مقالة منهجية

تحضير العينات وقياسات المقاومة لمجهر إلكتروني النقل الأوبراندو أثناء التسخين والتحيز الكهربائي

DOI:

10.3791/68886

⸱

يونيو 26, 2026

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Max Planck Institute for Sustainable Materials, 2Pukyong National University, 3Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, 4DENSsolutions B.V.

* These authors contributed equally

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يتم تقديم طريقة فريدة لتحضير عينات المجهر الإلكتروني الناقل (TEM) على شرائح الأنظمة الميكروكهروميكانيكية (MEMS). يتم ترسيب الاتصالات الكهربائية باستخدام شعاع أيوني مركز، مع تقليل المقاومة عبر التسخين على الشريحة، ويتم تقييمها عبر أبعاد عينة مختلفة، مما يمكن من قياسات التوصيلية الكهربائية عند درجات حرارة مختلفة أثناء ملاحظات TEM في الموقع .

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

توصيف البنى المجهرية للمواد أمر ضروري لفهم العلاقات مع خصائصها. ومع ذلك، يمكن أن تشهد البنية الدقيقة تغيرات أثناء التشغيل عند درجات حرارة مرتفعة وتحيز كهربائي. هذه الظروف هي المعيار في الأجهزة الحرارية الكهربائية، التي تولد الكهرباء من فرق درجة حرارة. لتوصيف هذه التغيرات الهيكلية الدقيقة في الموقع في المجهر الإلكتروني الناقل (TEM)، تم استخدام تقنية تجارية قائمة على MEMS. يمكن تكرار ظروف الأوبراندو للأجهزة الحرارية، مثل الأحمال الحرارية والتحيز الكهربائي، بواسطة الشرائح أثناء المراقبة الميدانية للطاقة الحرارية. هنا، نعرض نهجنا لتحضير عينات TEM على شرائح MEMS في الموقع ، المناسبة للتسخين والتحييز، باستخدام شعاع الأيونات المركز (FIB). يتم أولا رفع العينة من مادة سائبة ثم تتصل بالأقطاب الموجبة والسالبة في الشريحة. يتم إنشاء هذه التلامسات عن طريق ترسيب شعاع الأيونات لمركب Pt-C. وأخيرا، يتم تخفيف عينة TEM مباشرة على الشريحة باستخدام FIB. لقياس الخصائص الكهربائية لعينة TEM، يتم تطبيق جهد كهربائي بين قطبين. يتم قياس التيار عبر العينة لاشتقاق المقاومة الكلية عند كل درجة حرارة. بعد ذلك، يتم تحديد مقاومة العينة ومقاومة التلامس من المقاومات المقاسة عند أبعاد عينة مختلفة خلال مراحل مختلفة من تخفيف FIB. تظهر النتائج أن التسخين حتى 200 درجة مئوية يؤدي إلى انخفاض مقاومة التلامس بعد كل تخفيف في FIB. بعد تلدين التلامس، يمكن قياس المقاومة الكهربائية بشكل موثوق باستخدام النهج المعروض من درجة حرارة عالية حتى درجة حرارة الغرفة، خالية من تأثير مقاومة التلامس.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نظرا لأن البنية الدقيقة لمعظم المواد تلعب دورا حاسما في أدائها واستقرار خصائص المادة، فمن الضروري فهم الآليات التي يمكن من خلالها تعديل البنية الدقيقة وتأثيرها على الخصائص. يمكن دراسة التغيرات الميكروبنيوية، التي تسببها التسخين أو الانحياز الكهربائي للعينة، من خلال التوصيف خارج الموقع 1. في هذا النهج، يتم أولا قياس خصائص المادة تحت حرارة وتحيز مطبق، ثم يتم تحليل البنية المجهرية بعد ذلك.

لالتقاط التغيرات الديناميكية الميكروبنيوية عند درجات حرارة مرتفعة، يجب إجراء الملاحظة في الموقع. تشير القياسات في الموقع عادة إلى دراسة عينة أثناء تعرضها لمنبه أو بيئة مسيطر عليها، مما يمثل مراحل محددة من تخليق المادة أو تشغيل الجهاز. يتيح ذلك الملاحظة المباشرة للبنية المجهرية أثناء تسخين العينة إلى درجات حرارة التشغيل. تسمح هذه الطريقة بربط تطور البنية الدقيقة مع تأثير درجة الحرارة أو التحيز 2,3. علاوة على ذلك، يمكن التقاط حركية تغيرات البنية المجهرية، بالإضافة إلى استقرار بعض البنى المجهرية4،أثناء استمرار عملية التسخين من خلال تجارب ميدانية.

بالإضافة إلى القياسات الميدانية ، توفر قياسات الأوبراندو رؤى حول كيفية استجابة العينة وتطورها تحت ظروف التشغيل الفعلية6. بينما تستخدم مصطلحات تجارب الموقع والأوبراندو غالبا بالتبادل، عادة ما تدمج قياسات الأوبراندو الملاحظة المجهرية في الموقع مع قياسات أداء الجهاز أو خصائص المواد، مثل التوصيل الكهربائي. تم تطبيق المجهر في الموقع والأوبراندو على نطاق واسع لدراسة المواد في تطبيقات طاقة متنوعة، بما في ذلك الكهرباء الحرارية (TE)7،8، وبطاريات9،10، الكهروضوئية11، والمحفزات12،13.

لتوصيف المجهر الإلكتروني الناقل في الموقع والأوبراندو (TEM) والمسح الماسح TEM (STEM)، تتوفر مجموعة متنوعة من شرائح الأنظمة الكهروميكانيكية الدقيقة (MEMS). تقدم عدة شركات تجارية، بما في ذلك DENSsolutions14,15، وProtochips16,17، وHummingbird18، شرائح MEMS لأداء مهام متنوعة، مثل تسخين19,20، تبريد21، التحيز الكهربائي20، وتعريض العينة للغازات14,22 أو السوائل14,22.

عند إعداد عينات (S)TEM، من الضروري ضمان شفافية الإلكترونات لجميع العينات المنتجة. يسمح FIB بالاستخراج الانتقائي من الموقع عن طريق طحن صفائح من المادة السائبة. يتم لحام الصفيحة على شبكة TEM تقليدية أو شريحة MEMS (للدراسات الميدانية)، حيث يمكن تخفيفها أكثر حتى تصبح شفافة الإلكترونات. تم وصف عدة طرق قائمة على FIB لتحضير عينات شرائح MEMS في الموقع في الأدبيات17، 23، 24، 25، 26. استخدمت العديد من الطرق إجراء FIB التقليدي لرفع مقطع عرضي من العينة السائبة وربط الصفيحة بشبكة TEM تقليدية. بعد ذلك، يتم نقل اللاميلا إلى شريحة MEMS ووضعها بشكل مسطحعليها 25 أو تنقل اللاميلا إلى شريحة MEMS بعد التخفيف، حيث يتم الاتصال بها مع البلاتين (Pt) للاتصال الكهربائي بالشريحة26,27. أظهر مينينكوف وآخرون نقل نموذج FIB لعينة عرض ميكانيكي مصقولة إلى شريحة MEMS28.

ومع ذلك، تتضمن كل هذه الطرق نقل صفيحة مخففة إلى شريحة MEMS وتواجه تحديات شائعة. إحدى المشكلات هي أن الصفائح المخففة قد تكون هشة وتتعرض لأضرار ميكانيكية أثناء النقل. علاوة على ذلك، يتعرض سطح الصفيحة مباشرة لتلف شعاع الأيونات أثناء عملية النقل، بينما قد لا تكون خطوات التنظيف الإضافية ممكنة عند ملامسة العينة بشريحة MEMS. يمكن أن يؤدي هذا التعرض لزرع أيونات Ga إلى تغيير البنية المجهرية29 ويسبب تشوهات في قياسات الأوبراندو لخصائص المادة.

