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用于太阳能电池多模式X射线显微术的X射线束诱导电流测量

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DOI：

10.3791/60001

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2019年8月20日

 ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Deutsches Elektronen-Synchrotron, 2School of Electrical, Computer and Energy Engineering, Arizona State University, 3Department Physik, Universität Hamburg

本文内容

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摘要

本文描述了在同步辐射光束线上进行X射线束感应电流测量的实验装置。该方法揭示了太阳能电池的纳米尺度性能，并扩展了多模态X射线显微技术的应用范围。从电路连接到信噪比优化，本文展示了如何在硬X射线微探针上开展先进的XBIC测量。

摘要

X射线束诱导电流（XBIC）测量可用于绘制 电子器件（如太阳能电池）在纳米尺度上的性能。理想情况下，XBIC可与其他技术结合，采用多模式X射线显微方法同步进行。本文提供了一个将XBIC与X射线荧光联用的示例，以实现电学性能与化学成分在逐点基础上的相关性分析。为了在XBIC测量中获得最高的信噪比，锁相放大技术起着关键作用。在此方法中，X射线束在到达样品前通过上游的光学斩波器进行调制。由调制X射线束诱导产生的电信号通过锁相放大器进行放大，并以斩波频率进行解调。通过优化低通滤波器设置、调制频率和放大倍数，可有效抑制噪声，从而提取清晰的XBIC信号。类似的装置也可用于测量X射线束诱导电压（XBIV）。除了标准的XBIC/XBIV测量外，还可以在施加偏置光或偏置电压的条件下进行XBIC测量，以在实验中重现太阳能电池的实际户外工作条件 原位 和 原位操作 测量。最终，在纳米尺度上对电子器件进行多模态、多维度的评估，能够深入揭示材料组成、结构与性能之间复杂的相互依赖关系，这是解决材料科学范式难题的重要一步。

引言

在电力能源需求持续增长的世界中，清洁且可持续的能源变得愈发必要。满足这一需求的可能途径之一是光伏（PV）系统1,2,3。为了有针对性且高效地开发下一代太阳能电池，必须理解太阳能电池的组成和结构如何影响其性能4。太阳能电池研发中的典型问题包括：哪些类型的缺陷最具危害性，以及它们位于何处5,6？元素分布是否存在不均匀性，其影响如何7,8,9？在组件组装和老化过程中，太阳能电池会发生怎样的变化10,11？

由于太阳能电池的性能取决于其最薄弱的部分，因此了解成分和结构变化对多晶太阳能电池性能的影响尤为重要，因为这类电池本质上存在非均匀性7,8。这一点对于薄膜（TF）太阳能电池尤为显著，其吸收层包含微米量级晶粒尺寸的晶粒。在此类电池中，晶界对性能的影响最受关注，但由于晶界尺寸微小且深埋于整个层叠结构之中，给表征带来了独特挑战。此外，多组分吸收层中存在共存相和内部梯度，化学组成复杂，需要采用先进的表征方法12。

基于同步辐射的硬X射线显微镜能够满足薄膜太阳能电池的表征挑战：其可提供低至纳米尺度的X射线光斑尺寸13,14,15,16，且硬X射线的穿透深度允许探测器件中不同层结构17，包括埋藏的吸光层。在扫描X射线显微镜上结合多种不同的测量技术，可在多模态测量中同时研究太阳能电池的多个不同方面，并对所观察到的特性进行关联分析。例如，X射线束诱导电流（XBIC）测量已成功与X射线荧光（XRF）7,18,19、X射线激发光学发光（XEOL）20,21以及X射线衍射（XRD）22相结合，分别实现电学性能与成分、光学性能和结构之间的关联23。

在对太阳能电池或其他待测器件（DUT）进行XBIC测量期间24,25，入射的X射线光子会引发由电子和光子组成的粒子簇射，导致半导体吸光材料中每个入射X射线光子产生大量受激的电子-空穴对。最终，这些电子-空穴对弛豫至太阳能电池吸光层的能带边缘。因此，这些由X射线激发的载流子可被视为与在常规太阳能电池工作过程中吸收能量略高于带隙的光子所产生的载流子类似，所产生的电流或电压可被测量为X射线束诱导电流23,26,27或电压（XBIV）28,29，其原理类似于更常见的电子束诱导电流（EBIC）或激光束诱导电流（LBIC）测量。因此，XBIC/XBIV信号不仅取决于吸光层的厚度，还取决于DUT在微观和宏观尺度上的电学性能，包括局部带隙、费米能级分裂以及复合特性。由此，我们能够绘制出载流子收集效率的局部变化图谱，该效率定义为吸光层中一个外部激发产生的电子-空穴对被DUT电极收集的概率。

需要注意的是，只有在待测器件（DUT）的吸收层中产生的电子-空穴对才会对XBIC/XBIV信号有贡献。在其他层（如金属电极或衬底）中产生的载流子会立即发生复合，因为它们无法通过结区被分离。因此，其他层仅通过寄生X射线吸收或发射可能在吸收层中被重新吸收的次级光子和电子等次级效应影响XBIC/XBIV测量结果。相比之下，所有层都可能对XRF信号产生贡献。

由于XBIC和XBIV信号可能非常微弱（通常需要关注亚皮安培和纳伏范围内的变化），这些信号很容易被噪声淹没。因此，我们建议采用锁相放大技术来提取XBIC和XBIV信号30。为此，入射X射线束通过一个光学斩波器进行调制，如图 1所示。这种调制会传递到被测器件（DUT）产生的信号上。在将信号输入锁相放大器（LIA）之前，通常使用前置放大器（PA）将原始信号强度匹配至数字LIA输入端模数转换器的工作范围。LIA将调制后的测量信号与参考信号进行混频。通过使用低通滤波器，仅允许接近参考信号频率的成分通过并被放大31。这使得能够从噪声背景中有效提取XBIC或XBIV信号。

在本实验方案中，我们介绍了进行成功的XBIC测量所需的前提条件和操作步骤，包括原始信号（直流，DC）和调制信号（交流，AC）。除了描述技术细节外，我们还以PETRA III同步辐射装置P06光束线的多模态测量为背景，讨论了XBIC的实验配置13。请注意，与大多数实验室实验相比，硬X射线纳米探针实验站的环境需要特别的规划和考虑。特别是，纳米尺度分辨率的多模态测量给实验人员带来了多种特定限制。例如，压电驱动电机和其他设备（如探测器电源）常常产生幅度较大的电子噪声。此外，大量设备和探测器需要以优化的几何布局进行安置，同时避免相互干扰或引发振动。图 1展示了一种典型的XBIC测量装置，该装置同时结合了X射线荧光（XRF）和小角/广角X射线散射（SAXS/WAXS）测量。

方案

1. 设置测量环境

  1. 锁相放大XBIC测量的要求
    1. 确保准备以下设备：纳米或微米聚焦X射线光束线；可周期性吸收大部分X射线的X射线斩波器；前置放大器（PA）；锁相放大器（LIA）；用于远程控制斩波器、PA和LIA的模块；数据采集（DAQ）系统；待测器件（DUT）。
  2. 样品 holder 制备
    1. 使用运动学底座作为样品台。这能够实现微米级精度的样品重新定位，节省宝贵的束流时间。此外，它还支持在具有不同安装系统的多种测量平台上对样品进行准确定位。
    2. 设计样品支架时，应使其能够最大程度地自由放置不同的探测器于样品周围附近，同时兼容X射线透明样品以及小角X射线散射（SAXS）或广角X射线散射（WAXS）等测量技术。通常，这意味着样品支架应具有尽可能小的尺寸、达到纳米尺度的刚性以及轻质特性。
    3. 设计一块印刷电路板（PCB），用于安装进行XBIC测量的电子设备。尽管严格来说并非必须使用可直接连接同轴电缆的专用PCB，但与松散布线相比，PCB能显著降低噪声，因为松散导线会起到天线的作用。
      注意：理想情况下，法拉第笼可使样品免受电磁场干扰。然而，这在大多数情况下与测量几何结构不兼容。
  3. 样品接触
    1. 将电子待测器件粘接到印刷电路板上. 根据待测器件的材料及其后续移除要求，建议使用指甲油、瞬干胶、复合胶或硅胶。
    2. 确保任何安装部件或线路均不遮挡入射X射线束，也不妨碍其他探测器（如用于XRF测量的探测器）的视线。
    3. 连接被测器件的两个端子。
      注意：连接电子器件的方法有多种，最佳选择取决于具体的样品特性，其中粘附性、耐化学性、耐机械性以及可用空间等因素将决定采用何种连接方式。
    4. 将前级接触端（即面向入射X射线束的上游接触端）与同轴电缆的屏蔽层相连。
    5. 将背侧接触端（下游接触端）与同轴电缆的芯线连接。
    6. 将前端接触点（同轴电缆的屏蔽层）接地。
      注意：入射光束会导致待测器件（DUT）发射电子，从而在测量电路中产生补偿电流，该电流容易被误解释为XBIC信号。因此，前端接触电极应始终接地。23可能需要测试不同的接地方法，以尽量减少电位波动。
    7. 考虑 图2 以一个样品台为例，该样品台由运动学基座、铝制样品架以及一块印制电路板组成，电路板上安装有太阳能电池，并连接至两个同轴连接器中的一个。
  4. 样品与探测器的排列方式
    1. 将样品安装在样品台上。
    2. 将样品台安装到样品架上。
    3. 将载物台的旋转中心置于X射线束的焦点处。
    4. 将样品置于旋转台的旋转中心。
    5. 旋转载物台，使目标平面与入射光束垂直，以最小化光束照射面积并最大化空间分辨率。
    6. 对于多模态测量，将探测器放置在样品周围。
      注意：根据X射线光学系统的不同，样品上游可用于放置探测器的空间较小。对于非X射线透明的样品，荧光探测器应以与样品平面成10–20°的角度观测X射线焦点，以尽量减少目标元素的自吸收效应以及散射带来的计数。
  5. 切片机安装
    1. 在样品上游安装一个能够沿垂直于X射线束方向移动的电动平台。
      注意：尽管该电动载物台并非必需，但它可在不进入屏蔽室的情况下将切刀移入或移出X射线光束，从而提高通量并增强稳定性。
    2. 在电动平台上安装光学斩波器，以调制输入信号。
      注意：理想情况下，斩波器应放置在样品上游较远的位置，以避免电机或气流扰动分别对X射线光学元件或样品引入振动。然而，即便斩波轮距离样品仅10 mm，并在斩波频率为 > 6 kHz
  6. 降低背景光
    1. 尽可能关闭光路密闭室内的光源，并遮挡其他任何光源，包括LIA和斩波器轮控制器上的小型指示灯。在某些光束线上，当密闭室处于搜索状态时会开启照明灯，但在测量过程中，此照明灯不应保持开启。

