Grazing Emission X‐Ray Fluorescence: Novel Concepts and Applications for Nano‐Analytics

Baumann, Jonas; Kayser, Yves; Kanngießer, Birgit

doi:10.1002/pssb.202000471

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“…Even though the presented main developments of the SF‐GEXRF technique have been performed using synchrotron beamlines as excitation sources, the technique is suitable for laboratory‐based application. Laboratory based application examples of GEXRF already exist [ 40 ] and naturally also the SF‐GEXRF based nanostructure characterization can be performed employing such setups. For a demonstration, we used a low power microfocus X‐ray tube as well as a pnCCD (p‐n junction charge coupled device) [ 41 ] as the area selective fluorescence detector to perform GEXRF on the Cr nanostructures shown earlier.…”

Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

Simultaneous Dimensional and Analytical Characterization of Ordered Nanostructures

Hönicke

Kayser

Nikolaev

et al. 2021

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The spatial and compositional complexity of 3D structures employed in today's nanotechnologies has developed to a level at which the requirements for process development and control can no longer fully be met by existing metrology techniques. For instance, buried parts in stratified nanostructures, which are often crucial for device functionality, can only be probed in a destructive manner in few locations as many existing nondestructive techniques only probe the objects surfaces. Here, it is demonstrated that grazing exit X‐ray fluorescence can simultaneously characterize an ensemble of regularly ordered nanostructures simultaneously with respect to their dimensional properties and their elemental composition. This technique is nondestructive and compatible to typically sized test fields, allowing the same array of structures to be studied by other techniques. For crucial parameters, the technique provides sub‐nm discrimination capabilities and it does not require access‐limited large‐scale research facilities as it is compatible to laboratory‐scale instrumentation.

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Section: Resultsmentioning

confidence: 99%

Simultaneous Dimensional and Analytical Characterization of Ordered Nanostructures

Hönicke

Kayser

Nikolaev

et al. 2021

Small

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“…The only way to distinguish the layers is to get a priori knowledge of the composition of the sample, or to analyze the bulk if feasible. Nevertheless, new set-ups are now also being developed to analyze layered samples [20][21][22]: for example, performing an angular scanning [23][24][25], evaluating the ratio of the fluorescence lines [26,27], exploiting MA-XRF mapping [28][29][30], or through Monte Carlo simulations [11,31,32].…”

Section: Introductionmentioning

confidence: 99%

FUXYA2020: A Low-Cost Homemade Portable EDXRF Spectrometer for Cultural Heritage Applications

et al. 2022

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The project FUXYA2020 was intended to design and prototype a low-cost basic energy dispersive X-ray fluorescence spectrometer for all those cases where there is not enough financial support to buy a commercial device. Indeed, home-made instruments are ideal when funds are low but constant over the years, as this approach allows the costs to be spread over a longer period of time. The FUXYA2020 was intended mostly for cultural heritage (CH) applications: we optimized the geometry to meet the requirements for both low Z matrix objects, such as glasses and ceramics, and medium-high Z materials, such as metals; besides, we designed a positioning system through Arduino components to obtain good results and repeatability for samples with a complex geometry. The FUXYA2020’s performance was tested both for qualitative and quantitative analyses, the former on pigment layers, and the latter on gold-based certified alloys, exploiting Axil-QXAS software for data elaboration. The classification of ancient ceramics based on multivariate analysis obtained through R environment was also carried out. The qualitative data on pigments have also been compared with the same data obtained by a commercial XRF spectrometer, demonstrating how our very simple and inexpensive prototype can be of great help for a rapid and reliable characterization of cultural heritage materials whenever commercial devices are unaffordable.

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“…Dabei wird die einfallende oder emittierte Röntgenstrahlung unter streifenden Winkeln nahe dem kritischen Winkel für externe Totalreflexion beobachtet. Mit dieser Experimentanordnung werden verschiedene Tiefenbereiche innerhalb der Probe abgetastet [94]. Kayser et al [91] und Hönicke et al [92] bestimmten damit die Tiefenverteilung der Ionen von Al-implantierten Siliziumwafern, die mit Energien im Bereich von 1 -50 keV (maximale Reichweite der Ionen: ≈ 150 nm) bestrahlt wurden.…”

Section: Strukturänderung Von Diamant Durch Bestrahlungunclassified

“…Messungen können semiquantitative oder quantitative Informationen liefern, da die detektierte Fluoreszenzintensität direkt mit den Konzentrationen der Elemente im angeregten Material zusammenhängt [170]. Die Verwendung von Synchrotronstrahlung als Röntgenquelle ermöglicht nicht nur die genaue Einstellbarkeit der Energie, sondern auch eine Elementanalyse mit außergewöhnlicher Empfindlichkeit und räumlicher Auflösung aufgrund eines mikrofokussierten Röntgenstrahls und des hohen Flusses [94,171].…”