لمعالجة مثل هذه التحديات، قدم زينتلر وآخرون طريقة تحضير FIB باستخدام التخفيف المسبق إلى سمك 300–400 نانومتر، تليها تخفيف مباشر على الشريحة. قدم Srot وآخرون 17 وألميدا وآخرون 31 نقلا مباشرا لمقاطع العينة الشاملة إلى شريحة MEMS في الموقع وتخفيف مباشر على الشريحة، دون خطوات ما قبل التخفيف. تمنع هذه الطرق المشاكل المذكورة أعلاه، خاصة تلوث العينات.

في مواد TE، أداء وثبات الخصائص أمران أساسيان. لذا، من المهم فهم الآليات التي يمكن من خلالها تغيير البنية المجهرية وتأثيرها على الخصائص. في هذا العمل، تم استخدام مادة Zn4Sb3 TE لإظهار جدوى هذه الطريقة. تستخدم مواد TE تدرج درجة حرارة بين الجانب الحار والجانب البارد لتحويل الحرارة مباشرة إلى طاقةكهربائية 32,33. كفاءة هذا التحويل للطاقة تحكمها الرقم عديم الأبعاد للجدارة (zT)،

figure-introduction-1 (1)

حيث S هو معامل سيبيك، والموصلية الكهربائية، وT هو درجة الحرارة، وk هو الموصلية الحرارية.

من بين هذه المعايير، يمكن ضبط خصائص النقل بفعالية من خلال الهندسة الهيكلية الدقيقة للمواد المقاومة التضاريسية، بما في ذلك الانزلاعات4، صدال التكديس34، حدود الحبيبات35، 36، 37، 38، والترسيب39 و40. يستخدم المجهر الإلكتروني على نطاق واسع لتوصيف البنية المجهرية لمواد TE. على المستوى المجهري، تستخدم تقنيات المجهر الإلكتروني الماسح (SEM)41,42 بشكل شائع لتحليل بنية الحبيبات والمراحل الثانوية الكبيرة في المواد43. لحل المراحل النانوية ودراسة البنية الذرية للعيوب والواجهات، يتطلب الأمر توصيفا باستخدام TEM وSTEM 39,44,45,46.

عادة ما يتم تشغيل مواد TE من درجة حرارة محيطة تصل إلى عدة مئات من الدرجات المئوية، وبالتالي يتم تقييم خصائص نقلها على نطاق درجة الحرارة الذي يفترض أن تعمل فيه المادة. بالإضافة إلى ذلك، تتعرض مواد TE لدورة حرارية، مما قد يؤدي إلى تدهور الخصائص، بما في ذلك انخفاض التوصيل الكهربائي47. كما أبلغ عن الصدمات الحرارية في الجانب الحار من الجهاز على زيادة في المقاومة الكهربائية من خلال تجارب التشغيل طويلة الأمد على دورات حرارة متكررة48.

في هذا العمل، يتم تقديم بروتوكول إعداد عينات محسن قائم على FIB لتقنية التصوير الميداني ، في هندسة العرض المخططية على شرائح MEMS للقياسات الكهربائية. من خلال تنفيذ كل عمليات التخفيف على شريحة MEMS، تتجنب هذه الطريقة خطر الفشل الميكانيكي أو التشوهات الناتجة عن التلف الناتج عن شعاع الأيونات. علاوة على ذلك، تم تقديم بروتوكول لإجراء قياسات كهربائية تحت ظروف تسخين الأوبراندو لدراسة سلوك النقل المعتمد على درجة الحرارة. لاستخلاص المقاومة الكهربائية الجوهرية للعينة في إعداد مكون من مجساتين، أجريت قياسات كهربائية على ثلاث مراحل من تخفيف FIB، حيث تم تغيير أبعاد العينة (وخاصة السمك). توفر هذه الطريقة إطارا لربط الخصائص الهيكلية والتركيبية والكهربائية على المستوى النانوي من خلال قياسات الموقع والقياسات الأوبراندو .

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. استخراج ونقل عينة TEM إلى شريحة MEMS

  1. في الخطوة الأولى، يتم تحميل شريحة MEMS مع العينة الكبيرة، التي سيتم استخراج عينة TEM منها، إلى FIB. استخدم ملقطا بأرواح مستديرة غير موصلة (مثل الكربون) عند التعامل مع شريحة MEMS لمنع الشحن. بالإضافة إلى ذلك، قد يكون ملقط مستقيم آخر ذو رؤوس كربونية (غير موصلة التوصيل) مفيدا للخطوات التالية (الشكل 1A,B).

figure-protocol-1
الشكل 1: نظرة عامة على الأدوات وشرائح MEMS. (أ) و(ب) ملاقط بأطراف كربونية/غير موصلة (ج) لحظات الصناعات الإلكترونية القياسية، (د) لفة SEM مع شريط نحوب وشريحة MEMS، و(ه) ورق ألمنيوم إضافي. كما تظهر (F) الجانب الأمامي من حامل FIB المائل مع جزء SEM ونوافذ الإلكترون (G) على شريحة MEMS. أبعاد نوافذ الإلكترون الشفافة في (G) هي 2 ميكرومتر (1)، 6 ميكرومتر (2)، و10 ميكرومتر (3). يجب أن تكون أحجام عينات TEM 10 ميكرومتر (1)، 18 ميكرومتر (2)، و26 ميكرومتر (3). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

  1. استخدم شريحة SEM قياسية (الشكل 1C) التي ستوضع عليها شريحة MEMS.
  2. قم بتثبيت شريط نحوب لاصق مزدوج الجانب على السطح المستوي لقطع SEM.
  3. الآن، أخرج شريحة MEMS من صندوق الشريحة باستخدام الملقط ذو الطرف المستدير وضعها على دبوس T مع شريط Cu-tape عليه. قم بمحاذاة الشريحة بحيث يكون شعار الشركة على الجزء العلوي من دبوس T (الشكل 1D).
    تحذير: يجب أن تتم الخطوة التالية بحذر.
  4. اقطع قطعة صغيرة من ورق الألمنيوم يمكن طيها في المنتصف لتحسين التلامس مع شريحة MEMS. يجب أن يكون الحجم كافيا لتغطية شريحة MEMS وجزء من شريط النحس، حيث أن رقائق الألمنيوم ستكون ملتصقة عليها من كل جانب وتحت الشريحة (الشكل 1E).
    1. ضع ورق الألومويوم بعناية فوق شريحة MEMS وبالقرب قدر الإمكان من غشاء SiN المعلق. لا تغطي هذا الغشاء المعلق (الشكل 1F)، لأن ذلك قد يؤدي إلى كسر غشاء الشريحة (الشكل). سيتم تثبيت عينة TEM على الشريحة فوق أحد الثقوب الجاهزة في الغشاء بين أقطاب الانحياز (الشكل 1G).
  5. قم بتهوية المجهر في FIB لإدخال العينة.
  6. مشابه لشريحة MEMS، ضع العينة الكبيرة على جزء SEM آخر أو حامل عينة آخر. ثم وضع أسطح العينة الضخمة وشريحة MEMS أفقيا على المسرح (هندسة العرض المخطط).
  7. الآن أعد إدخال المسرح، أغلق الباب، واضخ الحجرة لإعادة تثبيت الفراغ.
  8. ابدأ عملية FIB. لهذا، قم بتهيئة مصدر الإلكترون والأيونات.
  9. أولا، تحقق من شريحة MEMS مع صورة الإلكترون الثانوي (SE) للتأكد من أن الشريحة لم تتضرر. خصوصا التلامسات على الشريحة وغشاء SiN، لأنه رقيق جدا (1 ميكرومتر)، يجب التحقق منه.
  10. بعد ذلك، تحرك المرحلة لتصوير العينة الضخمة وحدد المنطقة أو المنطقة المعنية (ROI).
  11. اضبط العينة على ارتفاع غير مركزي، بحيث يبقى العائد على الاستثمار في المركز لكل من صور الإلكترون وشعاع الأيون.
  12. بعد ذلك، إمالة المرحلة إلى 52° (تتوافق مع 0° بالنسبة لزاوية شعاع الأيون).
    ملاحظة: عند استخدام شعاع الأيونات للتصوير، يجب دائما ضبط التيار على قيمة أقل من 30 بيسوأمبير، حسب المادة (للعينات الحساسة للشعاع، حتى 10 بيسو أمبير أو أقل)، لحماية السطح، ويستخدم جهد 30 كيلوفولت. في كل مرة يتم فيها تنفيذ نمط التفريز، يتم إيقاف شعاع الأيون، وتستخدم فقط لقطات قصيرة جدا لضبط الموضع أو التركيز عند هذه التيارات الأعلى قبل بدء النمط سواء للتشكيل أو الترسب. إذا كان سطح العينة بحاجة إلى حماية من شعاع الأيونات، يمكن الآن استخدام طبقة حماية رقيقة من ترسيب C أو Pt، لكنها ليست مطلوبة لهذه الطريقة. يمكن إجراء الطحن في هذه المرحلة، مما يعني أن عينة TEM تقطع من العينة الضخمة ويتم نقلها إلى شريحة MEMS. كانت الأبعاد عادة 5 ميكرومتر × 12 ميكرومتر (الشكل 2A). يجب النظر في مساحة أكبر من العائد على الاستثمار، لأن جزءا صغيرا من جوانب العينة قد يختفي بسبب التيارات المستخدمة في الطحن الخشن.

