Methodenartikel

Probenvorbereitung und Widerstandsmessungen für die Operando Transmission Elektronenmikroskopie während Erhitzung und elektrischer Vorspannung

DOI:

10.3791/68886

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26. Juni 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

In diesem Artikel

Zusammenfassung

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Eine einzigartige Methode zur Herstellung von Operendo-Transmissionselektronenmikroskopie-(TEM)-Proben auf mikroelektromechanischen Systemen (MEMS)-Chips wird vorgestellt. Elektrische Kontakte werden mit einem fokussierten Ionenstrahl deponiert, wobei der Widerstand durch On-Chip-Erwärmung minimiert wird und über verschiedene Probenmaße ausgewertet wird, was elektrische Leitfähigkeitsmessungen bei unterschiedlichen Temperaturen während in situ TEM-Beobachtungen ermöglicht.

Zusammenfassung

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Die Charakterisierung der Mikrostrukturen von Materialien ist unerlässlich, um die Beziehungen zu ihren Eigenschaften zu verstehen. Die Mikrostruktur kann jedoch während des Betriebs bei erhöhten Temperaturen und elektrischer Vorspannung Veränderungen erfahren. Solche Bedingungen sind Standard bei thermoelektrischen Geräten, die Strom aus einem Temperaturunterschied erzeugen. Um diese mikrostrukturellen Veränderungen in situ in einem Transmissionselektronenmikroskop (TEM) zu charakterisieren, wurde kommerzialisierte MEMS-basierte Technologie eingesetzt. Operando-Bedingungen thermoelektrischer Bauelemente, wie Wärmelasten und elektrisches Vorspannen, können von den Chips während der In-situ-TEM-Beobachtung nachgebildet werden. Hier zeigen wir unseren Ansatz zur Vorbereitung von TEM-Proben auf in-situ-MEMS-Chips, die zum Erhitzen und Vorspannen geeignet sind, unter Verwendung eines fokussierten Ionenstrahls (FIB). Die Probe wird zunächst aus einem Bulkmaterial herausgenommen und dann mit den positiven und negativen Elektroden des Chips verbunden. Die Kontakte werden durch die Ionenstrahlablagerung eines Pt-C-Verbundes hergestellt. Schließlich wird die TEM-Probe direkt auf dem Chip mittels FIB verdünnt. Um die elektrischen Eigenschaften der TEM-Probe zu messen, wird eine Spannung zwischen zwei Elektroden angelegt. Der Strom durch die Probe wird gemessen, um den Gesamtwiderstand bei jeder Temperatur abzuleiten. Anschließend werden der Widerstand der Probe und der Kontaktwiderstand anhand der gemessenen Widerstände bei unterschiedlichen Probemaßen während unterschiedlicher FIB-Verdünnungsphasen bestimmt. Die Ergebnisse zeigen, dass eine Erhitzung auf 200 °C nach jeder FIB-Verdünnung den Kontaktwiderstand verringert. Nach dem Abglühen des Kontakts kann der elektrische Widerstand zuverlässig mit dem beschriebenen Ansatz von hoher Temperatur bis zur Raumtemperatur gemessen werden, frei vom Einfluss des Kontaktwiderstands.

Einleitung

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Da die Mikrostruktur der meisten Materialien eine entscheidende Rolle für ihre Leistung und die Stabilität der Materialeigenschaften spielt, ist es wichtig, die Mechanismen zu verstehen, durch die die Mikrostruktur verändert werden kann, und deren Einfluss auf diese Eigenschaften. Die mikrostrukturellen Veränderungen, die durch Erhitzen oder elektrische Vorspannung der Probe ausgelöst werden, können durch ex situ Charakterisierung 1 untersucht werden. Bei diesem Ansatz werden die Eigenschaften des Materials zunächst unter angelegter Wärme und Bias-Verteilung gemessen und anschließend die Mikrostruktur analysiert.

Um die dynamischen mikrostrukturellen Veränderungen bei erhöhten Temperaturen zu erfassen, muss die Beobachtung in situ durchgeführt werden. In-situ-Messungen beziehen sich im Allgemeinen auf die Untersuchung einer Probe, während sie einem kontrollierten Reiz oder einer Umgebung ausgesetzt ist, was bestimmte Stadien der Materialsynthese oder des Betriebs des Geräts darstellt. Dies ermöglicht eine direkte Beobachtung der Mikrostruktur, während die Probe auf Betriebstemperatur erhitzt wird. Dieser Ansatz ermöglicht die Korrelation der mikrostrukturellen Evolution mit dem Einfluss von Temperatur oder Biasing 2,3. Darüber hinaus können die Kinetik von Mikrostrukturänderungen sowie die Stabilität bestimmter Mikrostrukturen4 während des laufenden Erhitzungsprozesses durch In-situ-Experimente erfasst werden.