2. 设置 XBIC 测量

  1. 参见 图1 有关必要硬件组件及接线的示意图。
  2. 前置放大器的设置
    1. 将PA放置在样品附近。
      注意：某些锁相放大器（LIA）配备有集成的前置放大器（PA）。在此情况下，PA 的设置方式与 LIA 的设置方式类似。
    2. 将光电放大器（PA）连接到隔间外的控制单元，以便在不进入隔间的情况下远程更改放大设置。理想情况下，控制单元应连接至光束线控制系统，从而自动记录PA的设置参数。
    3. 从干净的电源电路为PA供电。
      注意：真空泵等设备可能会污染电源电路，因此应与高精度电子设备（如PA和LIA）分开供电，因为后者可能将电源波动传导至测量信号中。基于这一原因，光束线通常设有洁净和污染电源电路。许多放大器甚至可用电池供电。
    4. 通过样品架上的BNC接头连接样品。
    5. 确保样品接线已进行应力消除，以免限制样品的运动。
    6. 若需在非短路条件下测量XBIC信号，应通过PA施加偏置电压。若需在开路条件下测量XBIV信号，则不应施加任何偏置电压。
    7. 在测量条件（通常在黑暗中）和工作条件（例如，打开室内光源和光束线显微镜光源）下，测量被测器件的信号幅度，以测试其信号范围。
    8. 确保待测器件的信号幅度与功率放大器（PA）的输入范围相匹配，并采取预防措施避免在高信号条件下（例如打开室内灯光时）发生过饱和，因为过饱和可能损坏功率放大器。
    9. 确保前置放大器（PA）的灵敏度与其输出范围以及锁相放大器（LIA）的输入范围相匹配。在不进行测量时，应将前置放大器的放大倍数调至最低灵敏度，以避免意外过饱和，这是一种良好的操作习惯。
    10. 将待测器件（DUT）连接至功率放大器（PA）。由于信号幅度较小，必须保持连线尽可能短。
      注意：传输XBIC信号的电缆不应与其他电缆缠绕，因为这可能会引入噪声。噪声源包括用于XRF的扫描台和探测器。可测试不同的布线位置以尽量减少噪声。为进一步降低噪声，可将电缆包裹在接地的铝箔中，或使用三轴电缆。
    11. 将预放大信号分为三个并行信号支路，分别记录直流（正负）和调制交流成分。
      注：替代信号通路在讨论部分（a）中提及。
    12. 将两个信号分支连接到电压-频率（V2F）转换器，其中一个转换器具有反相输入信号范围，以接收负直流信号。
  3. 锁相放大器的电气设置
    1. 将锁相放大器（LIA）连接至防护罩外的控制单元，以便在不进入防护罩的情况下远程更改放大设置。理想情况下，控制单元应连接至光束线控制系统，从而自动记录LIA的设置参数。
    2. 将LIA连接至干净的电源电路，并将其远离可能产生噪声的仪器。
    3. 确保在所有条件下，功率放大器（PA）的输出与锁相放大器（LIA）的输入相匹配，因为过饱和可能损坏锁相放大器。在未进行测量时，应始终将锁相放大器的输入范围设置为最大值，以避免意外过饱和，这是一种良好的操作习惯。
    4. 将光学斩波器的调制频率作为参考信号输入锁相放大器。
      注意：参考频率可由锁相放大器（LIA）的振荡器提供，用于驱动斩波器并实现远程控制；也可由斩波控制器输出作为参考信号输入至LIA。两者结合使用也是可行的。
    5. 将预放大XBIC信号的第三分支连接至锁相放大器（LIA）输入端。
    6. 输出锁相放大器的均方根（RMS）幅值 Static equilibrium, ΣFx=0, ΣFy=0, diagram; balance of forces, lever arm calculations. 将信号作为被测设备的模拟交流信号。
      注意：如 Static equilibrium, ΣFx=0, ΣFy=0, diagram; balance of forces, lever arm calculations. 始终为正，只要输入至V2F转换器的信号不为负值，则无需对信号进行分路及对其中一路进行反相。若需同时记录相位信息，建议输出相位 Static equilibrium, ΣFx=0; diagram with force vectors and angles; physics study concept. 此外 Static equilibrium, ΣFx=0, ΣFy=0, diagram; balance of forces, lever arm calculations., 或同相分量 Chromatography diagram; illustrating molecular separation process using stationary phase method. 和正交分量 Chromatography diagram, Y-axis resolution 14x11, illustrating separation process and data analysis..
    7. 将锁相放大器的输出端连接至第三个电压-频率转换通道。 
    8. 将V2F转换器连接到DAQ单元和光束线软件，以存储三个XBIC信号分量及相应的时间和像素信息。
      注意：XBIC 数据采集系统（DAQ）中存在 V2F 转换器的替代方法。例如，可直接对前置放大器（PA）和锁相放大器（LIA）的电压输出进行数字化，或将放大器的数字读出信号集成至光束线控制系统中。然而，本文所述方法与大多数同步辐射光束线兼容，因为 V2F 转换器在这些系统中通常已具备。

