Neutronenreflectometer-ROG

De neutronenreflectometer ROG meet de manier waarop neutronen worden gereflecteerd door dunne films en andere gelaagde structuren, om informatie te verkrijgen over de dikte, samenstelling en ruwheid van deze gelaagde structuren. Neutronenreflectometrie kan worden gebruikt om zowel vloeibare als vaste stof samples bestaande uit (meerdere) lagen met diktes van 5-150 nm op niet-destructieve te bestuderen onder tal van verschillende experimentele omstandigheden. Hierbij kan een resolutie tot maximaal 0,2 nm behaald worden.

De neutronenreflectometer is beschikbaar voor wetenschappers van over de hele wereld met en zonder ervaring met neutronenreflectometrie. Heeft u interesse? Neem dan contact op met de instrument scientist om meer te weten te komen over de mogelijkheden.

De neutronenreflectometer ROG krijgt op dit moment een upgrade in het kader van het OYSTER-project. Hierdoor zal de reflectometer, in combinatie met de installatie van de koude neutronenbron, tot wel 100 keer beter gaan presteren. In de herfst van 2020 hopen we volledig operationeel te zijn.

Toepassingen

  • Het bestuderen van oppervlakken en interfaces van dunne films, meerlagige structuren en coatings, zoals de in-situ bepaling van de waterstofconcentratie in metaalhydriden, de in-operando bestudering van batterijmaterialen en het bepalen van de samenstelling van dunne films van polymeren.
  • Het bestuderen van vast/vloeibaar-interfaces en membranen, waaronder eiwitdiffusie in membranen, membranen voor brandstofcellen, oppervlakte-actieve stoffen, interfaces tussen polymeren, proteïnen en enzymen, systemen voor medicijnafgifte en de interface tussen een electrode en een vloeibaar elektrolyt.
  • Het bestuderen van vloeibaar/gas- en vloeibaar/vloeibaar-interfaces, waaronder proteïnen, polymeren en enzymen in een oplossing.

Voorbeeld: dunne film metaalhydriden als optische waterstofsensor

Het bepalen van de aanwezigheid en concentratie van waterstof is cruciaal in veel industriële processen en voor de toepassing van waterstof als energiedrager. Dunne film metaalhydriden kunnen worden gebruikt om de waterstofdruk optisch te meten zonder dat er elektrische stromen in de buurt van het meetgebied nodig zijn. Deze sensoren maken gebruik van het feit dat de optische eigenschappen van metaalhydrides veranderen wanneer de waterstofconcentratie van een dunne film metaalhydride verandert als reactie op een andere partiële waterstofdruk in de omgeving van de metaalhydride film. Om de structurele reactie van deze dunne films op waterstof fundamenteel te begrijpen en het rationeel ontwerpen van nieuwe waterstofsensoren mogelijk te maken, is neutronenreflectometrie gebruikt om de waterstofdruk- en temperatuurafhankelijkheid van de waterstofconcentratie en de dikte van de metaalhydride laag te bestuderen van een aantal verschillende materialen (waaronder Hf, Ta en Pd1-yAuy). Met neutronenreflectometrie is zowel de waterstofdrukafhankelijkheid gemeten van de waterstofconcentratie en de uitzetting van de metaalhydride laag, wat een dieper en fundamenteler begrip van deze materialen oplevert.

 

Figuur 1.

Impressie van een optische waterstofsensor, waarbij een metaalhydride laag (in dit geval hafnium) op een glasvezel wordt aangebracht. Wanneer deze laag wordt blootgesteld aan waterstof, veranderen de optische eigenschappen ervan, wat gemeten en gebruikt kan worden om de waterstofdruk te bepalen. Een palladium laag wordt gebruikt om het waterstofmolecuul te splitsen en de reactietijd van de sensor te verkorten.

Referenties

Bannenberg et al. ACS Applied Materials & Interfaces 11(17), 15489-15497 (2019): https://doi.org/10.1021/acsami.8b22455

Bannenberg et al. Sensors and Actuators B: Chemical 283, 538-548 (2019): https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.12.029

Boelsma et al. Nature Communications  18, 15718 (2017): https://doi.org/10.1038/ncomms15718

Hoe het werkt

In een neutronenreflectometer wordt een vlak sample onder een kleine hoek (< 5 graden) belicht door een gecollimateerde neutronenbundel en wordt de fractie van de weerkaatste neutronen bepaald ten opzichte van het totale aantal neutronen dat op het sample invalt (de zogenaamde reflectiviteit).

Net als de reflectie van licht en röntgenstralen op een oppervlak hangt het reflectiviteit van neutronen af van de golflengte λ en de invalshoek θ van het neutron. Zoals Figuur 1 laat zien, worden alle neutronen weerkaatst bij invalshoeken die kleiner zijn dan de kritische invalshoek. Bij grotere invalshoeken neemt de reflectiviteit van een materiaal snel af naarmate de invalshoek groter wordt. De reflectiviteit wordt meestal niet weergegeven als functie van de invalshoek en/of de golflengte, maar als functie van de impulsoverdracht Q van het neutron wanneer dit door het sample wordt gereflecteerd: de impulsoverdracht combineert het effect van de invalshoek en de golflengte in één grootheid en hangt samen met de betreffende invalshoek en golflengte.

Figuur 2.