Zusätzlich zu In-situ-Messungen liefern Operando-Messungen Einblicke darin, wie eine Probe unter tatsächlichenBetriebsbedingungen reagiert und sich weiterentwickelt. Während die Begriffe In-situ- und Operando-Experimente oft synonym verwendet werden, integrieren Operando-Messungen typischerweise mikroskopische Beobachtungen in situ mit Messungen der Bausteinleistung oder Materialeigenschaften, z. B. der elektrischen Leitfähigkeit. Die In-situ- und Operandomikroskopie wurde weit verbreitet zur Untersuchung von Materialien in verschiedenen Energieanwendungen eingesetzt, darunter Thermoelektrik (TE)7,8, Batterien 9,10, Photovoltaik11 und Katalysatoren12,13.

Für die In-situ- und Operando-Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) und Raster-TEM (STEM)-Charakterisierung stehen verschiedene mikroelektromechanische Systemchips (MEMS) zur Verfügung. Mehrere kommerzielle Unternehmen, darunter DENSsolutions14,15, Protochips16,17 und Hummingbird18, bieten MEMS-Chips für verschiedene Aufgaben an, wie das Erhitzenvon 19,20, Kühlenvon 21, elektrische Vorspannungvon 20 und das Aussetzen der Probe gegenüber den Gasen14,22 oder Flüssigkeiten14,22.

Bei der Vorbereitung von (S)TEM-Proben ist es entscheidend, dass für alle produzierten Proben Elektronentransparenz gewährleistet ist. FIB ermöglicht eine standortselektive Extraktion durch das Fräsen einer Lamelle aus dem Schüttmaterial. Die Lamelle wird an ein herkömmliches TEM-Gitter oder MEMS-Chip (für In-situ-Studien) verschweißt, wo sie bis zur Elektronentransparenz weiter verdünnt werden kann. Mehrere FIB-basierte Methoden zur In-situ-MEMS-Chipprobenvorbereitung wurden in derLiteratur 17,23,24,25,26 beschrieben. Viele Methoden verwendeten ein herkömmliches FIB-Verfahren, um einen Querschnitt aus der Bulk Sample zu entfernen und die Lamelle an ein konventionelles TEM-Gitter zu befestigen. Anschließend wurde die Lamelle auf den MEMS-Chip übertragen und flach darauf gelegt25 oder die Lamelle nach der Verdünnung auf den MEMS-Chip, wo sie dann mit Platin (Pt) für eine elektrische Verbindung zum Chip26,27 verbunden wird. Minenkov et al. demonstrierten eine FIB-Übertragung einer mechanisch polierten Planansichtsprobe auf den MEMS-Chip28.

All diese Methoden beinhalten jedoch das Übertragen einer verdünnten Lamelle auf den MEMS-Chip und stehen vor gemeinsamen Herausforderungen. Ein Problem ist, dass die verdünnte Lamelle zerbrechlich sein kann und während des Transfers mechanische Schäden erleiden kann. Außerdem ist die Oberfläche der Lamelle während des Übertragungsprozesses direkt Ionenstrahlschäden ausgesetzt, während weitere Reinigungsschritte möglicherweise nicht mehr möglich sind, wenn die Probe mit dem MEMS-Chip in Kontakt kommt. Eine solche Exposition gegenüber Ga-Ionen-Implantation kann die Mikrostruktur29 verändern und Artefakte bei den Operando-Messungen der Materialeigenschaften verursachen.

Um solche Herausforderungen zu bewältigen, wird von Zintler et al.30 eine FIB-Vorbereitungsmethode vorgestellt, bei der Vorverdünnung auf 300–400 nm Dicke verwendet wird, gefolgt von direkter Verdünnung am Chip. Srot et al.17 und Almeida et al.31 präsentierten eine direkte Übertragung der Querschnitte der Gesamtprobe auf den in situ MEMS-Chip und eine direkte Verdünnung auf dem Chip, ohne die Vorverdünnungsschritte. Diese Methoden verhindern die genannten Probleme, insbesondere die Kontamination der Proben.

