Titelaufnahme

Titel
Applications of synchrotron radiation induced total reflection x-ray fluorescence analysis in absorption spectroscopy / Florian Meirer
VerfasserMeirer, Florian
Begutachter / BegutachterinStreli, Christina ; Mantler, Michael
Erschienen2008
UmfangXII, 158 Bl. : Ill., graph. Darst., Kt.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2008
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (DE)Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse / TXRF / Synchrotronstrahlung / SR-TXRF / Absorptionsspektroskopie / XAS / XANES
Schlagwörter (EN)Total-reflection X-Ray Fluorescence Analysis / TXRF / Synchrotron radiation / SR-TXRF / Absorption-spectroscopy / XAS / XANES
Schlagwörter (GND)Synchrotronstrahlung / Totalreflexionsröntgenfluoreszenzanalyse / Absorptionsspektroskopie
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-26116 Persistent Identifier (URN)
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Applications of synchrotron radiation induced total reflection x-ray fluorescence analysis in absorption spectroscopy [5.37 mb]
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Klassifikation
Zusammenfassung (Deutsch)

Synchrotronstrahlungsinduzierte Totalreflexions-Röntgenfluoreszenzanalyse (engl. "SR-TXRF") ist eine mikroanalytische Methode, deren Nachweisgrenze für die meisten Elemente im Bereich von fg liegt. Die Verwendung einer Synchrotronstrahlungsquelle erlaubt die Kombination mit Absorptionsspektroskopie und dadurch eine Bestimmung des chemischen Zustandes eines spezifischen Elements, das nur in geringsten Mengen vorliegt. In der vorliegenden Arbeit wurde diese kombinierte Methode auf verschiedenste analytische Fragestellungen angewandt.

Für die Charakterisierung von Eisenkontaminationen auf Silizium-Wafer Oberflächen wurde eine Analyse der kantennahen Feinstruktur des Absorptionskoeffizienten (engl. "XANES") in Totalreflexionsgeometrie durchgeführt. Die chemische Elementanalyse von Kontaminationen auf Silizium-Wafern ist äußerst wichtig für die Halbleiterindustrie, um mögliche Quellen der Kontamination zu erkennen und zu beseitigen. Da eine solche Analyse mit Laborgeräten nicht möglich ist, war eine der Hauptaufgaben des Projekts die Machbarkeit einer XANES Studie an einem Synchrotron für die äußerst geringen Konzentrationen auf dem Substrat zu zeigen.

Um die Auswirkungen der Fein- und Ultrafeinstaubbelastung durch in der Luft gelöste Partikel (Aerosole) auf die menschliche Gesundheit, aber auch auf das globale Klima abschätzen zu können, ist die Kenntnis über Quellen und Transportmechanismen von Aerosolen unumgänglich. Eine Aerosol-Analyse sollte daher unter Berücksichtigung der Partikelgröße nicht nur Informationen über die in den Partikeln enthaltenen Elemente, sondern in speziellen Fällen auch über den chemischen Zustand eines spezifischen Elements liefern. Durch die Kombination von TXRF und XANES konnte sowohl der Oxidationszustandes des Eisens als auch die Elementzusammensetzung in Aerosolen bestimmt werden, die, nach Partikelgrößen aufgelöst, in verhältnismäßig kurzen Zeiträumen gesammelten wurden (was geringe Probenmengen zur Folge hat). Die Anwendbarkeit der Methode wurde weiters für die Analyse des Oxidationszustandes von Arsen im Xylem von Gurken (Cucumis sativus L.) getestet. Die Toxizität von Arsen hängt maßgeblich vom Oxidationszustand und der chemischen Verbindung ab - darüber hinaus ist bekannt, dass manche Pflanzen den Oxidationszustand des Arsens ändern können. Die Problemstellung lautete daher, eine Änderung des Oxidationszustandes des Arsens im Xylem von Gurken, denen diese Fähigkeit nachgesagt wird, nachzuweisen. Obwohl die Arsen-Konzentrationen im Bereich von 30 ng/mL lagen, konnte eine Reduktion von As(V) zu As(III) nachgewiesen werden.

Während der Messungen im Zuge dieser Arbeit, speziell bei der Analyse höher konzentrierter Proben (meistens Standards), wurden Dämpfungseffekte der Oszillationen in der Feinstruktur des Absorptionskoeffizienten beobachtet. Als Grund wurde ein Selbstabsorptionseffekt vermutet, bedingt durch die extrem kleinen Einfallswinkel der TXRF Geometrie. Dieser Effekt konnte durch Messungen und Simulationen, basierend auf einer einfachen Monte-Carlo Simulation, erfolgreich nachgewiesen und genauer untersucht werden. Diese Ergebnisse wurden durch weitere Experimente bestätigt, welche die Anwendbarkeit der zur TXRF invertierten Messgeometrie (engl. GE, "Grazing Exit" Geometrie) untersuchten.

Im Rahmen dieser Arbeit konnten die Anwendbarkeit, die Vielseitigkeit, sowie die Stärken und Schwächen der Kombination von TXRF und XANES Analyse zur Untersuchung geringster Probenmengen erfolgreich gezeigt werden.

Zusammenfassung (Englisch)

Synchrotron radiation induced TXRF (SR-TXRF) is a microanalytical technique which offers detection limits in the fg range for most elements. The technique can be coupled to X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) to gain information on the chemical environment of the specific elements of interest at an ultra trace level. The combination of these techniques has been applied to various analytical problems.

X-Ray Absorption Near Edge Structure (XANES) analysis in total reflection geometry was used to determine the chemical state of Fe contaminations on a silicon wafer surface. The ability to characterise chemically the contamination on silicon wafers is of critical importance to the semiconductor industry. It provides information on possible unwanted chemical processes taking place on the wafer surface and helps in determining the true source of the contamination problem. This type of information is not readily accessible with standard laboratory equipment. Main purpose of the study was to test the method for a contamination issue as it could appear in a microelectronic VLSI (Very-Large-Scale Integration) production fab.

To understand the effects of aerosols on human health and global climate a detailed understanding of sources, transport, and fate as well as of the physical and chemical properties of atmospheric particles is necessary. An analysis of aerosols should therefore provide information about size and elemental composition of the particles and - if desired -deliver information about the chemical state of a specific element of interest in the particles. Using the combination of SR-TXRF and XANES analysis it was possible to investigate the elemental composition of size fractioned atmospheric aerosols and the oxidation state of Fe in the aerosols even for small sample amounts due to short aerosol collection times.

The applicability of this combined technique was further tested for the determination of the arsenic species in cucumber (Cucumis sativus L.) xylem saps. The speciation of arsenic is relevant because the toxicity of arsenic differs considerably dependent on the oxidation state and chemical form and it is known that plants have the capability to change the oxidation state of arsenic.

During this work a damping of the oscillations of the absorption fine structure was observed when measuring samples with higher concentrations. It was assumed that the reason is a self absorption effect (absorption along the path of the incident beam) which occurs due to the extreme total reflection geometry. The influence of self absorption effects on TXRF-XANES measurements was investigated by comparing measurements with theoretical calculations. Additionally the inverse TXRF geometry - the grazing exit setup - was tested for its applicability to XANES analysis and applied to gain a better understanding of the above mentioned self absorption effect.

In the framework of this thesis it could be shown that TXRF analysis in combination with XANES analysis is a powerful and multifunctional method to perform chemical speciation studies at trace element levels.