand gezielt zu verändern.

Schema der resonanten Neutronenreflektometrie. Die Neutronen bilden eine stehende Welle innerhalb des Resonators, der durch die Deckschicht (Pt 3nm) und das Substrat (Al2O3) gebildet wird. Die Intensität dieser Resonanzwelle ist um eine Größenordnung höher als die des einfallenden Strahls und hängt von der Wasserstoffkonzentration in den Nb-Schichten (2x20 nm) ab. Eine dünne ferromagnetische Co-Schicht (3 nm) dient als Detektor für die Neutronenwelle, indem sie den Spin der Neutronen innerhalb des Resonators umkehrt. Die Welle im Resonator bildet sich nur, wenn die Neutronen unter einem ganz bestimmten Winkel auf die Oberfläche auftreffen. Dieser Winkel ist durch die Wasserstoffkonzentration im Resonantor bestimmt und dient damit als Meßgröße.

© Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart, Germany

Schema der resonanten Neutronenreflektometrie. Die Neutronen bilden eine stehende Welle innerhalb des Resonators, der durch die Deckschicht (Pt 3nm) und das Substrat (Al2O3) gebildet wird. Die Intensität dieser Resonanzwelle ist um eine Größenordnung höher als die des einfallenden Strahls und hängt von der Wasserstoffkonzentration in den Nb-Schichten (2x20 nm) ab. Eine dünne ferromagnetische Co-Schicht (3 nm) dient als Detektor für die Neutronenwelle, indem sie den Spin der Neutronen innerhalb des Resonators umkehrt. Die Welle im Resonator bildet sich nur, wenn die Neutronen unter einem ganz bestimmten Winkel auf die Oberfläche auftreffen. Dieser Winkel ist durch die Wasserstoffkonzentration im Resonantor bestimmt und dient damit als Meßgröße.

© Max-Planck-Institut für Festkörperforschung, Stuttgart, Germany

Die Neutronenreflektometrie (NR) ist eine hervorragende Methode zur Analyse von Wasserstoffverteilungen in dünnen Schichten. In Analogie zur Lichtoptik misst die NR die von der Oberfläche einer dünnen Schicht reflektierte Neutronenintensität als Funktion des Einfallswinkels. Die experimentellen Reflektivitätskurven werden dann modelliert, um die Tiefenabhängigkeit des "neutronenoptischen Potenzials" ρ(z) zu ermitteln. Die Injektion von Wasserstoff in die untersuchte Probe führt zu einer Modifikation von ρ(z), die sich über die veränderte Reﬂektivität zurückverfolgen lässt. Wasserstoffkonzentrationen von 5 %-at mit einer Tiefenauflösung von einem Nanometer können mit konventionellen NR zuverlässig gemessen werden, aber Echtzeitexperimente bleiben durch die erforderlichen Expositionszeiten auf langsame Prozesse in der Größenordnung von Minuten bis Stunden begrenzt.

In dieser Arbeit wurde die Empfindlichkeit der Neutronenreﬂektometrie für Echtzeit-Experimente in dünnen Filmen erheblich gesteigert, indem Resonanzen ausgenutzt wurden, die sich aus der Bildung von stehenden Neutronenwellen in der Schicht ergeben. In-situ NR-Experimente an Niob Schichten während der Wasserstoffbeladung zeigen, dass eine schnelle Hydrierung bei Raumtemperatur mit einer Empfindlichkeit von ≈1 Atom-% auf einer Zeitskala von wenigen Sekunden verfolgt werden kann.

Die Resonanzverstärkung erweitert somit den Anwendungsbereich von NR durch Erhöhung der Empfindlichkeit, wobei einige der einzigartigen Vorteile der NR beibehalten werden. Insbesondere liefern Neutronenmethoden absolute Messungen der Wasserstoffkonzentration, im Gegensatz zur Röntgenreﬂektometrie, die den Hydrierungsprozess nur indirekt über seinen Einfluss auf die Schichtdicke sichtbar macht. Strahlenschäden im Material durch Neutronen sind vernachlässigbar, im Gegensatz zu nuklearen Methoden zum Wasserstoffnachweis, die Ionen mit hoher Energie benötigen. Ein weiterer Vorteil der auf Neutronen basierten Technik ist die Möglichkeit, Untersuchungen in-situ in Wassorstoff-Atmosphäre durchzuführen, während nukleare Methoden oft ein Hochvakuum erfordern. Die resonante Neutronenreﬂektometrie hat mit ihrer hohen Empfindlichkeit und ihrer Fähigkeit, schnelle Kinetik zu untersuchen, das Potenzial, sich zu einem leistungsstarken Werkzeug für das mikroskopische Verständnis und die Kontrolle von Wasserstoff in Festkörpern zu entwickeln.