figure-protocol-2
الشكل 2: طحن اللاميلا بالجملة. أبعاد عينة TEM ذات العرض المخططي في صورة SEM. (أ) أنماط الطحن الخشن "الأعلى" و"السفلي"، و(ب) أنماط الطحن على الجانب "الأيمن" و"الأيسر". (د) الجوانب المائلة بعد (ج) الطحن الخشن تسطح بواسطة طحن آخر على جميع الجوانب الأربعة، و(ه) تصبح مسطحة بعد ذلك. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

  1. أولا، قم بفصل الجزء "العلوي" باستخدام أبعاد حوالي 13 ميكرومتر في اتجاه x و14 ميكرومتر في اتجاه y بعمق (قيمة z) 10 ميكرومتر (الشكل 2A). استخدم نمط "المقطع العرضي المنتظم" وتيار من 5–15 نانوأمبير.
  2. يتبع ذلك الطحن "السفلي" (الشكل 2A). مرة أخرى، استخدم نمط "المقطع العرضي المنتظم" وتيار بين 5–15 نانوأمبير. أبعاد هذه الخطوة هي 13 ميكرومتر في اتجاه x و10 ميكرومتر في اتجاه y. العمق هو 10 ميكرومتر. في هذه المرحلة من العملية، ستكون جدران العينة مائلة قليلا (الشكل 2D).
  3. بعد ذلك، قم بتطحن الجوانب عن طريق طحن الجانبين "الأيسر" و"الأيمن" بأبعاد 6 ميكرومتر في الاتجاه x و10 ميكرومتر في اتجاه y (الشكل 2B). تطبيق تيار من 5–15 نانوأمبير باستخدام نمط "المقطع العرضي المنتظم" بعمق 10 ميكرومتر.
  4. بعد ذلك، قم بإجراء طحن خشن مع تيار منخفض بمقدار 1 نانوأمبير وتقويم جميع جدران العينات الأربعة (الشكل 2E). لهذا، استخدم نمط "تنظيف المقطع العرضي" لجميع الجوانب الأربعة (الشكل 2C). طبق تيار بقوة 1 نانوأمبير بقيمة z تبلغ 10 ميكرومتر.
  5. إمالة المرحلة إلى 0° أو -5° بالنسبة لشعاع الإلكترونات. يفضل زاوية -5°، لأنها توفر وصولا أفضل للطحن النهائي واستخراج العينة بالإبرة كما هو موضح في الخطوات التالية.
  6. الآن استخرج عينة TEM باستخدام إبرة دقيقة حادة. لهذا، أدخل جهاز التحكم الدقيق. يحتوي المجهر FIB المستخدم على خيارين لإدخال الإبرة، وهما "الإدخال" و"وضع الوقوف". اختر الخيار الثاني لأن اصطدام الإبرة في العينة سيتم منعه بهذه الطريقة بعد تعديل الارتفاع غير المركزي.
  7. أنزل الإبرة بحذر إلى عينة TEM.
  8. حرك الإبرة إلى الزاوية العلوية/الحافة اليسرى من عينة TEM.
  9. قم بتسخين نظام حقن الغاز (GIS). إدخال نظام حقن الغاز بترسيب Pt-(GIS)؛ قد تتحرك الصورة قليلا أثناء هذه الإجراءات، وقد تحتاج إلى تعديل الوضعية.
  10. اختر نمطا "مستطيلا" لتغطية جزء من الإبرة وزاوية عينة TEM (الشكل 3A). يجب تغيير النمط إلى "ترسب" بدلا من "Si-milling". استخدم تيارا من 30–50 بيسو أمبير مع ارتفاع z لنمط الترسيب البالغ 1 ميكرومتر.

figure-protocol-3
الشكل 3: استخراج العينة. النمط الخاص بترسيب Pt (A) بعد إدخال Pt GIS، و(B) نمط الطحن لقطع العينة من الكتلة الكبيرة. (ج) يكون ظل العينة مرئيا عندما يكون قريبا من سطح شريحة MEMS. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

  1. يستخدم نمط طحن "مستطيل" وتيار 3 نانوأمبير للقطع (الشكل 3B). اختر بعد x أكبر قليلا من طول عينة TEM. اختر قيمة z من 5–10 ميكرومتر، حسب عرض العينة. ابدأ بإفادة المحقق.
  2. بعد ذلك، قم بسحب نظام المعلومات الجغرافية للجسم (Pt GIS).
  3. بعد تحرير عينة TEM، استخرج العينة باستخدام جهاز التلاعب الدقيق، مع تحريكها فقط للأعلى (اتجاه z) بعيدا عن العينة الكبيرة. ثم اسحب الإبرة عندما تكون العينة المستخرجة بعيدة عن الكتلة الضخمة.
  4. انقل المرحلة إلى شريحة MEMS. اختر نافذة عينة TEM وعدل الارتفاع غير المركزي مرة أخرى. يتم ذلك عند ميل 0° (الشكل 4A).
    ملاحظة: إذا كان ذلك مطلوبا في هذه المرحلة، يمكن الآن توسيع النافذة لتكون نافذة مراقبة أكبر في TEM. استخدم تيارا بقوة 1 نانوأمبير لهذه الخطوة الاختيارية.

figure-protocol-4
الشكل 4: ميلان المسرح. مخططات زوايا المرحلة (A) للتلامس بين شريحة MEMS وعينة TEM بزاوية مرحلة 0°، و(B) زاوية 17–20° للجزء الرقيق مع حامل البريتيل 52°. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

  1. أدخل الميكرو مانبيولاتور مع "وضع التوقيف".
  2. خفض الميكرو مانبوليتور بعناية مع عينة TEM إلى سطح شريحة MEMS. ضع عينة TEM في المركز فوق النافذة (المنطقة السوداء).
    تحذير: اخفض عينة TEM بحذر إلى الشريحة. يمكن رؤية ظل للعينة يظهر فوق شريحة MEMS قبل اللمس بقليل (الشكل 3C). توقف قبل لمس الشريحة التي تحتوي على العينة.
  3. أدخل نظام نظم المعلومات الجغرافية للتحكم في البروتوكول مرة أخرى.
  4. قم بخفض العينة أكثر حتى تلمس الشريحة. عادة، يمكن ملاحظة تغير طفيف في التباين في الصورة عند إثبات الاتصال.
  5. ابدأ نمطا لترسيب Pt ولحام عينة TEM بصنع نمطين بحجم متشابه (الشكل 5A). لهذا، استخدم نمط "مستطيل" بتيار بين 30–50 pA. قم باللصق الأول بنمط 4 ميكرومتر في x، 1 ميكرومتر في y، و1 ميكرومتر في z.
    ملاحظة: دون زاوية الدوران في الخطوة الأولى، ثم قم ب +90° مع كل خطوة للحام.
  6. بعد ذلك، اقطع الإبرة من عينة TEM بتيار 0.3 نانوأمبير واسحبها. تجنب قطع الأقطاب المنحازة.
  7. الآن قم بتدوير العينة بمقدار 90°. قم بعمل نمط آخر بأبعاد 2.5 ميكرومتر في x، 1.5 ميكرومتر في y، و1 ميكرومتر في z (الشكل 5B). استخدم تيارا من 30–50 باسكال مع نمط "مستطيل".
  8. الآن قم باللصق الثالث بزاوية دوران 180° (+90°) بالنسبة لل0° المذكورة. اختر نفس الأبعاد كما في الخطوة الأولى لللصق. يتم ضبط التيار مرة أخرى على 30–50 pA ويستخدم نمط "مستطيل" (الشكل 5C).
  9. مرة أخرى، قم بالدوران إلى الجانب الرابع بزاوية دوران 270° (+90° أخرى). استخدم نفس الأبعاد كما في الخطوة 1.33 مع تيار 30–50 pA ونمط "مستطيل" (الشكل 5D).