(a) Schematische weergave van een neutronenreflectometrie-experiment. In een neutronenreflectometrie-experiment wordt een sample onder een kleine invalshoek θ bestraald met een neutronenbundel. Deze neutronenbundel wordt gedeeltelijk gereflecteerd door het sample, en de fractie gereflecteerde neutronen wordt de reflectiviteit genoemd. Figuur (b) is een voorbeeld van een neutronenreflectogram: het toont de reflectiviteit als functie van Q. Q is de impulsoverdracht van het neutron wanneer het door het sample wordt gereflecteerd, en combineert het effect van de golflengte en de invalshoek op het reflectievermogen in één parameter. Bij een materiaal met een andere brekingsindex/Scattering Length Density (SLD) verandert het reflectogram. Merk op dat de invalshoeken in de weergave erg overdreven zijn en dat de reflectiviteit op een logaritmische schaal is uitgezet.

Analoog aan de reflectie van optisch licht aan oppervlakken hangt de kritische invalshoek en het aansluitende verval van de reflectiviteit bij een groter wordende invalshoek af van de brekingsindex van het onderzochte materiaal. Bij neutronen is het echter vaak handiger om een andere grootheid te gebruiken: de Scattering Length Density (SLD). De SLD is het product van de scattering length van een materiaal (een isotoop-afhankelijke grootheid die goed bekend is) en het aantal atomen per volume-eenheid. In tegenstelling tot röntgenstralen neemt de scattering length van neutronen niet eentonig toe met de atoommassa van een element en is het isotoopafhankelijk. Dat maakt neutronen bijzonder krachtig voor het detecteren van lichte elementen als waterstof en lithium en wordt isotopenvervanging mogelijk (bijv. waterstof door deuterium).

Wanneer een laag van een materiaal wordt aangebracht op een substraat dat bestaat uit een materiaal met een andere scattering length density dan het substraat, treedt er interferentie op tussen de neutronen die door het oppervlak van het sample worden gereflecteerd en de neutronen die door de interface van de twee materialen worden gereflecteerd. Zoals Figuur 2 laat zien, leidt deze interferentie tot zogenaamde fringes in het reflectogram, waarbij de breedte van deze fringes samenhangt met de dikte van de laag en de amplitude samenhangt met het verschil in scattering length density van beide materialen.

Figuur 3.

In een typisch reflectometrie-experiment wordt de Q-afhankelijkheid van de reflectiviteit van een sample (dat uit meerdere lagen kan bestaan) bepaald. Vervolgens wordt de gemeten reflectiviteit vergeleken met een simulatie op basis van een modelsysteem, waaraan schattingen van de laagdikte, Scattering Length Density (SLD) en ruwheid (en dus over de samenstelling van het materiaal) kunnen worden ontleend.

Eisen aan sample

Neutronenreflectometrie vereist relatief grote samples met een oppervlak van minstens 400 mm2 (en liever nog groter). Het belangrijkst is dat de samples extreem vlak en homogeen in de vlakterichting moeten zijn. Over het algemeen worden samples voor neutronenreflectometrie op een speciaal gepolijst substraat van kwarts(glas), SrTiO3 of MgF aangebracht, of op een relatief dikke (>3 mm) silicium wafer. Neem voor meer details contact op met de instrument scientist.

Experimentele omgeving

Op dit moment is de volgende experimentele omgeving gebruiksklaar:

  • Cel met gecontroleerde gasdruk (0-1,5 bar) en temperatuur (25-150 ºC) voor in-situ metingen;
  • Langmuir-bak met antivibratietafel;
  • Laminaire-stromingscel (Physica B 357 (2005) 208-212);
  • Overstroomcilinder (Physica B 283 (2000) 278-281);
  • Elektrochemische cel (in ontwikkeling).

Voldoet deze omgeving (nog) niet aan uw eisen? Neem dan contact op met de instrument scientist om de mogelijkheden te bespreken.

Specificaties van het instrument

De ROG neutronenreflectometer is een ongepolariseerde ‘time-of-flight’-neutronenreflectometer met een horizontale verstrooiingsgeometrie die kan worden gebruikt om zowel vloeibare als vaste samples te bestuderen onder tal van verschillende experimentele omstandigheden. Onderstaande tabel bevat nadere specificaties van de reflectometer.

Specificaties van de neutronenreflectometer ROG

 

Chopper en resolutie

Chopper met een dubbele schijf met variabele schijfafstand (0,2-0,7 m) die kan worden gebruikt bij 10-25 Hz; typisch gebruik met een schijfafstand van 0,3 m resulteert in Δλ/λ ≈ ΔQ/Q ≈ 0,04

Bundelgrootte ter hoogte van sample

40 mm (breedte)

Sampletafel

+/- 150 mrad, verticale verplaatsing van +/- 5 mm, maximum gewicht van 150 kg

Golflengtebereik

0,3 < λ < 1,5 nm (koude bron; in aanbouw)

Detector

3He detector

Afstand van sample tot detector

2 m

Afstand van chopper tot sample

5 m

Invalshoek

 

       Vaste stoffen: -25 < θ < 75 mrad Vloeistoffen: 0 < θ < 75 mrad

Momentumoverdracht

 

       Vaste stoffen: 0 < Q <  3 nm-1

       Vloeistoffen: 0 < Q <  3 nm-1

 

 

Instrument scientist

Lars Bannenberg