Techniklexikon

Kernreaktionsanalyse

nuclear reaction analysis, NRA, kernphysikalische Analysemethode, die sich in die Gebiete resonante NRA (RNRA) und nicht-resonante NRA teilt.

1) Die resonante Kernreaktionsanalyse dient vorwiegend zur Element- und Konzentrationsbestimmung von »leichten« Elementen (Hauptbestandteile und / oder Verunreinigung) in Festkörpern. Resonanzen in Anregungsfunktionen von Kernreaktionen ermöglichen zudem die Messungen von Tiefenverteilungen im Nanometerbereich, was besonders bei technischen ultradünnen Schichten von Interesse ist. Häufig detektierte Elemente sind ¹H, ¹³C, ¹⁵N, ¹⁸O, ²⁷Al und ³⁰Si. Typische Anwendung findet die resonante Kernreaktionsanalyse bei der Bestimmung von N in Si (Beispiel technische Siliziumnitridschichten). Hierbei wird die bei 429 keV Protonenenergie »scharfe« (120 eV) ¹⁵N(p, ag) ¹²C-Kernreaktion herangezogen, um N hochsensitiv und tiefenempfindlich nachzuweisen. Die Tiefenauflösung beträgt wenige Nanometer. Sie ist eng verwandt mit der nicht-resonanten Kernreaktionsanalyse (siehe unten), nur werden zusätzlich hochpräzise Informationen über die Tiefenverteilungen der Elemente gewonnen. Oft sind oben genannte Isotope (auch H) bis in Targettiefen von Mikrometern tiefenaufgelöst nachweisbar.

2) Die nicht-resonante Kernreaktionsanalyse ist ebenfalls eine Analysemethode zur Element- und Konzentrationsbestimmung vorwiegend »leichter Elemente« in Festkörpern. Im Gegensatz zur resonanten Kernreaktionsanalyse (siehe oben) werden jedoch keine hochsensitiven Tiefenprofile gemessen, dafür aber die in der Natur häufiger vorkommenden Isotope leichter Elemente, wie z.B. ¹²C, ¹⁴N, ¹⁶O. Als Projektile dienen ebenfalls hochenergetische leichte Ionen: Protonen (p), Deuteronen (d) und ³He. Oberhalb einer bestimmten Projektilenergie (zwischen 0,3 und 1 MeV), die abhängig von Projektil und Targetkern ist, treten im Messspektrum in Vorwärts- und / oder Rückwärtsrichtung hochenergetische Partikel der Kernreaktionen auf. Ihre Energie ist im allgemeinen höher als diejenige von »RBS-Teilchen«. Der experimentelle Versuchsaufbau ähnelt demjenigen von RBS (Messung von rückwärts gestreuten Teilchen), nur wird zusätzlich eine Absorberfolie vor dem Oberflächensperrschichtzähler montiert, die derart dimensioniert wird, dass nur die rückgestreuten Teilchen gestoppt werden. Als Folge werden aber auch die Energien der Teilchen der Kernreaktionen wesentlich reduziert. Der daraus entstehende Nachteil ist eine Energieaufweitung der zu detektierenden Teilchen und somit meist ein grosser Verlust an Tiefenauflösung. In Bezug auf die Tiefenauflösung sind die Messspektren oft nur schwer interpretierbar, da die Signale verschiedener Kernreaktionen überlappen können. Zu beachten ist, dass beim untergrundsfreien Nachweis von leichten Elementen in schweren Matrices der Wirkungsquerschnitt NRA  RBS ist, was entweder hohe Ionenströme während der Analyse oder längere Messzeiten voraussetzt. Die Nachweisempfindlichkeit leichter Elemente (z.B. Bor und Lithium in Steinkohle) ist dadurch jedoch kaum beeinträchtigt und nach wie vor hoch. Ohne enormen experimentellen Aufwand beträgt sie 1 ppm(wt).

Kernreaktionsanalyse 1: Typische experimentelle Geometrie bei der nicht-resonanten Kernreaktionsanalyse. E₀: Energie der eingeschossenen Teilchen (z.B. Deuterium, typisch 1,5 MeV), E_in(x): Energie des Teilchens in der Tiefe x (reduziert durch Energieverlust), E_nach(x): Energie des Reaktionsproduktes in der Targettiefe x, Q: Q-Wert, E_abs: Energie des Reaktionsprodukts nach Passieren der Absorberfolie, f: Einschusswinkel (typisch 90°), q : Detektorwinkel (typisch 20°), Detektor: Oberflächensperrschichtzähler, Absorberfolie: typisch 10 mm Mylarfolie.

Kernreaktionsanalyse 2: Typisches Kernreaktionsspektrum. Eingeschossenes Ion: Deuterium, Energie: 900 keV; Detektionswinkel 20°; 12 mm Mylarfolie; Probe hergestellt durch ¹⁶O-Ionenimplantation in Silizium; resultierende SiO₂-Schichtdicke: 40 nm. Tiefenauflösung: 100 nm.