3. XBIC 测量

  1. 选择合适的 XBIC 测量条件
    1. 注意扫描速度、斩波器频率和低通滤波器设置之间的权衡，具体讨论见后文。
  2. 优化 XBIC 测量参数
    1. 确保待测器件（DUT）在屏蔽室内完全避光。
    2. 将前置放大器（PA）和锁相放大器（LIA）的所有增益设为最小，输入范围设为最大，以避免信号过饱和。
    3. 设置斩波器的频率，该频率即为信号的调制频率，也是解调时的参考频率。
      注：经验上，所选频率应在以下约束条件下尽可能高：(a) DUT 响应足够快；(b) 放大链响应足够快；(c) 斩波器引起的振动水平可接受。此外，应避免选择常见噪声频率（如 50/60 Hz 或 45 kHz）的倍数频率。
    4. 设置前置放大器（PA）的增益，使其满足：(a) 最大输出幅度在锁相放大器（LIA）最大输入范围之内，且 (b) PA 的响应速度足以匹配所选斩波频率。关于该权衡中放大器参数的优化，详见讨论部分的 (b) 小节。
      警告：在允许更多光子照射到 DUT 前（例如进入屏蔽室时），应先将放大器重新设为最大输入范围和最小增益，以防止过载。理想情况下，应在扫描命令中直接实现此设置。
    5. 设置锁相放大器（LIA）的输入范围，使其与预放大后感兴趣区域最强信号的幅度相匹配。
    6. 在锁相放大器（LIA）中，将来自 DUT 的信号与来自斩波器的参考信号及其 90° 相移参考信号进行分路和混频，具体见代表性结果部分 (c) 小节的讨论。
    7. 将锁相放大器（LIA）的低通滤波器频率设为与扫描速度兼容的最低值。
      注：经验上，应将其设为至少比斩波频率低一个数量级，且比采样率高一个数量级。理想情况下，应选择低通滤波器频率，以滤除常见噪声频率，尤其是低于 50/60 Hz 的电网频率。详细信息请参见代表性结果部分 (e) 小节。
    8. 设置锁相放大信号模拟输出的放大倍数，使其与电压-频率转换器（V2F）的输入范围匹配且不超过该范围。
    9. 根据后续设备的输入范围设置放大器输出的软件或硬件限幅，以防止饱和。
  3. 进行 XBIC 测量
    注：在正确设置 XBIC 测量的放大参数，并实现自动化控制与读出后，除启动扫描外，无需额外操作即可完成 XBIC 测量。
  4. XBIC 数据的后处理
    1. 沿信号链从 DUT 到数据采集单元（DAQ）进行追溯，信号在此以计数率 静力平衡方程 f_DAQ=0，力学分析中的数学公式。（Hz）形式保存，需将计数率还原为电流。
      1. 获取前置放大器（PA）处的放大倍数 静力平衡示意图，ΣFx=0，展示力的平衡，教育性物理概念。（V/A），此处 静力平衡方程 ΣS=0，示意图；平衡分析，教育性物理概念。 信号（以安培为单位测量）被放大并转换为电压。
      2. 获取锁相放大器（LIA）处的放大倍数 静力平衡方程 ΣF=0 示意图；突出物理概念中的平衡状态。（V/V）。
      3. 获取电压-频率转换器（V2F）的电压接受范围 静力平衡方程：\( R_V \) 公式；用于力学图示中的力平衡分析。（V），该范围映射到频率范围 色谱图显示 \( R_f \) 计算，用于化学组分分离分析。（Hz）。
      4. 考虑额外的波形因子：锁相放大器（LIA）的输出信号为均方根（RMS）幅度，但感兴趣的信号是调制输入信号的峰峰值。
    2. 将每个像素的计数率乘以转换项 传热方程，H_conv，热力学图示，展示对流过程。，使用以下方程从数据采集系统（DAQ）排序的频率值得到以安培为单位的 XBIC 值：
      (1)     X射线束致电流方程，SXBIC=fDAQ·Hconv，用于科学分析。，其中 H<sub>conv</sub> 公式；对流传热；热分析研究中的方程。，
      其中 静力平衡，ΣFx=0，ΣFy=0，示意图展示力的平衡，教育性概念 是一个取决于调制波形的因子32。
      注：对于正弦输入波，静力平衡方程 \(W_{ff}=0\) 示意图；平衡分析中的关键物理概念。 根号2方程；数学符号；教育性概念。；对于三角波，静力平衡方程 \(W_{ff}=0\) 示意图；平衡分析中的关键物理概念。静力平衡，ΣFx=0，公式，示意图，展示力平衡或力矩平衡条件。；对于方波，功函数方程 \( W_{ff} = 1 \) 符号，用于固体物理分析。。在硬X射线纳米探针上测量薄膜太阳能电池的典型值为：PA 转换方程，\(A_{PA} = 1 \, \text{MV/A}\)，电能分析公式。，锁相放大器增益方程，\(A_{LIA}=100 \text{ V/V}\)，用于信号处理分析。，电路公式 "R_V=10V"，用于电路分析中的电压。，频率方程 \( R_F = 10^6 \text{ Hz} \)，与信号处理分析相关。。
    3. 为最终校正原始 XBIC 信号 静力平衡，ΣFx=0，方程，教育性示意图，力与平衡分析。 以消除形貌变化的影响，使用28：
      (2)     静力平衡公式，与 ΣX-BIC 近似相关的方程，数学结果。，
      其中 阿尔法比公式，αᵢ=μᵢ/ρᵢ，单位 cm²/g，用于物理计算，教育性示意图。 为 X 射线衰减系数33，静力平衡方程，mi 单位为克每平方厘米，展示质量分布概念。 为吸收体元素 静力平衡示意图，力方程 ΣFx=0，ΣFy=0；力学分析设置。 的质量密度，可通过同步 X 射线荧光（XRF）测量获得17。
    4. 为最终将 XBIC 信号转换为电荷收集效率 光谱学装置示意图；显示 DNA→RNA；光激发，发射分析结果。，使用23：
      (3)     电荷收集效率的静力平衡方程；包含多种符号和变量。，
      其中 电子-空穴生成符号 \(N^{gen}_{e^-/h^+}\)；半导体物理示意图。 和 胶体电子-空穴对公式，N_coll_{e-/h+}，光子学研究背景下用于光谱分析。 分别为电子-空穴对的生成率和收集率，激光光子数公式 \(N_{ph}^{in}\) 符号，用于光学研究和光子分析。 为入射光子速率，静力平衡，ΣFx=0，ΣFy=0，示意图，展示力学中的力矢量与平衡。 为元电荷，静力平衡示意图；ΣFx=0，ΣFy=0；物理概念；力；平衡分析；方法论。 为材料常数。
    5. 为最终计算材料常数 静力平衡示意图；ΣFx=0，ΣFy=0；物理概念；力；平衡分析；方法论。，使用：
      (4)     光子转换效率方程；生成载流子与吸收能量之间的关系。，
      其中 静力平衡示意图，ΣFx=0 方程，力学平衡原理，教育用途。 为每入射 X 射线光子在 DUT 吸收层中沉积的能量，静力平衡，ΣFx=0；结构示意图；工程分析；力平衡方程。 为吸收材料的带隙，静力平衡，ΣFx=0，ΣFy=0 示意图；展示力平衡，矢量分解 为常数。
      注：静力平衡，ΣFx=0，ΣFy=0 示意图；展示力平衡，矢量分解 因子用于描述电子-空穴对生成的能量效率。通常可近似23,34为 α≈3，数学表达式，近似公式，教育研究，简洁符号分析。
    6. 为最终从 XBIC 信号估算注入水平 静力平衡，ΣF=0，MA=0，示意图，力分布分析，力学平衡，使用：
      (5)     静力平衡方程 g=SXBIC/AJsc；示意图；用于科学研究。，
      其中 静力平衡，ΣF=0，MA=0，示意图，力分布分析，力学平衡 被解释为等效太阳光强数量，静力平衡示意图，ΣFx=0，力平衡，教育性物理概念。 为 X 射线束的横截面积，静力平衡；ΣFx=0；示意图；展示力平衡；教育性；物理概念；分析。 为标准测量条件下的短路电流密度35。

结果

在XBIC测量中使用锁相放大技术的关键优势在于，与标准放大测量相比，信噪比显著提高。前五个部分将讨论对成功实现锁相放大XBIC测量尤为关键的测量设置，包括：(a) 信号调制；(b) 前置放大；(c) 锁相放大器中的信号混频；(d) 锁相放大器的低通滤波器频率；(e) 锁相放大器的低通滤波器滚降。

这些设置影响的示例如图3、图4、图6所示。实验中，实验室装置使用红激光（波长方程 λ=650 nm，与光吸收或发射分析研究相关。）代替X射线束，并通过光学斩波器以静态平衡，ΣFx=0，MA=0，杠杆系统平衡力分析示意图 2177.7 Hz进行调制。荧光灯管用作偏置光源。被测器件（DUT）为具有Cu(In,Ga)Se2（CIGS）吸收层的薄膜太阳能电池。尽管针对其他被测器件可能选择不同的测量设置，但此处描述的确定合适参数的一般性指导原则适用于多种被测器件，例如具有不同吸收层的太阳能电池或纳米线。前置放大器（PA）的放大倍数设为指数形式方程 10^4 V/A，表示数学幂函数。。此处讨论的影响同样适用于其他类型的前置放大器。若无特别说明，锁相放大器（LIA）的低通滤波器滚降斜率为48 dB/倍频程。

以下部分（f）至（i）展示了 XBIC 测量与其他测量模式联用时的可能性与挑战的典型结果。在（f）中，讨论了飞扫模式下 XBIC 测量的特定挑战。在（g）中，结合了 CIGS 太阳能电池的 XBIC 与 XRF 测量结果，并探讨了在施加偏置电压条件下锁相放大技术的影响。在（h）中，将 XBIV 作为 CIGS 太阳能电池的一种附加测量模式。在（i）中，展示了 CdS 纳米线的 XBIC 与 XRF 元素组成数据。对于（f）至（i）各节中的所有 XBIC 测量，我们均采用了材料与试剂表中所列的前置放大器（PA）和锁相放大器（LIA）。

（a）入射信号的调制

图3 显示了使用示波器测量的待测器件（DUT）在无（上排）和有（下排）偏置光开启情况下的前置放大信号响应。由于前置放大器（PA）将电流转换为电压，显示的信号单位为伏特（V）。信号呈负值是由于太阳能电池的电极连接方式所致，其中p型和n型接触分别连接到前置放大器输入端的屏蔽层和芯线。在XBIC测量中，太阳能电池的电极连接需遵循本实验方案第1.3.6节中讨论的前电极必须接地的要求。

比较图3A与图3D，我们注意到存在一个约8 mV的偏移信号，在打开荧光灯管的偏置光后，该信号偏移至-65 mV。此外，偏置光显著增强了短时间尺度上的信号波动。这种约70 mV的偏置偏移可能带来问题，因其接近前置放大器（PA）和锁相放大器（LIA）的接收范围极限。由于我们希望充分利用PA的整个动态范围，因此更倾向于采用如图3A-C所示的小偏移情况。因此，所有非故意引入的偏置源（例如环境光照）均应予以消除。

添加一个斩波的光子源，如图3B、C、E、F所示，当光束通过斩波器叶片时，无论有无偏置光，诱导信号均增加相同的幅度——约66 mV；当光束被叶片遮挡时，信号保持在相应偏移量的水平，符合预期。斩波器频率在图3B和3E的信号中清晰可辨，其周期为 调制周期计算公式 τ_mod，显示 τ_mod = 1/f_mod = 0.46，用于科学语境。 ms。

在图3D-F中，我们注意到一个频率为90 kHz的额外调制信号。该高频调制的来源是荧光灯管的电子镇流器，其驱动频率为45 kHz。尽管锁相放大能够区分不同调制频率的贡献（如图6所示），但降低噪声信号对于获得良好的测量结果至关重要。环境光只是可能的噪声源之一，其他电子设备也可能引入噪声，并叠加到信号上。需要注意的是，偏置光并不总是不希望存在的噪声，通常会特意施加偏置光，以使待测器件（DUT）处于工作状态。

在图3B、C、E、F中，我们进一步注意到，待测器件（DUT）在辐照强度变化时的响应存在延迟。这些上升时间效应将在下一节中更详细地讨论，其来源包括两种不同的效应：首先，待测器件响应在2177.7 Hz调制下的急剧上升和下降，受到前置放大器（PA）中低通滤波器的延迟作用；其次，信号在更慢的时间尺度上继续上升或下降（例如，在图3C中0.68至0.80 ms之间可见），我们将其归因于太阳能电池中缺陷态的占据动力学过程。

(b) 预放大

前置放大器不仅放大待测器件的调制信号，还可能显著改变其波形。如上所述，太阳能电池的电极结构使得在光照下测得负电压。图 4 所示的测量未添加偏置光。

在放大强度保持不变的情况下，通过逐步增加滤波器上升时间进行测量，以展示其影响。在许多情况下，滤波器上升时间与硬件放大倍数相关联。放大倍数越强，响应时间越长，前置放大器中低通滤波器的截止频率也越低36,37。