Bei TE-Materialien sind die Leistung und Stabilität der Eigenschaften entscheidend. Daher ist es wichtig, die Mechanismen zu verstehen, durch die die Mikrostruktur verändert werden kann, und deren Einfluss auf die Eigenschaften. In dieser Arbeit wurde Zn4Sb3 TE-Material verwendet, um die Machbarkeit dieser Methode zu demonstrieren. TE-Materialien nutzen einen Temperaturgradient zwischen einer heißen und einer kalten Seite, um Wärme direkt in elektrische Energie umzuwandeln,32,33. Die Effizienz dieser Energieumwandlung wird durch die dimensionslose Wertzahl (zT) bestimmt,

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wobei S der Seebeck-Koeffizient ist, die elektrische Leitfähigkeit, T die Temperatur und k die Wärmeleitfähigkeit.

Unter diesen Parametern können die Transporteigenschaften effektiv durch mikrostrukturelle Ingenieurwesen von TE-Materialien abgestimmt werden, darunter Versetzungen4, Stapelfehler34, Korngrenzen 35,36,37,38 und Ausfällungen 39,40. Die Elektronenmikroskopie wird weit verbreitet verwendet, um die Mikrostruktur von TE-Materialien zu charakterisieren. Im Mikrobereich werden häufig Techniken auf Basis der Rasterelektronenmikroskopie (SEM)41,42 verwendet, um die Kornstruktur und große Sekundärphasen in den Materialien43 zu analysieren. Um nanoskalige Phasen aufzulösen und die atomare Struktur von Defekten und Grenzflächen zu untersuchen, ist eine Charakterisierung mit TEM und STEM erforderlich: 39,44,45,46.

TE-Materialien werden typischerweise von Umgebungstemperatur bis zu mehreren hundert Grad Celsius betrieben, und daher werden ihre Transporteigenschaften über den Temperaturbereich bewertet, in dem das Material arbeiten soll. Zusätzlich werden TE-Materialien einer thermischen Zyklierung unterzogen, was zu einer Verschlechterung der Eigenschaften führen kann, einschließlich einer geringeren elektrischen Leitfähigkeitvon 47. Thermische Schocks auf der heißen Seite des Geräts wurden ebenfalls durch Langzeitbetriebsexperimente über wiederholte Wärmezyklen48 als Folge einer Erhöhung der elektrischen Resistivität berichtet.

In dieser Arbeit wird ein optimiertes, FIB-basiertes Probenvorbereitungsprotokoll für in situ (S)TEM in Plan-View-Geometrie auf MEMS-Chips für elektrische Messungen vorgestellt. Durch die Durchführung der gesamten Verdünnung des MEMS-Chips vermeidet diese Methode das Risiko mechanischer Ausfälle oder Artefakte durch Ionenstrahl-induzierte Schäden. Darüber hinaus wird ein Protokoll zur Durchführung elektrischer Messungen unter Erwärmungsbedingungen vorgestellt, um das temperaturabhängige Transportverhalten zu untersuchen. Um den intrinsischen elektrischen Widerstand der Probe in einem Zwei-Sonden-Aufbau zu ermitteln, wurden elektrische Messungen in drei Phasen der FIB-Verdünnung durchgeführt, wobei die Probemaßen (vor allem die Dicke) variiert wurden. Diese Methode bietet einen Rahmen zur Korrelation struktureller, kompositorischer und elektrischer Eigenschaften im Nanomaßstab durch In-situ - und Operando-Messungen .

Protokoll

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1. Extraktion und Transfer der TEM-Probe auf den MEMS-Chip

  1. Im ersten Schritt wird der MEMS-Chip zusammen mit der Massenprobe, aus der die TEM-Probe extrahiert wird, in das FIB geladen. Verwenden Sie beim Umgang mit dem MEMS-Chip eine Pinzette mit abgerundeten, nicht leitenden Spitzen (z. B. Kohle), um das Laden zu verhindern. Zusätzlich könnte eine weitere gerade Pinzette mit Kohlenstoff- (nicht leitfähigen) Spitzen für die folgenden Schritte hilfreich sein (Abbildung 1A, B).