figure-protocol-5
الشكل 5: لحام العينة على شريحة MEMS. لحام عينة TEM على شريحة MEMS (A) من الجهة الأمامية، (B) دوران بمقدار 90°، (C) دوران إضافي 90° ليصل إجمالي إلى 180°، و(D) الدوران النهائي بدرجة الإجمالية 270°. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

  1. استخرج نظام PT GIS بعد الانتهاء من اللصق وتهوية غرفة التفريغ.
  2. الآن، أخرج العينة من FIB وضع قطعة SEM مع شريحة MEMS فوقها على حامل بريتيلايت بزاوية 52° (الشكل 1F). حامل البريتيلايت ضروري لخطوات الترقيق التالية.
    ملاحظة: يتم تنفيذ هذه الخطوة بسبب القيود المكانية عن طريق إمالة وتحريك المسرح عندما يتم إدخال كل من الحامل المائل والعينة السائبة مباشرة لحماية كل من قطع القطب في عمود الإلكترون والأيونات من إنذار اللمس باستخدام الشريحة أو الحامل المائل أو العينة السائبة. هذا يسهل التشغيل داخل الجهاز. هنا، يمكن إجراء توقف، حيث يمكن تنفيذ الخطوات التالية لاحقا أو في جلسة FIB أخرى.

2. تخفيف عينة TEM على شريحة MEMS

ملاحظة: بالنسبة للتخفيف، تم اختيار التيارات المستخدمة وفقا للخصائص الميكانيكية لمادة Zn4Sb3 . يجب اختيار التيارات بشكل عام بناء على صلابة المادة المراد طحنها (المادة الصلبة = التيارات الأعلى، المواد الأكثر ليونة = التيارات الأقل).

  1. أدخل نقطة SEM مع شريحة MEMS على قاعدة FIB pretilt، التي بزاوية 52°. أغلق باب FIB وضخ الحجرة.
  2. تم الآن التخفيف كآخر جزء. لهذا، قم بإمالة المرحلة إلى 17–20° (الشكل 4B). الزاوية الرأسية بين اتجاه التخفيف وشعاع الأيون ستكون عند 14°، لكن الميل الزائد يسمح بتخفيف الصفوف على جانبي العينة السفلية والعلوية من عينة TEM. بالإضافة إلى ذلك، يمنع الإمالة الزائدة الشحن أثناء التخفيف.
    ملاحظة: من الآن فصاعدا، تلاحظ العينة في العرض الجانبي (الشكل 6) في صورة FIB.
  3. الآن قم بتشكيل جزء كبير من عينة TEM فوق نافذة الإلكترون الشفافة (الشكل 6A) بجهد 30 كيلوفولت وتيار 0.05–1 نانوأمبير حتى يصل سمك حوالي 2 ميكرومتر (الشكل 6B). اختر قيمة z لهذه القطع تكون أعلى قليلا من عرض عينة TEM لضمان قطع العينة (الشكل 6B).
  4. الآن، قم بخطوات تخفيف متكررة باستخدام نمط "تنظيف المقطع العرضي". أولا، استخدم تيارا بقوة 0.1 pA في هذه الخطوة الأولى واميل المرحلة بمقدار ± 1.5° لتخفيف كلا الجانبين ("-" يأخذ في الاعتبار تخفيف الجزء "السفلي" في الصورة و"+" للجزء "العلوي") بالنسبة لاتجاه شعاع الأيونات (الشكل 6C). استخدم قيمة z بمقدار 2 ميكرومتر. كرر ذلك في كل مرة لمدة حوالي 20–30 ثانية من كل جانب.
    ملاحظة: قس السماكة بعد عدة تكرارات من هذه التكرارات.
  5. عند الوصول إلى سمك أقل من 1 ميكرومتر، خفض التيار إلى 30–50 بيزونوم. بعد ذلك، قم بتغيير زاوية الميل بمقدار ± درجة واحدة بالنسبة لشعاع الأيونات. مرة أخرى، استخدم نمط "تنظيف المقطع العرضي" لهذا مع قيمة z 2 ميكرومتر (الشكل 6D).
  6. عند الوصول إلى سمك حوالي 500 نانومتر، خفض التيار إلى 10–30 pA. مرة أخرى، استخدم نمطا مع "تنظيف المقطع العرضي" وإمالة بمقدار ± 1° (الشكل 6E). استخدم Z بحجم 2 ميكرومتر وقم بطحن التطور على كل جانب حتى يصل سمك حوالي 200 نانومتر.
  7. لتخفيف الجهد أكثر من 500 نانومتر، خفض الجهد إلى 5 كيلوفولت واضبط التيار على 48 بيكوأمبير. استخدم نمط "تنظيف المقطع العرضي" لهذه الخطوة أيضا. الآن قم بإمالة ± 2° وخفض زر z إلى 0.1 ميكرومتر. كرر ذلك بشكل تكراري حتى تصل إلى السماكة المطلوبة.
    1. قس السماكة كل عدة تكرارات في صورة SE مرة أخرى، لأن هذا أكثر دقة من صورة شعاع الأيونات.
  8. كخطوة أخيرة، عند الوصول إلى السماكة المطلوبة، نظف سطح اللاميلا بجهد مضبوط على 2 كيلوفولت وتيار 27 بيزوأمبير. مرة أخرى، استخدم نمط "تنظيف المقطع العرضي" وإمالة ± 5° مع Z منخفض 0.03 ميكرومتر. قم بالتنظيف من كل جانب لبضع ثوان.
  9. قس البعد النهائي للسمك والطول والعرض للمنطقة المخففة (اللاميلا). يتم قياس السماكة والطول من منظور الجانب (الشكل 6F) والعرض من منظور علوي.
    ملاحظة: يمكن تغيير الأبعاد في خطوات مختلفة للطحن. ثم تستخدم خطوات أبعاد مختلفة لتقييم مقاومة المادة الكهربائية، كما هو موضح في قسم النتائج التمثيلية.

figure-protocol-6
الشكل 6: تخفيف الصفائح. عرض صورة FIB على عينة TEM ل (أ) التخفيف "الخشن" و(ب) الجزء المتبقي بعد الطحن الخشن بسماكة حوالي 2 ميكرومتر. التخفيف يتدرج حتى يصل سمك (C) 1 ميكرومتر، (D) 500 نانومتر، (E) أقل من 500 نانومتر حتى 200 نانومتر، و(F) سمك نهائي يتم قياسه. تشير الأسهم إلى الميل والترقق من كل جانب بخطوات تكرارية. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