如图4上图所示，当滤波器上升时间为10 µs时，信号几乎无延迟，峰峰值范围约为10 mV至-65 mV，并在峰值处达到稳定平台。当滤波器上升时间为100 µs时，调制信号中可观察到延迟效应，但调制仍清晰可辨，且幅度范围与10 µs时相近。当滤波器上升时间为1 ms时，已超过调制周期（0.46 ms），因此调制信号被抑制至10 mV以下，波形仅反映上升沿和下降沿的初始部分，显然不适用于定量XBIC测量。尤其在将快速调制频率调制频率公式 \(f_{mod}\)。与强放大结合时，必须牢记增益与滤波器上升时间之间的这种关系。

（c）信号混合

标准信号放大与锁相放大之间的关键区别在于将被测器件信号与参考信号混合，并通过低通滤波器抑制高频成分。

混频的信号路径如图5所示。在讨论信号混频时，需作若干简化。参考信号可描述为正弦信号

(6)     振动分析中相关的静态平衡方程，S_ref=S_ref^0·cos(2πf_1·t)。 ,

其中  静态平衡方程 ΣFx=0；参考熵符号 S⁰_ref；用于教学 为参考信号的幅值，静态平衡方程 ΣFx=0 图示；含力矢量的平衡分析装置 为参考信号的调制频率。输入锁相放大器（LIA）的待测器件（DUT）调制信号可类似表示为

(7)     信号检测公式：\(S_{DUT} = S^0_{DUT} \cdot \cos(2\pi f_2 \cdot t + \phi)\)。,

其中 静态平衡，S^0_DUT 方程，物理学中的教学概念，公式表示。 为幅度，静态平衡，ΣFx=0 方程，矢量图，力平衡分析，物理教学。 为被测器件信号的调制频率，静态平衡 ΣFx=0 方程，物理概念图，演示力平衡原理。 为被测器件信号相对于参考信号的相位偏移。

由(1)和(2)可得，混合信号为：

(8)     混合熵公式：S_mixed = S_ref*S_DUT，适用于信号处理分析。。 

被测器件（DUT）的调制频率即为参考频率，静力平衡公式 ΣFx=0, ΣFy=0；受力示意图；物理概念。因此，采用三角函数原理

(9)     余弦角度加法公式，三角恒等式方程，数学教育概念。 

可以将 静态平衡，ΣFx=0，工程示意图，受力分析，机械力 重写为两个具有不同频率项的和：

(10)     光谱学中信号混合过程的公式示意；涉及参考信号与被测器件信号组分。 . 

低通滤波器可抑制快速信号 静态平衡，ΣFx=0，ΣFy=0 图示；力分析，矢量，力学稳定性研究。，从而使锁相放大信号可被近似38,39为

(11)     混合信号分析方程，显示使用参考分量和被测器件分量进行信号近似。 . 

待测器件信号与参考信号混合后称为同相分量 色谱图，说明使用固定相方法进行分子分离过程。，而待测器件信号与相移90 ° 的参考信号混合后称为正交分量 色谱图，Y轴分辨率为14x11，说明分离过程和数据分析。：

(12)     光学光谱分析公式；X=S_ref·S_DUT·½cos(φ)；数学公式。 

(13)     光子测量方程，Y=Sr·SDUT·½cos(φ-90°)，与光谱拟合相关。。

由公式（12）和（13）可得，RMS 幅值

(14)     R=sqrt(X²+Y²) 公式；矢量大小计算；数学方程示意图

以及相位

(15)      角度计算公式 θ=atan2(Y,X)，数学方程。

利用双参数反正切函数可以获得混合信号的相位。许多锁相放大器在测量过程中具有内部相位调节功能，可将 静态平衡 ΣFx=0 方程，物理概念示意图，用于演示力的平衡原理。 调节至零。

（d）低通滤波器频率

图6 展示了偏置光和不同低通滤波器设置对锁相放大均方根振幅 静态平衡，ΣFx=0，ΣFy=0，示意图；力的平衡，力臂计算。 的影响。我们使用了一台锁相放大器，可同时记录不同滤波参数下产生的信号。

低通滤波器的截止频率 显示截止频率公式的显微镜图像，说明光谱学研究中的静态平衡。 定义了信号衰减至50%时的频率。低于该频率的信号可被通过，而高于该频率的信号则被抑制。图6A、E 显示了截止频率 显示截止频率公式的显微镜图像，说明光谱学研究中的静态平衡。 = 466.7 kHz 时的直接信号，此设置实际上无法有效消除噪声或低频调制，而是让这些成分随原始信号一同通过。将原始预放大信号转换为均方根幅值 静态平衡，ΣFx=0，ΣFy=0，示意图；力的平衡，力臂计算。 时，对于远低于 显示截止频率公式的显微镜图像，说明光谱学研究中的静态平衡。 的频率，会引入一个额外的 根号2公式；数学符号；教育概念。 因子。例如，一个 电压表读数：\(V_{\text{raw}}=1\,\text{V}\) 公式，电路分析中的测量 的恒定输入电压将被输出为 欧姆定律公式，R=1.41V，用于电路分析中的电压计算。。

而平均偏移量在 图6E 在无偏置光时可忽略不计（平均约为2 mV），在有偏置光时则增加至平均约75 mV图6A）。这种差异的强度与之间的差异相当 图3A 以及 图3D，但需注意这些是独立的测量。在这两种情况下，开启斩波光源会导致显著增加的 Static equilibrium, ΣFx=0, ΣFy=0, diagram; balance of forces, lever arm calculations.，以及峰峰值变化的 Static equilibrium, ΣFx=0, ΣFy=0, diagram; balance of forces, lever arm calculations. 对应于所示原始信号的峰-峰值变化 图3B 以及 图3E.

在图6B、F中，使用截止频率为Frequency response analysis, \( f_{\text{cut-off}} \), Bode plot, electronic circuits, phase shift.1000 Hz的低通滤波器后，显示了RMS幅值Static equilibrium, ΣFx=0, ΣFy=0, diagram; balance of forces, lever arm calculations.。如图6B所示，由于偏置光的存在仍可观察到偏移，但平均偏移较小，约为18 mV。该偏移由荧光灯的100 Hz调制引起，而90 kHz的调制信号则被低通滤波器阻断。此外，“光束开启”状态下的噪声水平仍然显著，峰峰值波动约为46 mV，而平均信号值为32 mV。在无偏置光的情况下（图6F），“光束开启”期间的峰峰值波动约为17 mV，平均值为23.5 mV；“光束关闭”期间的平均偏移小于0.5 mV。这些测量结果表明，截止频率为Frequency response analysis, \( f_{\text{cut-off}} \), Bode plot, electronic circuits, phase shift.1000 Hz的低通滤波器与Frequency response analysis, \( f_{\text{cut-off}} \), Bode plot, electronic circuits, phase shift.2177.7 Hz的斩波频率组合并非理想：携带调制频率的信号仅被低通滤波器部分衰减，未能完全抑制。残留部分导致“光束开启”状态下出现显著的峰峰值波动Static equilibrium, ΣFx=0, ΣFy=0, diagram; balance of forces, lever arm calculations. 。当存在偏置光时，荧光灯电网频率引起的100 Hz调制进一步增大了峰峰值。

在图6C、G中，偏置光的影响极小：10.27 Hz的低通滤波器滤除了大部分噪声和荧光的调制信号，从而可提取出清晰的束流诱导信号。尽管此处几乎不可见，但在施加偏置光时，噪声的偏移和离散程度仍略大。这可能是由于杂散光穿过斩波轮照射到待测器件（DUT）所致。因此，建议将斩波器安装在更上游的位置，以避免杂散光被调制。

图6D 和 H 分别为 图6B、C、F、G 中 6 秒后从“光束开启”到“光束关闭”变化的局部放大图。在 图6D 中，低通滤波器截止频率为 频率响应分析，\( f_{\text{cut-off}} \)，波特图，电子电路，相移。1000 Hz 时，可观察到叠加的 100 Hz 调制信号（荧光灯频率）。此外，当光束关闭时，与截止频率为 频率响应分析，\( f_{\text{cut-off}} \)，波特图，电子电路，相移。1000 Hz 的滤波器相比，截止频率为 频率响应分析，\( f_{\text{cut-off}} \)，波特图，电子电路，相移。10.27 Hz 的滤波器信号存在延迟。类似于光电探测器上升时间较慢的情况，锁相放大器中低通滤波器的低 显微镜图像显示截止频率方程，说明光谱学研究中的静态平衡。 会导致 静态平衡，ΣFx=0，ΣFy=0，示意图；力的平衡，力臂计算。 对信号变化的响应变慢。

综上所述，我们发现，采用截止频率 频率响应分析，\( f_{\text{cut-off}} \)，波特图，电子电路，相移。 为 10.27 Hz、衰减速率 48 dB/倍频程（见下节）的低通滤波器，在本案例中可在扫描速度（倾向于较高的 显微镜图像显示截止频率方程，说明光谱研究中的静态平衡。 值）与偏置光或噪声抑制（倾向于较低的 显微镜图像显示截止频率方程，说明光谱研究中的静态平衡。 值，尤其低于电网频率 50 Hz 时）之间实现最佳折衷。

（e）低通滤波器滚降

与许多数字锁相放大器一样，此处使用的型号采用了所谓的离散时间RC滤波器或指数滑动平均滤波器，其特性与模拟电阻-电容（RC）滤波器非常接近40。除了前一节中讨论的滤波器截止频率外，仅有一个自由参数，即滤波器阶数 静态平衡，ΣFx=0 图示，用于说明力学中的力平衡。，它定义了截止斜率，为 n•6，代数表达式，数学公式，静态平衡方程图示。 dB/倍频程。

图 7A 展示了滤波器阶数对不同截止频率下频率相关衰减的影响，这些截止频率对应的时间常数分别为 静态平衡方程 τₙ=100；数学公式；适用于物理计算。 ms 和 静态平衡方程，τc=0.1，示意图，适用于物理与工程分析。 ms。介于这两个极端值之间的时间常数适用于大多数 XBIC 测量。滤波器衰减已在频域内计算40，其计算方法为复数传递函数的幅值平方 频谱分析，|Hn(f)|²，频率响应，信号处理的可视化表示。