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Abbildung 1: Überblick über Werkzeuge und MEMS-Chips. (A) und (B) Pinzetten mit Kohlenstoff-/nicht-leitenden Spitzen, (C) Standard-SEM-Stub, (D) SEM-Stub mit Cu-Tape und einem MEMS-Chip sowie (E) zusätzlicher Alufolie. Ebenfalls zu sehen sind (F) die Vorderseite des Pretilt-FIB-Halters mit dem SEM-Stub und (G) Elektronenfenster auf dem MEMS-Chip. Die Abmessungen der elektronentransparenten Fenster in (G) betragen 2 μm (1), 6 μm (2) und 10 μm (3). Die TEM-Stichprobengrößen müssen 10 μm (1), 18 μm (2) und 26 μm (3) betragen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

  1. Verwenden Sie einen Standard-SEM-Stub (Abbildung 1C), auf dem der MEMS-Chip platziert wird.
  2. Befestigen Sie doppelseitiges Klebeband mit Cu-Tape auf die flache Oberfläche des SEM-Stummels.
  3. Jetzt nimm den MEMS-Chip mit der Pinzette mit der abgerundeten Spitze aus der Chipbox und setze ihn auf den T-Pin mit dem Cu-Tape darauf. Richten Sie den Chip so aus, dass die Schrift des Firmenlogos oben auf dem T-Pin liegt (Abbildung 1D).
    VORSICHT: Der nächste Schritt sollte vorsichtig gemacht werden.
  4. Schneiden Sie ein kleines Stück Alufolie, das in der Mitte gefaltet werden kann, um besseren Kontakt mit dem MEMS-Chip zu erhalten. Die Größe sollte ausreichen, um den MEMS-Chip und einen Teil des Cu-Tapes abzudecken, da das Al-Foil an beiden Seiten und unter dem Chip befestigt wird (Abbildung 1E).
    1. Positionieren Sie das Al-Folie vorsichtig über dem MEMS-Chip und so nah wie möglich an der aufgehängten SiN-Membran. Decken Sie diese aufgehängte Membran nicht ab (Abbildung 1F), da dies zum Bruch der Chipmembran führen kann. Die TEM-Probe wird über einem der vorgefertigten Löcher in der Membran zwischen den Vorspannungselektroden am Chip befestigt (Abbildung 1G).
  5. Entlüften Sie das FIB-Mikroskop für die Probeneinführung.
  6. Ähnlich wie beim MEMS-Chip wird die Bulk-Probe auf einen anderen SEM-Stub oder einen anderen Probenhalter gelegt. Dann positionieren Sie die Oberflächen der Bulkprobe und des MEMS-Chips horizontal zur Stufe (Planansichtsgeometrie).
  7. Jetzt setze die Bühne wieder ein, schließe die Tür und pumpe die Kammer, um das Vakuum wiederherzustellen.
  8. Starte die FIB-Operation. Hierfür initialisieren Sie die Elektronen- und Ionenquelle.
  9. Überprüfen Sie zunächst den MEMS-Chip mit dem sekundären Elektronenbild (SE), um sicherzustellen, dass der Chip nicht beschädigt wurde. Insbesondere die Kontakte am Chip und an der SiN-Membran, da sie sehr dünn ist (1 μm), sollten überprüft werden.
  10. Danach bewegt man die Stufe, um die Bulk-Probe abzubilden und das Interessengebiet (ROI) zu definieren.
  11. Stellen Sie die Probe auf euzentrische Höhe ein, sodass der ROI sowohl für Elektronen- als auch für Ionenstrahlbilder im Zentrum bleibt.
  12. Neige als Nächstes die Stufe auf 52° (entsprechend 0° relativ zum Winkel des Ionenstrahls).
    HINWEIS: Wenn der Ionenstrahl für die Bildgebung verwendet wird, sollte der Strom je nach Material immer auf einen Wert von weniger als 30 pA eingestellt werden (bei strahlempfindlichen Proben sogar 10 pA oder darunter), um die Oberfläche zu schützen, und es wird eine Spannung von 30 kV verwendet. Für jedes Mal, wenn ein Fräsmuster ausgeführt wird, wird der Ionenstrahl pausiert, und nur Schnappschüsse mit sehr kurzen Zeiten werden verwendet, um die Position oder den Fokus bei diesen höheren Strömen anzupassen, bevor das Muster für das Fräsen oder die Ablagerung beginnt. Wenn die Probenoberfläche vor dem Ionenstrahl geschützt werden muss, kann nun eine dünne Schutzschicht aus C- oder Pt-Ablagerung verwendet werden, die für diese Methode jedoch nicht erforderlich ist. Das Fräsen kann an diesem Punkt durchgeführt werden, was bedeutet, dass die TEM-Probe aus der Massenprobe herausgeschnitten und auf den MEMS-Chip übertragen wird. Die Maße betrugen typischerweise 5 μm x 12 μm (Abbildung 2A). Eine größere Fläche als der ROI sollte berücksichtigt werden, da ein kleiner Teil der Seiten der Probe durch die verwendeten Ströme beim Rohfräsen weggefräst werden kann.