3. تجارب التسخين والتحيز في الموقع داخل (S)TEM

  1. أدخل شريحة MEMS في حامل العينة.
  2. بعد ذلك، أدخل الحامل في جهاز (S)TEM وقم بتوصيله بإعداد الموقع .
  3. يشمل الإعداد وحدة تحكم في التسخين لدرجة الحرارة ومقياس مصدر للتحكم في الانحياز الكهربائي. وحدة الربط تجمع بين الجهازين للتحكم في شريحة MEMS. وصل وحدة التدفئة ومقياس المصدر إلى لابتوب مزود بكابلات USB-C. قم بتوصيل الإعداد في الموقع كما هو موضح في الشكل 7.
  4. مقياس المصدر له مخرج قوة-لو (F-LO) وقوة-عالية (F-HI). قم بتوصيلها بوحدة التوصيل 1 و6 على التوالي (كابلات سوداء في الشكل 7).
  5. بعد ذلك، قم بتوصيل وحدة التحكم في التدفئة بوحدة التوصيل (كابل أحمر في الشكل 7).
  6. قم بتأريض وحدة التوصيل، وحدة التحكم في التدفئة، ومقياس المصدر (كابلات صفراء، الشكل 7).
  7. ابدأ عداد المصدر.
    ملاحظة: تأكد من أنه كلما تم تشغيل أو إيقاف جهاز قياس المصدر، قم بفصل الكابل من وحدة التوصيل إلى حامل العينة لمنع التفريغ.
  8. بعد الانتهاء من الإعداد، قم بتوصيل الكابل الخارج من وحدة التوصيل إلى الحامل في (S)TEM (الكابل الأزرق في الشكل 7). من الأفضل مراقبة العينة مسبقا عند توصيل الكابل للتحقق مما إذا كان هناك تفريغ، مما قد يدمر العينة. لمنع ذلك، قم دائما بتشغيل جهاز قياس المصدر قبل توصيل الكابل من وحدة التوصيل إلى حامل العينات.
    ملاحظة: الحامل نفسه منفصل عن الأرض، وإلا فقد يؤدي ذلك إلى خطأ عند لمس العمود.
  9. شغل الكمبيوتر. استخدم برنامج التحكم الخاص بالآلة على اللابتوب. ابدأ البرنامج واختر شروط الإدخال (مثل درجة الحرارة، الجهد، التيار).
  10. الآن، قم بمعايرة درجة الحرارة. يتم طباعة رقم معامل درجة الحرارة للمقاومة (tcr) على تغليف الصندوق الذي يحتوي على شرائح MEMS. أدخل هذه القيمة في البرنامج. قم بمعايرة درجة الحرارة بعد إدخال الرقم.
  11. ابدأ التجربة، وتظهر رسمتان بيانيان لدرجة الحرارة والتيار/الجهد خلال زمن القياس.
  12. اضبط درجة الحرارة. لكل خطوة حرارة، يتم مسح الجهد تلقائيا ضمن النطاق المختار عند اختيار تحيز المنحدر في البرنامج. بدلا من ذلك، اختر جهدا منحيزا ثابتا.
  13. لبدء التجربة، اضبط نطاق مسح الجهد (مثل 1 مللي فولت) أو اختر جهدا ثابتا.
  14. بعد القياس، أوقف التجربة واحفظ البيانات.

figure-protocol-7
الشكل 7: إعداد الانحياز والتسخين. مخطط الإعداد لتجارب التحيز والتسخين في الموقع ، بما في ذلك مقياس المصدر، وحدة التحكم في التسخين، ووحدة توصيل لدمج مدخلات التسخين والانحياز مع مخرج ("خارج") إلى حامل العينة. اللون الأصفر يشير إلى اتصال التأريض للأجهزة، واللون الأحمر يشير إلى اتصال وحدة التدفئة والتوصيل، والأزرق هو الاتصال بحامل العينة، والتوصيلات السوداء تشير إلى القياسات الكهربائية. يشير منفذ 4H/2B إلى إعداد الشريحة الميداني مع 4 تدفئة و2 اتصالات تحيز. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

وفقا للبروتوكول، يتم تحضير عينات من التيار الحراري متعدد البلورات الكتلة Zn4Sb3 لتجارب الأوبراندو (S)TEM. يتم قياس المقاومة الكلية (R) باستخدام مقياس المصدر، كما هو موضح أعلاه.

كما هو موضح في الشكل 8، يتم مسح الجهد (V) بين ±1 mV (الشكل 8A)، ويتم تسجيل التيار الناتج (I) في الشكل 8B. التيار له علاقة خطية مع الجهد المطبق، مما يوضح السلوك الأومي (الشكل 8C). يمكن حساب المقاومة الكهربائية R من ميل منحنى I - V باستخدام قانون أوم:

figure-results-1 (2)

يتم تحديد ميل منحنى I-V ك R = 257 Ω (الشكل 8).

figure-results-2
الشكل 8: منحنى I-V. (أ) كنس الجهد، (ب) التيار الناتج، و(ج) منحنى الدخل والوجه عند درجة حرارة الغرفة، مع قياس المقاومة كميل منحنى الفتحة إلى الفتحة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

لقياس المقاومة الكهربائية كدالة لدرجة الحرارة، تم تطبيق التسخين المعتمد على MEMS على الشريحة. تم تسخين العينة على مراحل من درجة حرارة الغرفة (21 درجة مئوية) إلى 50 درجة مئوية، 100 درجة مئوية، 150 درجة مئوية، و200 درجة مئوية (للصعود الثاني أيضا إلى 250 درجة مئوية و300 درجة مئوية) ثم تبرد مرة أخرى بنفس درجات الحرارة (الشكل 9A).

figure-results-3
الشكل 9: التدفئة والتبريد في الموقع في TEM. (أ) درجة الحرارة المطبقة خلال دورات التسخين-التبريد التي تصل إلى 200 °م و300 °م مرسومة على زمن التجربة، و(ب) المقاومة الكلية المقابلة (R) المقاسة عند كل خطوة حرارة، حيث يمثل R أثناء التسخين برموز مفتوحة والتبريد بالرموز المغلقة. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

كما هو موضح في الشكل 9B، فإن قيم R التي تم قياسها من دورة التسخين الأولى من 21 °م إلى 200 °م أعلى من قيم R المقاسة في خطوات التبريد من 200 °م إلى 21 °م. بعد ذلك، تم تسخين العينة مرة ثانية من 21 درجة مئوية إلى 300 درجة مئوية (الشكل 9A). في دورة التسخين الثانية هذه، لا يتغير R عند التسخين أو التبريد مقارنة بمنحنى التبريد الأول (الشكل 9B)، وبالتالي فإن قياس المقاومة قابل للتكرار.

لتقييم المقاومة الكهربائية الجوهرية للعينة، يتم رسم دائرة مقاومة للإعداد، والتي تشمل المساهمات المختلفة في المقاومة المقاسة R (الشكل 10).

figure-results-4
الشكل 10: دائرة المقاومة للعينة ونقاط التلامس. (أ) مخططات الإعداد، بما في ذلك جميع المساهمات في المقاومة الكلية (R) مع دائرة المقاومة و(ب) أبعاد الصفيحة في الطول (L0)، العرض (w0)، والسمك (t0)، مع العمودين (P1 و P2). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

عند تطبيق تيار عبر العينة، سيكون هناك مقاومة بسبب الأقطاب الكهربائية على شريحة MEMS (RLC و RRC)، وهي مقاومة مادة الترسيب Pt-C التي استخدمت للحام العينة على الشريحة (RC1 و RC2). تتكون العينة من ثلاثة أشكال: الصفيحة (R0) والعمودين (R1 و R2). يمكن بعد ذلك التعبير عن المقاومة الكلية كالتالي:

figure-results-5(3)

مع أبعاد الطول (L0)، العرض (w0)، والسمك (t0) التي تم قياسها في FIB، والمقاومة الكهربائية الجوهرية (ρ)، بالإضافة إلى المقاومة المجمعة Rc = RLC + R RC+ R C1 + RC2 + R1 + R + R2.

إذا كان Rc معروفا، يمكن حساب المقاومة الكهربائية (ρ) من قياسات الأوبراندو ل R عن طريق إعادة ترتيب المعادلة 3:

figure-results-6 (4)

وبما أن Rc ليست مهملة وعادة غير معروفة، فهناك حاجة لطريقة أخرى لاشتقاق قيم ρ لكل درجة حرارة.