(16)     频率响应分析的传递函数方程图，Hn(f) 公式 

作为频率 色谱图；ΣFx=0；蛋白质纯化装置；瞬态吸收光谱。 和阶数为 静力平衡，ΣFx=0 示意图，用于说明力学中的力平衡。、时间常数为 静力平衡公式 τ<sub>c</sub> 分辨率；用于旋转系统分析的示意图。 的滤波器的函数。高阶滤波器的传递函数可通过串联连接的各个滤波器传递函数相乘得到。类似于 静力平衡示意图；所示公式：\( f_{\text{cut-off}} := f_{50\%} \)；稳定性分析。，我们定义 色谱图；蛋白质分离装置；包含流动相和固定相。 和 ```html <formula>置信区间公式 f_{95\%}</formula> ``` 分别为衰减达到 5% 和 95% 时的频率。这些频率与 静力平衡示意图，显示公式 ΣFx=0，物理学教育中的关键概念。 的乘积为常数，其值在表 1中给出，用于截止频率与滤波器时间常数之间的换算。

在时域中，滤波器响应 Static equilibrium diagram; ΣFx=0; illustrates force balance in a mechanical system. 用于 Equation of static equilibrium, n=1; represents force balance in physics, shown as a formula. 从输入信号递归计算得出 Sin[i] notation, mathematical symbol in equations, used in trigonometry or signal processing. 在离散时间点定义的 Complex number multiplication, symbol τ_s, relevant in signal processing equations., Static equilibrium; formula (i+1)·τᵢ; equilibrium equations for rotational motion analysis., Static equilibrium equation (i+2)·τs; symbol for torque; educational diagram., 等等，间隔为采样时间 Static equilibrium, ΣFx=0, MA=0; free body diagram, applied physics, force analysis.:

(17)     平滑滤波器方程 S_out[i]=exp(-Ts/Tc)S_out[i-1]+(1-exp(-Ts/Tc))S_in[i]，公式。 

滤波器对不同参数的响应 n>1 inequality equation, mathematical concept 通过多次迭代公式 17 进行计算 Static equilibrium equation, ΣS_out[i,n], illustrating structural balance, computational diagram. 由……计算得出 Mathematical sequence equation for index transformation, showing S_out[i-1,n] symbol. 和 Equation of signal output, \( S_{\text{out}}[i,n-1] \), used in computational modeling analysis.. 滤波器对在时间0处上升以及在时间 Static equilibrium; Symbol: 20τc; Represents torque calculations; Key formula in physics studies.）如图所示 图7B 对于1到8阶滤波器，作为时间（以单位时间计）的函数 Static equilibrium formula τ<sub>c</sub> resolution; diagram for rotational systems analysis.请注意，响应相对于输入信号存在延迟，且该延迟随输入信号的增加而增大 Static equilibrium, ΣFx=0 diagram, illustrating force balance in mechanics.延迟被量化为 表1 作为时间的倍数 <b>Static equilibrium formula ΣFx=0 diagram for physics analysis</b>, Static equilibrium equation; τ<sub>50%</sub>; physics diagram.，以及 τ<sub>95%</sub> formula in a diagram for statistical confidence analysis, component reliability study.，分别对应透射信号达到5%、50%或95%的范围。

在设计实验时，选择合适的滤波器滚降速率与选择截止频率同样关键。在 (g) 节介绍的应用 1 中，采用 1177 Hz 的斩波频率、100 ms 的驻留时间以及 8 阶滤波器下 40 Hz 的截止频率，获得了高质量的 XBIC 测量结果。根据表 1中的数据，这对应于 静态平衡，公式 τc=0.0479/40 Hz=1.1975 ms，方程分析，实验结果。，以及 数学；方程 τ<sub>95%</sub>=13.144·τ<sub>c</sub>=15.74 ms；时间常数计算。。该时间远短于驻留时间，因此不会引入延迟伪影。

(f) 停留时间校正

在经典的步进式测量中，扫描平台移动至标称位置，当精确到达该像素位置后，触发该点的测量开始。对于较短的停留时间，定位时间会成为总扫描时间的限制因素，这促使了所谓的“飞扫”或连续测量模式的发展：在此模式下，扫描平台持续移动，测量数据则在后期处理中根据编码记录的平台位置分配到各个像素。然而，这可能会引发额外的问题，如图8所示。在此例中，样品台的电机在色谱图；展示使用固定相法进行分子分离的过程。方向上未均匀移动，导致每个像素的停留时间不同（见图8A）。停留时间的变化直接反映为XBIC测量值的波动，如图8C所示。因此，XBIC信号需要对停留时间进行归一化处理，其结果如图8D所示。类似地，通常还需要对光束强度的变化（如图8B所示）通过归一化至光子通量来进行校正。归一化至光子通量的XBIC信号如图8E所示；为最小化绝对XBIC定量中的误差，光子通量本身已被归一化为其中位数值。图8F展示了同时对停留时间和光子通量归一化的XBIC图像，从而显著降低了大多数测量伪影的影响。最后，图8G展示了利用公式(1)将XBIC数据从计数率转换为电流后的结果。

(g) 应用实例1：施加偏压电压和X射线荧光的太阳能电池XBIC测量

图9A-B 展示了锁相放大对X射线束诱导电流测量中信噪比的影响。图9A 中直接信号的噪声明显可见：逐行之间的强烈强度对比表明存在测量伪影，而被测器件（DUT）的细微XBIC变化则淹没在随机变化的信号中。相比之下，这些细微特征在图9B 中清晰可辨。需要注意的是，尽管在测量前已对系统进行了优化，图9A 中的噪声水平仍因未知原因异常偏高。在此类情况下，锁相放大带来的信噪比提升显著高于标准放大（例如第(i)节中的应用3）下信噪比本已较高时的情形；在后者情况下，锁相放大仅能带来微小的改善。

使用PA时，分别对样品施加-50 mV的正向偏压（图9C）和+50 mV的反向偏压（图9D），并对图9A-B所示区域重新扫描。图9B中占主导地位的特征在图9C和图9D中仍然可见，但清晰度有所降低，因为图像噪声更大。其原因是施加偏压或偏置光会引入一个直流信号，该信号通常比调制的XBIC信号大几个数量级。最终，直流信号与调制信号的比值限制了锁相放大技术的应用。尽管信噪比较差，但值得指出的是，锁相放大技术使得在施加偏压和偏置光的条件下实现太阳能电池纳米级性能成像成为可能，而若无此技术则几乎无法实现30。

由于CIGS太阳能电池的性能与其吸收层的成分相关7,41，我们同时测量了X射线荧光（XRF）信号与XBIC信号。图9E-F展示了Ga和In的浓度分布。这两种元素均为吸收层的组成部分，其比例被认为对太阳能电池的性能具有重要影响7。Ga的统计计数远高于In，这是由于在10.4 keV的激发能量下，Ga具有更高的吸收系数和更少的自吸收效应。由于In的统计计数较低，In分布图中的特征几乎不可见，而Ga的浓度分布则足够清晰，可与图9B中的电学性能进行关联分析。为了获得更强的In信号，可选择更长的停留时间，或选择In吸收截面更大的激发能量。这说明了足够长的停留时间以及根据目标元素优化入射束能量的重要性。

在长时间停留和大范围扫描时，还需注意另一个问题：在持续数小时的测量过程中，样品漂移可能成为一个关键问题。温度波动（特别是在更换样品后或大范围电机移动后因散热不良）以及机械台组件的不稳定性，常常会导致样品漂移，这一点可通过比较图9D和图9B的垂直位置看出。

（h）应用2：结合XBIV与XRF的太阳能电池XBIC测量

图10 展示了对一个CIGS太阳能电池进行的多模态扫描，其中在图10A中，电池在短路条件下工作并测量XBIC，而在图10B中，电池在开路条件下工作并测量XBIV。在图10C中所示的X射线荧光（XRF）测量与XBIV测量同时进行。为了积累足够的XRF计数，在图10B-C中每个像素点的驻留时间为0.5秒，而图10A中为0.01秒。因此，与XBIC测量相比，XBIV测量可采用更低的低通滤波器截止频率（分别为10.27 Hz和501.1 Hz，滚降斜率均为48 dB/oct）。若仅进行XBIV测量，我们本可以采用与XBIC测量相同的驻留时间及低通滤波器设置，并获得类似的信噪比。然而，综合来看，将XBIV与XRF测量结合，并以XRF测量决定驻留时间，比分别进行XBIV和XRF测量更为高效。

比较 图10A，以及 图10B，我们注意到短路电流 Static equilibrium concept with ΣFx=0 equation, showing balance diagram for educational use.，以XBIC测量的短路电流和开路电压 Static equilibrium equations; symbol analysis; ΣFx=0, ΣFy=0; physics diagram; mechanical stability.以 XBIV 形式测得的结果呈现相关性：在两种测量模式中均可见大面积的高性能与低性能区域。这表明此处的性能主要受局部厚度变化和/或复合效应主导，而非带隙变化；若带隙变化为主因，则 XBIC 与 XBIV 中将呈现相反的趋势。28.