Section: Röntgenfluoreszenzanalyseunclassified

“…Bei Röntgenfluoreszenzanalyse unter streifendem Winkel (engl. : grazing emission X-ray fluorescence, GEXRF) wird die angeregte Röntgenfluoreszenz bei Emissionswinkeln nahe dem kritischen Winkel für externe Totalreflektion beobachtet [94]. Die Technik wird unter anderem für Dünnschichtanalysen [172], die Kontrolle von Oberflächenkontaminationen [171,173] und die Charakterisierung von Nanopartikeln [174] verwendet.…”

Section: Röntgenfluoreszenzanalyseunclassified

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Strahlungsinduzierte Schädigung von Diamant und Zirconiumdioxid

Bunk¹

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Diamant hat besondere physikalische und optische Eigenschaften sowie eine starke Resistenz gegenüber Strahlenschädigung. Diese Eigenschaften ermöglichen eine vielfältige Anwendung von Diamant in Wissenschaft und Technik, wie zum Beispiel als Sensormaterial in Strahlungsdetektoren. Kubisches Zirconiumdioxid (ZrO2) wird aufgrund seiner mechanisch und optisch ähnlichen Eigenschaften unter anderem an Stelle von Diamant eingesetzt. Es ist ebenfalls ein geeignetes Material für viele technische Anwendungen und wird durch seine Strahlenresistenz in Strahlungsumgebungen verwendet. Da beide Materialien in diesem Anwendungsbereich hoher energetischer Strahlung ausgesetzt sind, sind Reaktionen auf die Bestrahlung wie etwa strukturelle Veränderungen oder die Änderungen von Materialeigenschaften von großem Interesse. In der vorliegenden Arbeit wurde die Morphologie, Struktur und physikalischen Eigenschaften von Diamant und Yttriumoxid-stabilisiertem kubischem ZrO2 nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen und 1.6 GeV Au-Ionen untersucht. Die durch die Bestrahlung verursachten Veränderungen der Oberflächen und der bestrahlten Volumina wurden mit diversen komplementären analytischen Methoden charakterisiert, bewertet und für die verschiedenen Materialien und Ionenenergien verglichen. Mittels Röntgenfluoreszenzmessungen wurde die Verteilung und Menge an implantiertem Au semi-quantitativ ermittelt. Die Oberflächen der Proben wurden mit optischer Mikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Röntgenreflektometrie und Elektronenrückstreubeugung untersucht. Strukturelle Veränderungen wurden mit Raman-Spektroskopie analysiert. Der elektrische Widerstand, die Dichte, die Härte sowie das Ätzverhalten der bestrahlten Proben wurden ermittelt und geben Auskunft über die Änderung physikalischer Eigenschaften der Materialien. Diamant und kubisches ZrO2 reagieren sehr unterschiedlich auf die Bestrahlung mit Au-Ionen gleicher Energien und Fluenzen. Die Diamantproben zeigen nach der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen deutliche Veränderungen und Schädigungen der Oberfläche sowie des bestrahlten Volumens. Es wird eine Änderung der Struktur, der Dichte, der Härte, des elektrischen Widerstands sowie des Ätzverhaltens der Proben beobachtet, was auf die Amorphisierung von Diamant zurückgeführt wird. Kubisches ZrO2 ist deutlich strahlungsresistenter gegenüber der Bestrahlung mit 14 MeV Au-Ionen. Es werden keine signifikanten strukturellen Änderungen im getesteten Fluenzbereich beobachtet. Die mit 1.6 GeV Au-Ionen bestrahlten Diamanten zeigen nur geringe Schädigungen und keine deutliche Änderung der Struktur oder der physikalischen Eigenschaften. Die kubischen ZrO2 Proben sind als Folge der Bestrahlung mit 1.6 GeV Au-Ionen zerbrochen, was auf hohe interne Spannung durch Defektbildung zurückgeführt wird.

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Grazing Emission X‐Ray Fluorescence: Novel Concepts and Applications for Nano‐Analytics

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Simultaneous Dimensional and Analytical Characterization of Ordered Nanostructures

Simultaneous Dimensional and Analytical Characterization of Ordered Nanostructures

FUXYA2020: A Low-Cost Homemade Portable EDXRF Spectrometer for Cultural Heritage Applications

Strahlungsinduzierte Schädigung von Diamant und Zirconiumdioxid

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