وفقا للمعادلة 4، تتغير المقاومة الكلية R مع أبعاد العينة (L, w, t). كما هو موضح في الشكل 10B، خلال ثلاث مراحل مختلفة من ترقق الصفيحة في FIB (الخطوة 2.9)، كانت العينة ذات أبعاد مختلفة، تختلف أساسا في سمكها، كما هو موضح في الجدول 1.

أبعاد سمك 1.8 ميكرومتر:أبعاد سمك 0.5 ميكرومتر:أبعاد سمك 0.2 ميكرومتر:
W1L1T1W1L1T1W1L1T1
4.255.703.81[ميكرو]4.26.203.81[ميكرو]4.26.353.81[ميكرو]
w0L0t0w0L0t0w0L0t0
3.654.271.77[ميكرو]2.704.350.48[ميكرو]1.704.350.22[ميكرو]
W2L2T2W2L2T2W2L2T2
4.105.753.33[ميكرو]4.206.103.33[ميكرو]4.206.253.33[ميكرو]

الجدول 1: أبعاد العينة. أبعاد العينات الثلاث التي تم قياسها خلال المراحل المختلفة من تخفيف الصفائح.

وبما أن قياسات R كانت تتكرر عند الأبعاد الثلاثة المختلفة، تم أخذ قيم R القابلة للتكرار من خطوات التبريد من 200 °م إلى 21 °م ورسم كدالة للأبعاد figure-results-7 وفقا ل

figure-results-8 (5)

حيث R(T)، ρ(T) و تمثل فقط درجات الحرارة المختلفة التي تم قياس العينة عندها أثناء التسخين والتبريد التدريجي لكل سمك. الرسم الخطي وفقا للمعادلة 5، حيث يقابل ميل R ρ(T)، بينما التقاطع عند المحور الرأسي هو (الشكل 11).

figure-results-9
الشكل 11: التوافق الخطي للمقاومة على أبعاد العينة. مثال على رسم بياني للرطل المقاس عند 200 درجة مئوية في ثلاث خطوات طحن بأبعاد صفائح مختلفة (الجدول 1). ميل المنحنى المناسب يتوافق مع ρ. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

يتم تنفيذ نفس المخطط والتركيب الخطي لكل درجة حرارة أثناء خطوات التبريد، حيث يكون R المقياس قابلا للتكرار. تعيد الميلان والاعتراضات لنقاط البيانات الملاءمة ρ والمقاومة المجمعة Rc (المعادلة 3) على التوالي. كما هو موضح في الشكل 12، يمكن تحديد كل من ρ و Rc كدالة لدرجة الحرارة.

figure-results-10
الشكل 12: عينة من المقاومة الكهربائية. مخططات المقاومة الكهربائية ρ والمقاومة المجمعة Rc كما هو معرف في المعادلة 4. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

مع ارتفاع درجة الحرارة، تزداد ρ أيضا من 8.8 ميكروأوم∙م عند 21 درجة مئوية إلى 9.9 ميكروأوم∙م عند 200 درجة مئوية. هذا متوقع لشبه موصل متدهور ويتوافق مع القياسات على Zn4Sb349. لوحظ ارتفاعRc من حوالي 150 Ω عند 21 درجة مئوية إلى 178 Ω عند 200 درجة مئوية، وهو أمر متوقع أيضا للمعادن وأشباه الموصلات المتدهورة.

خلال القياسات الكهربائية، تم ملاحظة البنية المجهرية للعينة بعد خطوة التخفيف النهائية (سمك 0.2 ميكرومتر) باستخدام جهاز TEM يعمل في وضع STEM (الشكل 13A). كان الهيكل المجهري مستقرا خلال نطاق درجات الحرارة (21 °م إلى 300 °م) لقياسات المقاومة. يبقى متوسط حجم الحبيبات لعينة Zn4Sb3 300 نانومتر بعد دورات التسخين-التبريد حتى 300 درجة مئوية (الشكل 9A).

figure-results-11
الشكل 13: البنية المجهرية والتركيب. (أ) مجهر الحقل الساطع الحلقي للعينة من Zn4Sb3 قبل وبعد دورات التسخين-التبريد حتى 300 درجة مئوية، (B) دمج طيف EDS للصفائح، و(C) خرائط عنصرية تظهر التوزيع المتجانس للزنك والSb. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

كما هو موضح في الشكل 13B، يظهر طيف الأشعة السينية المشتتة الكلية (EDS) قمم واضحة للزنك والسب. تظهر الخرائط العنصرية في الشكل 13C توزيعا متجانسا للزنك والسبيلا. تعطي الكمية العنصرية 56.6٪ زنك و43.4٪ سبر، متوافقة مع التركيب الاسمي للزنك4سبل3 (57.1 عند نسبة الزن، 42.9 عند نسبة البن). باستخدام هذا الإجراء الأوبراندو، من الممكن تتبع تطور البنية الدقيقة للعينة تحت التسخين والتحيز الكهربائي، ويرتبط ذلك بالقياسات على خصائص المواد ρ.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تقليل مقاومة التلامس أثناء التسخين
تظهر منحنيات التسخين والتبريد تغينا في قياسات R. أظهرت قياسات R للأبعاد المختلفة (وخاصة السمك) لمنحنى التبريد أن جميع النقاط متناسقة بشكل وثيق على خط واحد وفقا للمعادلة 5 (الشكل 14A). على النقيض من ذلك، أظهر منحنى التسخين تباينا كبيرا بين قيم R المختلفة عند نفس درجة الحرارة وبالتالي الميل (الشكل 14B). هذه الانحدارات المختلفة (المشار إليها بالخطوط الزرقاء والحمراء في الشكل 14B) ستؤدي إلى قيم مختلفة ل ρ وكذلك Rc وستنتج قياسات غير متسقة.

figure-discussion-1
الشكل 14: عدم اليقين في المقاومة الكهربائية. رسم R للأبعاد الثلاثة المختلفة للعينة، حيث يظهر R من (A) التبريد (200 °م إلى 21 °م) عند 21 °م، و(B) التسخين (21 °م إلى 200 °م)، يقاس R عند 21 °م، مع الخطوط الزرقاء والحمراء التي تشير إلى الانحرافات. يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

كما هو موضح في الشكل 14B، فإن عدم اليقين في التوافق الخطي لمنحنى التسخين هو 7.4٪ ل Rc و17.3٪ في ρ. أما بالنسبة لمنحنى التبريد (الشكل 14A)، فعدم اليقين هو 1.2٪ فقط ل Rc و2.8٪ في ρ. لذا، للقياسات الموثوقة ل ρ و Rc، يجب استخدام قيم R فقط من منحنى التبريد.

يمكن عزو الفرق بين قياسات R بين منحنيات التسخين والتبريد إلى السبب التالي. في دراسة سابقة على تلامسات Pt-C للتسخين والانحياز في الموقع ، أظهر تشونغ وآخرون 50 أن المقاومة الكلية يمكن خفضها عن طريق التلدين فوق 100 درجة مئوية، بسبب انخفاض مقاومة مركب Pt-C. كما هو موضح مخططا في الشكل 15، تم ترسيب نقاط التلامس إلى C كجسيمات نانوية من Pt في مصفوفة C غير محددة الشكل. أثناء التلدين، تحول الاتصال إلى شبكات Pt ذات اتصال أعلى بين جسيمات Pt النانوية وبالتالي تقليل المقاومة. من خلال التجارب التي أجريت، كان التسخين إلى 200 درجة مئوية كافيا للوصول إلى قيم R قابلة للتكرار. لم يلاحظ أي انخفاض إضافي في المقاومة عند التسخين حتى 300 درجة مئوية.

figure-discussion-2
الشكل 15: آلية محتملة لتقليل مقاومة التلامس. مخططات (أ) الجسيمات النانوية من البلاتين (Pt) التي شكلت (ب) مسارات موصلة جزئية محاطة بالكربون (C). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

تسرب التيار في القياسات الكهربائية
كما هو موضح في الشكل 16، يمكن أن تتشكل مسارات تسرب بين الأقطاب بسبب خطوات ترسيب Pt (الخطوة 1.31–1.36) أثناء تحضير FIB. في الشكل 16A، تشير الظلال الخضراء إلى المناطق التقريبية التي يمكن ملاحظة بقايا اللحام Pt-C (الخطوات 1.31–1.36).