此外，结合图10C可以看出，某些性能较低的区域，例如在近似坐标方程 (X,Y) ≈ (1.7 μm, 6.7 μm)；科学数据分析。处，与较低的Cu计数率相关，而在其他区域，性能与Cu计数率并无关联。

(i) 应用实例3：纳米线的XBIC与XRF分析

除了太阳能电池之外，带有电极的纳米线24 或纳米片以及量子点也是可受益于锁相放大 XBIC 测量的待测器件（DUT）的其他示例。作为演示，图11A 展示了来自 XRF 测量的元素分布，而 图11B 则展示了 CdS 纳米线对应的 XBIC 图谱。由 Pt 构成的两个电极与 CdS 纳米线可清晰区分，且 XBIC 信号呈现出相应的电学响应。尤其值得注意的是，XBIC 能够揭示位于 Pt 电极下方纳米线的电学性能，这一特性为 X 射线纳米探针所独有，归因于硬 X 射线的高穿透深度。对纳米线材料组成与电学性能的互补性分析，典型地展示了多模态 X 射线测量的优势。

X射线吸收光谱示意图，显示带有锁相放大器的信号调制与检测装置。
图1：对被测器件（DUT）进行锁相放大X射线束诱导电流（XBIC）测量的装置示意图。 光束路径以红色表示。绿色部分表示可选的X射线荧光（XRF）和面探测器，用于多模态测量；黄色表示可选的偏置光源。XBIC测量的硬件组件以黑色标示，XBIC信号路径以蓝色表示，信号输出和输入分别用实心和空心圆圈表示。在数据采集（DAQ）之前，直流（direct current, DC）和交流（alternating current, AC）信号通过电压-频率转换器（V2F）由电压信号转换为频率信号。关于其他可选信号路径，请参见讨论部分的（a）部分。请点击此处查看该图的放大版本。

太阳能电池示意图；印刷电路板装置；电接触；光子学研究设备。
图 2：用于包括X射线束诱导电流在内的多模态X射线显微镜测量的运动学样品支架示例。 使用银漆将细铜线连接到Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) 太阳能电池的正面和背面电极，并与印刷电路板（PCB）的接触点相连。采用聚酰亚胺胶带将导线彼此隔离，以避免样品发生短路。 请点击此处查看此图的放大版本。

前置放大信号随时间变化，光束开关状态，光激发实验示意图，频谱分析。
图3：施加偏置光和调制光束照射下太阳能电池的前置放大响应。 上排无偏置光，下排有偏置光：A 和 D - 光束关闭；B 和 E - 光束开启；C 和 F - 对 B 和 E 中红色矩形区域的放大图。请点击此处查看该图的放大版本。

信号波形图，展示前置放大器中三种不同滤波器上升时间（10 µs、100 µs 和 1 ms）下的前置放大信号。
图 4：前置放大器中三种不同滤波器上升时间（10 µs — 蓝色，100 µs — 红色，1 ms — 绿色）下太阳能电池在前置放大后的响应。 请点击此处查看此图的放大版本。

锁相放大器示意图；信号混合、低通滤波器、同相和正交分量分析。
图5：锁相放大器的信号处理过程31。 静力平衡方程 ΣFx=0, ΣFy=0；用于分析梁结构受力的示意图。 为来自待测器件的信号输入，静力平衡方程 ΣFx=0；示意图；探讨力平衡原理。 为来自斩波器的参考信号。 请点击此处查看该图的放大版本。

光强调制实验结果；均方根振幅与时间关系图；光束开启/关闭、偏置光效应。
图6：采用锁相放大检测的均方根振幅静态平衡，ΣFx=0，ΣFy=0，示意图；力的平衡，力臂计算。，低通滤波器截止频率分别为信号处理中的截止频率公式，包含数学符号与表达式。466.7 kHz（蓝色）、信号处理中的截止频率公式，包含数学符号与表达式。1 kHz（紫色）、信号处理中的截止频率公式，包含数学符号与表达式。10.27 Hz（红色），滤波器滚降斜率恒为48 dB/oct。被测器件为Cu(In,Ga)Se2太阳能电池，在有（A、B、C、D）和无（E、F、G、H）偏置光条件下进行测量。图中垂直虚线表示斩波光子束开启与关闭的时刻。请点击此处查看该图的高清版本。

频率响应分析；衰减与频率关系图（A），响应与时间关系图（B）
图7：锁相放大器中低通滤波器设置的影响。A —— 在频域中，两个时间常数（静态平衡方程 τₙ=100；数学公式；适用于物理计算 ms 和 静态平衡方程，τc=0.1，示意图，适用于物理与工程分析 ms）以及滤波器阶数从1到8时，低通滤波器的衰减特性。B —— 在时域中，当输入信号在时刻0从0阶跃至1、在时刻 静态平衡；符号：20τc；用于扭矩计算；物理学研究中的关键公式 从1阶跃至0时，对应不同滤波器阶数（1至8）的低通滤波器输出信号响应，单位为时间常数 静态平衡示意图，显示公式 ΣFx=0，物理学教育中的核心概念。 请点击此处查看该图的放大版本。  

XBIC信号的空间映射；包含原始数据以及对停留时间和光子通量的归一化。
图8：在PETRA III的P06光束线对Cu(In,Ga)Se2太阳能电池进行飞扫测量，光子能量为15.25 keV，聚焦通量约为 指数表示法；表示七十亿的数学符号，格式为7 × 10^9。 ph/s。前置放大器（PA）设置为 静力平衡图，ΣFx=0，用于物理学中力与力矩平衡的研究。 = 106 V/A，锁相放大器（LIA）设置为 截止频率公式 \(f_{\text{cut-off}}=501.1\)，与信号处理相关的公式。 Hz（48 dB/倍频程）。 A — 停留时间，B — 光子通量，C — X射线束诱导电流（XBIC）；XBIC图谱归一化至：D — 停留时间，E — 光子通量（归一化至其中位值），F — 停留时间与归一化光子通量。G — 利用公式（1）将计数率转换为电流后得到的归一化XBIC信号。请点击此处查看该图的高清版本。

XBIC 和 XRF 信号图；微米尺度；电荷与元素分布分析；表面成像。
图9：在欧洲同步辐射装置 ID16B 光束线对 Cu(In,Ga)Se2 太阳能电池进行的 X 射线束诱导电流（XBIC）与 X 射线荧光（XRF）测量，聚焦通量约为 数学语境中的指数表示法 \(10^8\)。 ph/s。 前置放大器（PA）设置为 方程显示 \( A_{PA} = 5 \times 10^6 \)，用于数据分析或科学计算。 V/A，锁相放大器（LIA）设置为 截止频率方程 \( f_{cut-off}=40 \)，图示，信号处理概念。Hz（48 dB/倍频程）。光束能量为 10.4 keV，斩波器频率为 1177 Hz，低通滤波器截止频率为 40 Hz。驻留时间为 100 ms，像素尺寸为 40 nm × 40 nm。图 A、B、E 和 F 均在同一时间采集；图 C 和 D 分别在施加 50 mV 正向和反向偏压 50 分钟和 113 分钟后重新采集。 请点击此处查看该图的放大版本。     

X射线束诱导电流和电压图；XRF Cu分布；数据可视化图表。
图10：在PETRA III的P06光束线上对Cu(In,Ga)Se2太阳能电池进行的多模态测量，所用聚焦通量约为指数表示法；七千亿的数学符号，格式为7 × 10^9。 ph/s。光束能量为15.25 keV，斩波器频率为8015 Hz，像素尺寸为50 nm × 50 nm。A — X射线束诱导电流（XBIC），停留时间为0.01 s，前置放大器（PA）增益为 静力平衡图，ΣFx=0，用于物理学中力与力矩平衡的教学示意。 = 106 V/A，锁相放大器（LIA）设置为 静力平衡方程，f_cut-off=501.1，用于物理教学中的公式图示。Hz（48 dB/oct）；B — X射线束诱导电压（XBIV），测量区域与A图相同，停留时间为0.5 s，LIA设置为 信号处理分析中方程表示截止频率f_cut-off = 10.27Hz（48 dB/oct）；C — X射线荧光（XRF）测量获得的Cu计数率，与XBIV测量同步进行。请点击此处查看该图的放大版本。        

纳米级结分析；Pt-Cd元素分布图；实验结果；X射线束诱导电流（XBIC）
图11：在先进光子源26-ID-C光束线、10.6 keV光束能量下测量的带有Pt电极的CdS纳米线的多模态表征。A - 来自X射线荧光测量的Pt和Cd分布。B - 与XRF测量同时进行的X射线束诱导电流（XBIC）测量结果，未使用锁相放大。 请点击此处查看该图的高清版本。 

滤波器性能表；不同滚降率、截止频率和时间常数的比较。
表 1：对于1至8阶的离散时间RC滤波器，信号衰减5%（静态平衡，ΣFx=0，平衡示意图，说明力的相互作用和矢量分解。）、50%（截止频率公式，f_cut-off = f_50%，信号处理概念的方程和符号）和95%（静态平衡 ΣFx=0，梁上受力示意图，结构分析关键词。）时的时间常数与频率的乘积为常数，其值列于上半部分。下半部分给出了信号达到5%（<b>静态平衡公式 ΣFx=0，用于物理分析的示意图</b>）、50%（静态平衡方程；τ<sub>50%</sub>；物理示意图。）和95%（τ<sub>95%</sub> 公式，用于统计置信度分析、组件可靠性研究的示意图。）所需的时间延迟，以时间常数 静态平衡示意图，显示ΣFx=0公式，物理学教育中的关键概念。 和截止频率的倒数 逆截止频率公式，1/f_cut-off，用于数据分析的数学方程。 为单位。 请点击此处下载该Excel文件。

XBICEBICLBIC
多模态能力++++
空间分辨率++++-
穿透深度++--+
可用性---+
样品损伤---++

表2：X射线束诱导电流（XBIC）、电子束诱导电流（EBIC）和激光束诱导电流（LBIC）的定性评估。

讨论

在本章中，我们首先讨论与噪声（a）和扫描速度（b）相关的通用XBIC测量设置的重要性。接着，我们将XBIC测量置于多模态测量的背景下，探讨X射线束诱导损伤（c）以及多参数同步测量所面临的特定挑战（d）。最后，我们将XBIC测量与使用电子束和激光束作为探针的相关测量方法进行比较（e）。

