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Hydrogen is present in anhydrous materials as a result of their synthesis and of their environment during conservation. IBA provides techniques to measure H concentration depth profiles allowing to identify various aspects of the materials including the history of objects such as gemstones used in cultural heritage.
A newly established ERDA set-up, using an external microbeam of alpha particles, has been developed to study hydrated near-surface layers in quartz and sapphire by non-destructive H depth profiling in different atmospheres. The samples were also analysed using resonant NRA and SIMS.
Obwohl Wasserstoff omnipräsent ist, ist seine Analytik anspruchsvoll und es stehen nur wenige analytische Verfahren zur Auswahl. Unter diesen nimmt die auf einer Kernreaktion von Wasserstoff und Stickstoff basierende N-15-Methode einen herausragenden Platz ein. Sie liefert eine ortsaufgelöste Wasserstoffkonzentration bis in den ppm-Bereich in oberflächennahen Schichten (kleiner 2 µm).
Gegenstand der Arbeit sind die Darstellung der Theorie der N-15-Kernreaktionsanalyse (NRA), des experimentellen Aufbaus des entsprechenden Strahlrohrs am Ionenbeschleuniger der BAM und der Auswertung der Messergebnisse. Ziel ist die erstmalige Charakterisierung eines Referenzmaterials für die H-Analytik auf Basis von amorphen Silizium (aSi) auf einem Si[100]-Substrat.
International wird von den metrologischen Instituten NIST [REE90] und IRMM [VAN87] je ein Referenzmaterial für die Heißextraktion in Form von Titanplättchen angeboten. Diese sind aber für die oberflächennahen Verfahren (NRA, ERDA, GDOES, SIMS) nicht nutzbar, da die oberflächennahe Konzentration von Wasserstoff in Titan nicht konstant ist. Die Homogenität der mittels CVD abgeschiedenen aSi:H-Schichten wurde untersucht. Dazu wurden pro Substrat für ca. 30 Proben die Wasserstofftiefenprofile gemessen, mittels eines innerhalb der Arbeit entstandenen Programms entfaltet und der statischen Auswertung unterzogen. Das Ergebnis waren Mittelwert und Standardabweichung der Wasserstoffkonzentration, sowie ein Schätzer für den Beitrag der Inhomogenität zur Meßunsicherheit.
Die Stabilität des potentiellen Referenzmaterials wurde durch die Konstanz der Ergebnisse von Wiederholtungsmessungen der Wasserstoffkonzentrtion während der Applikation einer hohen Dosis von N-15 Ionen bewiesen. In einem internationalen Ringversuch wurde die Rückführbarkeit der Messergebnisse nachgewiesen. Teilnehmer waren 13 Labore aus 7 Ländern. Eingesetzt wurden N-15 und F-19 NRA, ERDA und SIMS. Besonderer Beachtung wurde der Bestimmung der Messunsicherheiten gewidmet.
Für die Charakterisierung der aSi:H-Schichten wurden neben der NRA die Weißlichtinterferometrie, Ellipsometrie, Profilometrie und Röngenreflektometrie, sowie die IR- und Ramanspektroskopie genutzt. Die Stöchiometrie des eingesetzten Standardmaterials Kapton wurde mittels NMR-Spekroskopie und CHN-Analyse überprüft.
A set of ten calibration materials based on acrylonitrile-butadiene-styrene terpolymer (ABS) containing the elements Br, Pb, Cd, Cr, and Hg was produced in order to control polymer samples in regard to the restriction on the use of certain hazardous substances (RoHS) directive. The materials were produced with respect to the special demands of X-ray fluorescence analysis (XRF) and inductively coupled plasma mass spectrometry in combination with laser ablation (LA-ICP-MS).
The mass fractions of all elements were 0-1500 mg/kg and the materials were produced as granulates and solid discs with a diameter of 40 mm and thicknesses of 1, 2, and 6 mm. It could be shown that the signals measured by XRF strongly depend on the thickness of polymeric samples.
Macroscopic homogeneity was assessed with XRF measuring a total of 180 samples. The microscopic homogeneities were determined for a material with average elemental mass fractions with the aid of synchrotron radiation (SR) µ-XRF and LA-ICP-MS. Sufficient macroscopic and microscopic homogeneities for all elements could be achieved. It was observed that organic additives show a better homogeneity than oxides.
XRF and LA-ICP-MS were successfully calibrated with the new materials. Limits of detection were in the range of 0.4-22 mg/kg for XRF and 2.3-26.8 mg/kg for LA-ICP-MS. The materials are considered as candidate reference materials (RM) by the Federal Institute of Materials Research and Testing (BAM, Germany).