لأخذ مثل هذه المسارات الناتجة عن بقايا ترسيب Pt-C، يجب إدخالمقاومة تسرب R بالتوازي مع مقاومة العينة (R1، R 0، و R2) ومقاومة اللحام (RC1 و RC2) (الشكل 16B). دائرة المقاومة لمسار تسرب متوازي كهذا موضحة في الشكل 16C.

figure-discussion-3
الشكل 16: دائرة مقاومة مسار التسرب. (أ) تظهر صورة الإلكترون الثانوية الملتقطة في FIB أثناء التحضير ترسيب Pt-C بعد أول خطوة لحام (1.31)، (B) مخططات تيار التسرب والتيار عبر العينة، و(C) دائرة المقاومة لهذا الإعداد. يشير اللون الأخضر الشفاف في (A) و(B) إلى بقايا طبقة Pt-C الناتجة عن اللحام (الخطوات 1.31–1.36). يرجى الضغط هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الشكل.

لتقييم تسرب R، تم قطع الصفيحة تماما لسد المسار الكهربائي عبر العينة، مما ترك فقط مسار التسرب (الشكل 16B). في هذه الحالة، تم تحديد تسرب R بأنه 4 كيلو أوم. لاحظ أن هذه القيمة تختلف حسب إجراء اللحام Pt-C، وتعمل فقط كتقدير بمقدار كبير. في هذه الحالة، تكون قيم R المقاسة (200–300 Ω، الشكل 9) أصغر بكثير من تسرب R، بحيث يبقى تأثير مسار التسرب صغيرا. ومع ذلك، بالنسبة للمواد ذات المقاومة الأعلى، يمكن أن تتجاوز قيم R الناتجة 1 كيلو أوم، مما يؤدي إلى تأثير كبير من مسار التسرب، أو حتى تأثير سائد من مسار التسرب لقيم R المقاسة التي تتجاوز 10 كيلو أوم. لقياس العينات ذات المقاومة الأعلى بشكل موثوق، هناك حاجة إلى خطوات إضافية لتعظيم تسرب R. كما هو مذكور في الخطوة 1.26 من البروتوكول، يمكن تمديد نافذة الفراغ على الشريحة عن طريق التفريز بالFIB. يجب أن يتم ذلك بقطع بعمق 20–30 ميكرومتر فوق وتحت النافذة التي توضع العينة فوقها، حيث لوحظ البقايا بشكل رئيسي ضمن دائرة نصف قطرها 10 ميكرومتر. هذه النافذة الزائدة تمنع فعليا مسار التسرب عبر بقايا Pt-C بين القطبين، مما يؤدي إلى تسرب R > 100 MΩ. من خلال تمديد نافذة التفريغ، يمكن قياس المواد ذات المقاومة الكهربائية الأعلى بكثير بشكل موثوق.

ومن الجدير بالذكر أيضا وجود بقايا من ترسيب Pt-C على سطح أعمدة العينة، كما هو موضح في الشكل 6A. يظهر تأثير مسارات التسرب هذه فقط في مصطلح المقاومة المجمعة Rc في المعادلة 3، حيث تم تخفيف الصفيحة لتكون خالية من ترسيب Pt-C.

باختصار، يتم عرض بروتوكول لتحضير العينة على شرائح MEMS التحيز والتسخين في الموقع عبر FIB. تستخدم الطريقة نقل عينة من منظور مخطط إلى شريحة MEMS بخطوة واحدة، تليها تخفيف مباشر على الشريحة. يتيح ذلك تحضير عينات TEM بشكل بسيط ويقلل من الضرر الميكانيكي أو الشعاع الأيوني. يمكن تحديد المقاومة الكهربائية كدالة لدرجة الحرارة. يتيح ذلك توصيفات الميكروبنيوية الأوبراندية ذات الصلة المباشرة بالخصائص الكهربائية للعينة. على الرغم من استخدام قياسات كهربائية ذات نقطتين بالمجس الكهربائي، يمكن فصل مساهمات مقاومة العينة الجوهرية ومقاومات التلامس بواسطة قياسات المقاومة بعد مراحل مختلفة من طحن FIB بأبعاد عينة مختلفة. باستخدام هذا النهج، يمكن تقييم الخصائص الكهربائية الجوهرية لوحدات TE والعديد من المواد في التطبيقات الكهربائية والطاقة أثناء التوصيف المجهري الأوبراندو.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

المؤلفون ليس لديهم ما يكشفون عنه.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

نشكر الدكتورة فيسنا سروت على ملاحظاتها البناءة حول المخطوطة. تعترف جمعية المدن بتمويل المدرسة الدولية لأبحاث ماكس بلانك للمعادن المستدامة (IMPRS SusMet). تعترف سي. جي. بالبرنامج العالمي المشترك للبحث الممول من جامعة بوكيونغ الوطنية (202506170001). يشكر C.S. و S.Z. مؤسسة البحوث الألمانية (DFG) على تمويلها ضمن مركز البحوث التعاونية SFB 1394 "تعقيد الذرة الهيكلية والكيميائية — من مخططات طور العيوب إلى خصائص المواد" (معرف المشروع 409476157، مجموعة المشاريع B01).

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
نظام حقن الغاز (FIB)Thermo Fisher Scientific1346158رقم الكتالوج المستخدم للطلب المباشر من Thermo Fisher Scientific 
وحدة التحكم في التسخينDENSsolutions180200304مع الكابلات
وحدة الاتصال المتبادلDENSsolutions160800114مع الكابلات
حامل نظام البرقDENSsolutions-
رقائق MEMSDENSsolutions4 جهات اتصال تسخين و 2 جهات اتصال تحيز، كما يمكن 4 جهات اتصال تحيز و 2 جهات اتصال تسخين
البرنامج: نبضةDENSsolutionsالإصدار 1.2.0.0البرنامج على الكمبيوتر المحمول المقدم من DENSsolutions