(a) 噪声与误差

尽管与直接放大相比，锁相放大能够实现更高的信噪比，但必须避免在各个层面引入噪声，这一点在本文中已反复强调。有关进一步讨论，可参考关于微弱电信号测量的文献42,43,44,45。尽管目前最先进的锁相放大器基于数字信号处理技术，但大多数利用模拟锁相放大器降低噪声的策略仍然适用。

总之，应牢记电缆容易充当天线，从而将噪声引入系统。在X射线纳米探针环境中尤其如此，因为强烈的电磁场常常不可避免，其来源甚至可能未知。因此，应尽量缩短电缆长度，并调整其方向以使感应噪声水平最小化。对信号电缆进行额外屏蔽可进一步降低噪声水平。

正确连接待测器件（DUT）对于最小化噪声同样至关重要。一种接触点小且清洁可靠的连接方法是引线键合。然而，由于存在粘附性问题，该方法并不总是适用于薄膜太阳能电池。作为替代方案，基于石墨、铜或铝的导电胶带适用于较大的样品。在许多情况下，通过手动涂抹银浆将细铜线、金线或铂线与器件连接，可获得最佳效果。尽管胶带和石墨导电膏可能无法提供最优接触，但银浆容易造成器件短路，因此必须极其小心地施加。可使用聚酰亚胺胶带防止器件的正面与背面接触短路。

需要注意的是，从接触电极到信号传输的布线布局必须根据光束线的具体边界条件进行调整。例如，图1 所示的布局中，前置放大信号被同时分送至锁相放大器（LIA）和电压-频率（V2F）转换器，如果 V2F 转换器位于实验舱外，则该布局存在风险。在这种情况下，前置放大器与 V2F 转换器之间的长电缆可能引入噪声，并传递至锁相放大器。因此，我们区分了 XBIC 或 XBIV 测量中三种常见的信号传输路径情况：

情况A：使用前置放大器测量XBIC，且在前置放大器（PA）之后将直流/交流信号分离，如图1所示。在此情况下，可在前置放大器中施加电流偏移，使信号始终为正，从而无需通过两个独立的电压-频率（V2F）转换器分别记录正负信号。然而，其缺点是会降低锁相放大器（LIA）中可用的电压接受范围，导致灵敏度下降。

情况B：为避免将仅输入至锁相放大器（LIA）的预放大信号进行分流，可在LIA中使用额外的解调器，并将低通滤波器设置为最大值即 未锁定到调制频率，以便前置放大信号能够有效输出至数据采集（DAQ）单元，如图所示 图6A,E在这种情况下，可在输出端对交流和直流信号同时施加电压偏移，从而无需通过两个独立的电压-频率（V2F）转换器分别记录正负信号。这种方法的主要缺点仅为V2F可用频率范围的减小，但这种情况很少构成限制。

情况C：测量XBIV，且直流/交流信号在被测器件（DUT）与锁相放大器之间分流。在此情况下，无法在不对被测器件施加不期望的偏置电压的前提下对直流信号施加电压偏移，因此正负信号部分始终需要两个独立的V2F转换器。

在所有情况下，当信号的负向和正向部分通过两个不同的V2F转换器记录时，总XBIC或XBIV信号由正向通道与负向通道之差获得。如果锁相放大器（LIA）具备两个或更多解调器，我们通常更倾向于采用情况B，因为它能最大限度减少原始信号的布线，并便于在XBIC和XBIV测量之间轻松切换。

XBIC测量的误差在很大程度上取决于 所使用的设备和设置导致此处无法给出误差量化。由于实验误差和系统误差的存在，绝对误差高于预期。这种情况尤为明显 如果按照本方案所述，通过常数缩放将XBIC信号转换为电荷收集效率。例如，带隙与电离能之间的经验关系（由α描述，见公式4）存在显著的离散性；光子通量测量通常无法达到绝对误差低于10%的精度；且待测器件（DUT）的纳米级结构了解甚少。然而，我们强调，锁相放大XBIC与XBIV测量的优势在于其在图像或可比测量中具有极高的相对准确性。

(b) 扫描速度

在许多基于光子探测的测量模式中（如X射线荧光光谱或X射线散射），信号强度在一级近似下随采集时间线性增加，信噪比也随之提高。但对于载流子束感应电流（XBIC）测量而言，情况并非如此，其可能的扫描速度范围并非由计数统计学决定，而是由载流子动力学和器件结构等更复杂的因素所决定。

然而，每个像素采集多个调制信号周期的慢速测量通常能在锁相放大XBIC测量中获得最佳的信噪比，若测量时间允许，后期处理过程中通过过采样并进行平滑处理（例如合并像素或应用滤波器）可进一步降低噪声水平。然而，除通量因素外，其他限制条件也会对测量速度设定下限，包括：（1）X射线束诱导的样品退化（见下节），或测量期间环境因素引起的样品变化 原位 测量通常会缩短允许的停留时间。（2）样品漂移和载物台移动的可重复性可能成为限制因素，特别是在纳米尺度测量中。（3）更快的测量速度可能超过电磁噪声水平的变化。（4）尽管光子计数测量可轻易归一化至入射光子通量，XBIC信号（尤其是XBIV信号）仅在一定程度上与入射光子通量呈线性关系28因此，仅对光子通量进行归一化只能补偿光子通量变化带来的部分影响，在光子通量发生变化时应避免进行XBIC测量（如面扫或时间序列测量）。当储存环在XBIC面扫过程中被填充时，这一问题尤为突出。

如果XBIC测量速度不受其他测量模式的限制（参见(d)节），通常以能够提供满意信噪比的最大速度进行XBIC测量。测量速度的上限由以下因素决定：（1）测量速度的基本上限是待测器件（DUT）的响应时间。从根本上说，响应时间受限于载流子收集时间。对于大多数载流子寿命在纳秒或微秒量级的薄膜太阳能电池，这一点通常不是问题；但对于寿命达数毫秒的高质量晶体硅太阳能电池，则必须予以考虑。然而，电容效应也可能增加薄膜太阳能电池的响应时间，从而限制测量速度。（2）用于调制X射线束的旋转斩波叶片存在速度上限。根据其在X射线束中的位置，光束尺寸可能宽达1 mm，这决定了叶片的最小周期。若斩波器在真空中运行，其旋转频率很少成为限制因素，某些情况下甚至可匹配电子束团频率。然而，在真空中以如此高速运行斩波器具有挑战性，因此大多数斩波器在空气中运行。在此情况下，旋转速度受限于机械振动，最终受限于叶片最外缘的线速度，该速度必须低于声速。根据我们的经验，空气中的斩波频率通常限制在约7000 Hz。（3）在许多情况下，前置放大器（PA）的响应时间设定了测量速度的上限。如图4所示，为了有效传递来自斩波器的信号调制，前置放大器需要具备快速的上升时间。为实现高增益，通常使用低噪声电流放大器，但其上升时间可达100 ms。在此上升时间下，斩波频率可能被限制在几赫兹，这将要求数秒的驻留时间。因此，最佳策略通常是选择响应时间更快、增益较低的前置放大器，使其与斩波频率相匹配。尽管这会导致前置放大后的信噪比较低，但锁相放大通常仍能有效提取高质量的调制信号。

例如，所使用的功率放大器（PA）即使在低噪声设置下，也能在 µA/V 范围内提供超过 10 kHz 的带宽37。这使得可以在 kHz 范围内进行斩波，并结合截止频率介于扫描频率与斩波频率之间的低通滤波器，实现高达 100 Hz 范围的测量速度。这些正是我们经常采用的测量条件。

为避免测量伪影，沿放大链分析信号至关重要：锁相放大器（LIA）低通滤波器导致的限制容易在图像中作为线状伪影被检测到（XBIC信号在多个像素间扩散），而待测器件（DUT）和前置放大器（PA）的系统响应则需要通过示波器检查信号，该功能可集成于锁相放大器中。

(c) 电子束损伤

X射线束诱导损伤是一个常见问题，已在多种体系中被讨论，从生物样品到硅太阳能电池和探测器46,47。尽管无机半导体相比有机半导体或生物体系通常对X射线辐照更具耐受性，但在薄膜太阳能电池中，X射线束诱导损伤也普遍存在。具体而言，我们已观察到CdTe、CIGS29、钙钛矿18以及有机吸光层太阳能电池的X射线束诱导损伤。需要注意的是，诸如太阳能电池等被测器件（DUT）的电子响应对低于ppm水平的缺陷浓度极为敏感，此时载流子复合会影响器件性能，而尚未出现明显的化学损伤。

因此，通常需要测试待测器件（DUT）对电子束损伤的敏感性。在实际操作中，我们在进行正式的XBIC测量之前，先评估X射线束对任何待测器件引起的性能退化情况，并确定能够使测量结果受干扰最小的实验条件。 由降解效应引起。

应对X射线束诱导损伤存在多种策略，但这些策略的共同点在于，均旨在评估某测量位置的性能之前，降低该位置所受的辐射剂量。换句话说，其目标是遵循这一范式，以速度超越损伤的累积过程 "测量速度要快于被测器件的退化速度"策略包括：（1）使用较短的停留时间；（2）增大步长，降低测量分辨率；（3）通过衰减滤光片降低X射线束强度。根据光束线和待测器件（DUT）的不同，可选择其中一种或多种方法组合使用。例如，若缺乏快速快门或飞扫模式，则无法采用方法（1）；而采用分区板（zone plates）产生的广泛X射线束分布，可能在远离中心光束位置处导致显著的性能下降。