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ying, P., et al. Performance degradation and protective effects of atomic layer deposition for Mg-based thermoelectric modules. Adv Funct Mater. 34, 2406473 (2024).
  2. Al-Mamun, N. S., et al. Synergistic effects of heating and biasing of AlGaN/GaN high electron mobility transistors an in-situ. transmission electron microscopy study. Microelectron Reliab. 160, 115470 (2024).
  3. Kamaladasa, R. J., et al. In situ TEM imaging of defect dynamics under electrical bias in resistive switching rutile-TiO2. Microsc Microanal. 21 (1), 140-153 (2015).
  4. Abdellaoui, L., et al. Parallel dislocation networks and Cottrell atmospheres reduce thermal conductivity of PbTe thermoelectrics. Adv Funct Mater. 31, 2101214 (2021).
  5. Yu, Y., et al. Dynamic doping and Cottrell atmosphere optimize the thermoelectric performance of n-type PbTe over a broad temperature interval. Nano Energy. 101, 107576 (2022).
  6. Smeaton, M. A., Abellan, P., Spurgeon, S. R., Unocic, R. R., Jungjohann, K. L. Tutorial on in situ and operando scanning transmission electron microscopy for analysis of nanoscale structure–property relationships. ACS Nano. 18 (48), 35091-35103 (2024).
  7. Ngo, D., Hung, L. T., Van Nong, N. In situ. TEM studies of nanostructured thermoelectric materials an application to Mg-doped Zn4Sb3 alloy. ChemPhysChem. 19 (1), 108-115 (2018).
  8. Zhang, C., et al. Recent progress of in situ transmission electron microscopy for energy materials. Adv Mater. 32, 1904094 (2020).
  9. Yang, Z., et al. Direct visualization of Li dendrite effect on LiCoO2 cathode by in situ TEM. Small. 14, 1803108 (2018).
  10. Huang, J. Y., et al. In situ. observation of the electrochemical lithiation of a single SnO2 nanowire electrode. Science. 330 (6010), 1515-1520 (2010).
  11. Fan, Z., et al. Layer-by-layer degradation of methylammonium lead tri-iodide perovskite microplates. Joule. 1 (3), 548-562 (2017).
  12. Yoshida, H., et al. Visualizing gas molecules interacting with supported nanoparticulate catalysts at reaction conditions. Science. 335 (6066), 317-319 (2012).
  13. Chee, S. W., Lunkenbein, T., Schlögl, R., Roldán Cuenya, B. Operando electron microscopy of catalysts the missing cornerstone in heterogeneous catalysis research. Chem Rev. 123 (22), 13374-13418 (2023).
  14. Yaguchi, T., Gabriel, M. L. S., Hashimoto, A., Howe, J. Y. In situ. TEM study from the perspective of holders. Microscopy (Oxf). 73 (2), 117-132 (2024).
  15. Adabifiroozjaei, E., et al. In situ. scanning transmission electron microscopy study of Al-amorphous SiO2 layer-SiC interface. J Mater Sci. 58 (4), 2456-2468 (2023).
  16. Allard, L. F., et al. Novel MEMS-based gas-cell heating specimen holder provides advanced imaging capabilities for in situ. reaction studies. Microsc Microanal. 18 (4), 656-666 (2012).
  17. Srot, V., Straubinger, R., Predel, F., Van Aken, P. A. Preparation of high-quality samples for MEMS-based in situ STEM experiments. Microsc Microanal. 29 (3), 596-605 (2023).
  18. Mangum, J. S., Garten, L. M., Ginley, D. S., Gorman, B. P. Utilizing TiO2 amorphous precursors for polymorph selection an in situ. TEM study of phase formation and kinetics. J Am Ceram Soc. 103 (5), 2899-2907 (2020).
  19. Krisper, R., Lammer, J., Pivak, Y., Fisslthaler, E., Grogger, W. The performance of EDXS at elevated sample temperatures using a MEMS-based in situ TEM heating system. Ultramicroscopy. 234, 113461 (2022).
  20. Garza, H. H. P., et al. MEMS-based sample carriers for simultaneous heating and biasing experiments a platform for in situ TEM analysis. , 2155-2158 (2017).
  21. Tyukalova, E., et al. Challenges and applications to operando and in situ TEM imaging and spectroscopic capabilities in a cryogenic temperature range. Acc Chem Res. 54 (16), 3125-3135 (2021).
  22. Zhong, X., et al. Novel hybrid sample preparation method for in situ. liquid cell TEM analysis. Microsc Microanal. 20 (S3), 1514-1515 (2014).
  23. Wang, H., Xiao, S. G., Xu, Q., Zhang, T., Zandbergen, H. Fast preparation of ultrathin FIB lamellas for MEMS-based in situ .TEM experiments. Mater Sci Forum. 850, 722-727 (2016).
  24. Recalde-Benitez, O., et al. Weld-free mounting of lamellae for electrical biasing operando TEM. Ultramicroscopy. 260, 113939 (2024).
  25. Vijayan, S., Jinschek, J. R., Kujawa, S., Greiser, J., Aindow, M. Focused ion beam preparation of specimens for micro-electro-mechanical system-based transmission electron microscopy heating experiments. Microsc Microanal. 23 (4), 708-716 (2017).
  26. Zorro, F., Carbo-Argibay, E., Ferreira, P. J. Novel method for the preparation of lamellas from porous and brittle materials for in situ TEM heating biasing. Microsc Microanal. 30 (1), 41-48 (2024).
  27. Minenkov, A., et al. Advanced preparation of plan-view specimens on a MEMS chip for in situ .TEM heating experiments. MRS Bull. 47 (4), 359-370 (2022).
  28. Zhou, X., et al. Materials design by constructing phase diagrams for defects. Adv Mater. 37, 2402191 (2025).
  29. Zintler, A., et al. FIB based fabrication of an operative Pt/HfO2/TiN device for resistive switching inside a transmission electron microscope. Ultramicroscopy. 181, 144-149 (2017).
  30. Almeida, T. P., et al. Preparation of high-quality planar FeRh thin films for in situ. TEM investigations. J Phys Conf Ser. 903, 012022 (2017).
  31. Hamid Elsheikh, M., et al. A review on thermoelectric renewable energy principle parameters that affect their performance. Renew Sustain Energy Rev. 30, 337-355 (2014).
  32. Sootsman, J. R., Chung, D. Y., Kanatzidis, M. G. New and old concepts in thermoelectric materials. Angew Chem Int Ed Engl. 48 (46), 8616-8639 (2009).
  33. Abdellaoui, L., et al. Density distribution and nature of planar faults in silver antimony telluride for thermoelectric applications. Acta Mater. 178, 135-145 (2019).
  34. Bueno Villoro, R., et al. Fe segregation as a tool to enhance electrical conductivity of grain boundaries in Ti(Co,Fe)Sb half Heusler thermoelectrics. Acta Mater. 249, 118816 (2023).
  35. Zavanelli, D., et al. Identifying insulating to metallic complexion transitions in NbFeSb. Phys Rev Mater. 9, 045402 (2025).
  36. Isotta, E., et al. Heat transport at silicon grain boundaries. Adv Funct Mater. 34, 2405413 (2024).
  37. Zhang, S., Isotta, E., Bueno-Villoro, R., Scheu, C. Probing grain-boundary structure chemistry and transitions. MRS Bull. 51, 168-180 (2026).
  38. Yu, Y., et al. Ostwald ripening of Ag2Te precipitates in thermoelectric PbTe effects of crystallography dislocations and interatomic bonding. Adv Energy Mater. 14, 2304442 (2024).
  39. Jung, C., et al. Effect of heat treatment temperature on the crystallization behavior and microstructural evolution of amorphous NbCo1.1Sn. ACS Appl Mater Interfaces. 15 (40), 46064-46073 (2023).
  40. Condron, C. L., Kauzlarich, S. M., Gascoin, F., Snyder, G. J. Thermoelectric properties and microstructure of Mg3Sb2. J Solid State Chem. 179 (7), 2252-2257 (2006).
  41. Shang, H., et al. N-type Mg3Sb2-Bi with improved thermal stability for thermoelectric power generation. Acta Mater. 201, 572-579 (2020).
  42. Ma, R., et al. Effect of secondary phases on thermoelectric properties of Cu2SnSe3. Ceram Int. 43 (9), 7002-7010 (2017).
  43. Shi, X. L., Zou, J., Chen, Z. G. Advanced thermoelectric design from materials and structures to devices. Chem Rev. 120 (15), 7399-7515 (2020).
  44. Wu, H., et al. Advanced electron microscopy for thermoelectric materials. Nano Energy. 13, 626-650 (2015).
  45. Minnich, A. J., Dresselhaus, M. S., Ren, Z. F., Chen, G. Bulk nanostructured thermoelectric materials current research and future prospects. Energy Environ Sci. 2 (5), 466-479 (2009).
  46. Barako, M. T., Park, W., Marconnet, A. M., Asheghi, M., Goodson, K. E. Thermal cycling mechanical degradation and the effective figure of merit of a thermoelectric module. J Electron Mater. 42 (2), 372-381 (2013).
  47. Hatzikraniotis, E., Zorbas, K. T., Samaras, I., Kyratsi, T., Paraskevopoulos, K. M. Efficiency study of a commercial thermoelectric power generator under thermal cycling. J Electron Mater. 39 (9), 2112-2116 (2010).
  48. Zhang, L. T., Tsutsui, M., Ito, K., Yamaguchi, M. Thermoelectric properties of Zn4Sb3 thin films prepared by magnetron sputtering. Thin Solid Films. 443 (1–2), 84-90 (2003).
  49. Zhong, C., et al. The relationships of microscopic evolution to resistivity variation of a FIB-deposited platinum interconnector. Micromachines (Basel). 11 (6), 588 (2020).

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

JoVE
الفيديو قريباً

مقالات ذات صلة