幸运的是，大多数降解机制仅导致局部载流子复合增强。这将降解的横向影响限制在载流子的扩散长度范围内，远离降解区域的XBIC测量结果几乎不受影响。相反，如果降解机制导致待测器件（DUT）发生局部短路，则后续的XBIC测量将受到严重干扰。为了将沉积的辐射剂量保持在最低水平，应首先在未辐照的新区域进行关键测量，随后可在同一位置使用对束流损伤较不敏感但光子需求较高的方法，如XRF。

（d）多模态测量

XBIC 与其它测量模式的兼容性使得能够将电学性能与同时测定的参数进行逐点直接关联23。本文简要讨论 XBIC 测量与 XBIV、XRF、SAXS、WAXS 和 XEOL 测量的联用。虽然可以设想将其与其他测量模式（如电子产率或全息术）结合，但这些模式通常与扫描测量的装置或模式不兼容。

即使探测器与样品在几何布局上能够实现XBIC、XBIV、XRF、SAXS、WAXS和XEOL的同步测量，仍存在一些基本的和实际的因素，限制了所有模式的同步表征。

（1）太阳能电池的工作状态无法同时进行XBIC（短路）和XBIV（开路）测量。由于XEOL48,49检测的是电子-空穴对的辐射复合过程，而太阳能电池的测量电流（XBIC）会构成竞争性过程。因此，XEOL测量通常在开路条件下进行，该条件可与XBIV的同步测量相兼容。

（2）如果束流损伤对XBIC或XBIV测量构成影响，则不应将其与耗光量较大的技术（如XRF或XEOL）联用。经验表明，束流损伤效应首先在电学信号（XBIC）中显现。 & XBIV）以及光学性能（XEOL），这些特性对通过电子缺陷发生的载流子复合具有敏感性。其次，结构损伤出现（在SAXS中可见） & WAXS），随后通过XRF观察到成分变化。

（3）尽管对X射线束进行斩波通常适用于所有测量模式，但可能引发伪影：首先，每个像素积分的光子通量会因斩波轮在一个周期内通过的积分通量不同而变化。当斩波频率与扫描频率之比越小时，该效应越显著。其次，斩波轮与X射线束之间的相互作用可能产生散射、衍射和荧光光子。第三，积分光子通量会降低50%，这对于光子需求较高的测量模式尤为关键。

基于上述考虑，理想的测量方案取决于具体的待测器件（DUT）以及对测量模式的优先级安排。然而，通常建议首先采用针对XBIC优化的测量方式。如果需要进行锁相放大XBIV测量，则通常将其安排为第二次扫描。否则，可移除斩波器，并根据最耗光子的技术所需，以更长的停留时间依次完成所有其他测量，包括标准XBIV测量。理想情况下，XRF数据应在所有扫描过程中同步采集，以便在后期处理中实现图像配准，从而校正样品漂移。

(e) 用于束流诱导测量的不同探针

对于评估器件在空间分辨下的电学性能，除X射线束外，还可采用其他探针，各自具有特定的优缺点。因此，表2对X射线束诱导电流（XBIC）、电子束诱导电流（EBIC）以及激光束诱导电流（LBIC）进行了定性比较，其中EBIC通常在电子显微镜中测量，LBIC则可通过光学装置进行测量。

激光激发产生的电子-空穴对最接近太阳能电池在户外工作条件下的情况。然而，激光束诱导电流（LBIC）的空间分辨率从根本上受限于激光的波长。电子束诱导电流（EBIC）测量能够提供更高的空间分辨率，其分辨率通常受限于电子束与待测器件（DUT）相互作用的作用半径。EBIC测量的主要缺点是其对表面敏感，难以评估通过整个层叠结构甚至已封装器件中吸光层的性能。此外，待测器件表面不平整，结合非线性的二次电子发射效应，常常导致EBIC结果失真。相比之下，X射线束诱导电流（XBIC）测量几乎不受表面形貌变化的影响，因为大部分信号产生于体材料的深层，且通过适当的接地可有效缓解表面电荷效应。

这三种束流诱导技术的共同点是电荷注入高度不均匀，在束流位置处达到峰值。因此，过剩载流子浓度和电流密度的分布也是不均匀的。简化的图像中，太阳能电池的大部分区域处于无光照状态，而一个小区域则在高注入水平下工作，对于聚焦的束流，该水平可达到数百个太阳当量。注入水平的分布不仅取决于束流的尺寸和形状，还与束流能量、器件结构以及注入的时间结构有关。到目前为止，X射线束被视为连续束流，这对于比微秒慢的载流子收集过程是合理的。然而，来自同步辐射源的X射线是由亚100皮秒的脉冲组成的，其强度和脉冲频率取决于储存环的填充模式。尽管我们尚未观察到填充模式对相对较慢的XBIC测量产生任何影响，但短期的注入水平确实依赖于填充模式。相反，人们可以利用X射线的时间结构：类似于时间分辨XEOL21已展示的情况，可以设想进行时间分辨的XBIC或XBIV测量，或将XBIC/XBIV信号与电子束团频率同步锁定。

充分讨论非均匀注入水平的影响需要对所有相关电子束和器件参数进行完整的三维仿真，包括将随时间变化的注入水平与待测器件（DUT）中的三维迁移率和寿命进行卷积处理，这超出了本文的研究范围。然而，这一概念在所有束流诱导电流和电压测量中是相同的，我们建议参考文献中关于EBIC50和LBIC51测量中注入水平依赖性的讨论。

局部电荷注入的负面影响可通过施加相当于1个太阳光照强度的偏置光来实验性地缓解，同时仅引入可忽略不计的额外载流子。在实际应用中，该方法受到当前最先进的锁相放大器动态范围（100-120 dB）的技术限制，该动态范围对应105至106的信噪比。虽然这对于尺寸与光束相当的器件已足够，但无法在宏观器件上施加相关水平的偏置光。显而易见的解决方案是减小样品尺寸。然而，这通常受到样品边缘或接触点外达数百微米范围内的电学边界效应的限制。

还需注意，可以利用XBIC测量中注入水平的依赖性：类似于EBIC和LBIC，通过改变X射线束强度进行不同注入水平的系列测量，可揭示有关主要复合机制和载流子扩散的信息52,53。

综上所述，X射线的穿透深度结合高空间分辨率，使得XBIC成为在相关显微方法中研究具有埋藏结构的DUT（如薄膜太阳能电池）的最合适技术。XBIC测量的相互作用半径通常小于EBIC，其空间分辨率通常受限于载流子的扩散长度。XBIC测量的主要缺点是X射线纳米探针的可用性有限。

披露

作者无任何利益冲突需要披露。

致谢

我们非常感谢德国电子同步加速器研究所（DESY）的 J. Garrevoet、M. Seyrich、A. Schropp、D. Brückner、J. Hagemann、K. Spiers 和 T. Boese，以及汉堡大学的 A. Kolditz、J. Siebels、J. Flügge、C. Strelow、T. Kipp 和 A. Mews，他们在 DESY 的 PETRA III 装置 P06 光束线上提供的测量支持；感谢美国阿贡国家实验室（ANL）的 M. Holt、Z. Cai、M. Cherukara 和 V. Rose，他们在阿贡国家实验室先进光子源（APS）26-ID-C 光束线上提供的测量支持；感谢欧洲同步辐射设施（ESRF）的 D. Salomon 和 R. Tucoulou，他们在 ESRF 的 ID16B 光束线上提供的测量支持；感谢 MiaSolé Hi-Tech 公司的 R. Farshchi、D. Poplavkyy 和 J. Bailey，以及瑞士联邦材料科学与技术研究所（EMPA）的 E. Avancini、Y. Romanyuk、S. Bücheler 和 A. Tiwari 提供的太阳能电池。我们感谢德国汉堡的德国电子同步加速器研究所（DESY）——亥姆霍兹联合会（HGF）成员——提供实验设施。我们感谢法国格勒诺布尔的欧洲同步辐射设施（ESRF）提供同步辐射设施。本研究使用了先进光子源的资源，该设施是美国能源部（DOE）科学办公室下属用户设施，由阿贡国家实验室为美国能源部科学办公室运营，合同编号为 DE-AC02-06CH11357。

材料

本文使用的材料清单
姓名公司目录编号评论
BNC 电缆和连接器来自通用电缆供应商
斩波器叶片ThorlabsMC1F10HP除斩波轮与斩波系统的机械兼容性外，还需确认斩波器叶片能够充分阻挡 X 射线束。
导电银漆Conrad530042其他可选产品可从 Pelco 等供应商获取
铜线来自电缆供应商，用于太阳能电池的电极连接
电流前置放大器StandfordSR570可选替代产品包括 Keithley 487 或 6487 皮安计。 
待测器件（DUT）适用于 XBIC 测量的器件。
带印刷电路板的支架定制设计
运动学样品台ThorlabsKB25/M可选配件，便于样品的精确定位和更换。其他可选型号包括 Newport 的 M-BK-1A
锁相放大器Zurich InstrumentsUHFLI 或 MFLIMFLI 内置电流前置放大器，而 UHFLI 需要外接电流前置放大器，但提供更多功能选项。因此，本实验采用 UHFLI。
测量控制/数据采集单元在不同同步辐射装置上均可获得
光学斩波器ThorlabsMC2000B(-EC)可选替代产品包括 Stanford Research Systems 的 SR540 斩波器，或 Newport 的 3502 型号。
聚酰亚胺胶带可提供不同宽度和厚度的卷材
X 射线源在不同同步辐射装置上均可获得

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勘误


Formal Correction: Erratum: X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells
Posted by JoVE Editors on 7/29/2020. Citeable Link.

An erratum was issued for: X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells. An equation was updated.

Equation 9 was updated from:

Cosine product formula equation for trigonometric calculations; mathematical concept.

to:

Trigonometric identity equation: cos(a)cos(b) = 1/2[cos(a+b) + cos(a-b)].

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