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Abbildung 2: Bulk-Lamellenfräsen. Abmessungen der Plan-View-TEM-Probe im SEM-Bild. (A) Die Muster für das "obere" und "untere" Rohfräsen und (B) die "rechts" und "links" Seitenfräsmuster. (D) Die geneigten Seiten nach (C) dem Rohfräsen werden durch eine weitere Fräsung an allen vier Seiten abgeflacht, und (E) sind danach ebnen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

  1. Zuerst wird der "obere" Teil mit Abmessungen von etwa 13 μm in x-Richtung und 14 μm in y-Richtung mit einer Tiefe (z-Wert) von 10 μm (Abbildung 2A) entfernt. Verwenden Sie ein "Regular Cross Section"-Muster und einen Strom von 5–15 nA.
  2. Anschließend folgt das "Bottom"-Fräsen (Abbildung 2A). Verwenden Sie erneut ein "Regular Cross Section"-Muster und einen Strom zwischen 5–15 nA. Die Maße für diesen Frässchritt betragen 13 μm in x-Richtung und 10 μm in y-Richtung. Die Tiefe beträgt 10 μm. In diesem Schritt des Prozesses sind die Wände der Probe leicht geneigt (Abbildung 2D).
  3. Anschließend fräsen Sie die Seiten, indem Sie die "linke" und "rechte" Seite mit den Maßen 6 μm in x-Richtung und 10 μm in y-Richtung fräsen (Abbildung 2B). Führen Sie einen Strom von 5–15 nA mit dem "Regular Cross Section"-Muster mit einer Tiefe von 10 μm an.
  4. Anschließend führen Sie ein Rohfräsen mit einem reduzierten Strom von 1 nA durch und begradigen aller vier TEM-Probenwände (Abbildung 2E). Dafür verwenden Sie für alle vier Seiten ein "Reinigungsquerschnitt"-Muster (Abbildung 2C). Führen Sie einen Strom von 1 nA mit einem Z-Wert von 10 μm an.
  5. Kippen Sie die Stufe auf 0° oder -5° relativ zum Elektronenstrahl. Ein Winkel von -5° ist bevorzugt, da dies einen besseren Zugang für das Endfräsen und die nachfolgende Extraktion der Probe mit der Nadel bietet, wie in den folgenden Schritten beschrieben.
  6. Jetzt entnehmen Sie die TEM-Probe mit einer scharfen Mikromanipulatornadel. Dafür setzt man den Mikromanipulator ein. Das verwendete FIB-Mikroskop bietet zwei Möglichkeiten zum Einsetzen der Nadel, nämlich "Einsetzen" und "Parkposition". Wähle die zweite Option, da das Aufprall der Nadel in die Probe so verhindert wird, nachdem die euzentrische Höhe angepasst wurde.
  7. Senken Sie die Nadel vorsichtig auf die TEM-Probe.
  8. Bewege die Nadel in die linke obere Ecke/Kante der TEM-Probe.
  9. Erhitze das Gaseinspritzsystem (GIS). Setzen Sie das Pt-Ablagerungsgasinjektionssystem (GIS) ein; Das Bild kann sich während dieses Eingriffs leicht verschieben, und Sie müssen die Position möglicherweise anpassen.
  10. Wählen Sie ein "Rechteck"-Muster, um einen Teil der Nadel und die Ecke der TEM-Probe zu bedecken (Abbildung 3A). Das Muster muss auf "Ablagerung" statt auf "Si-Mahlen" geändert werden. Verwenden Sie einen Strom von 30–50 pA mit einer z-Höhe für das Abscheidmuster von 1 μm.

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Abbildung 3: Probenextraktion. Das Muster für die Pt-Abscheidung (A) nach der Einfügung von Pt GIS und (B) das Fräsmuster, um die Probe vom Bulk zu befreien. (C) Der Probenschatten ist sichtbar, wenn er in der Nähe der MEMS-Chipoberfläche ist. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

  1. Ein "Rechteck"-Fräsmuster und ein Strom von 3 nA werden zum Schneiden verwendet (Abbildung 3B). Wählen Sie eine x-Dimension, die etwas größer ist als die Länge der TEM-Probe. Wählen Sie einen Z-Wert von 5–10 μm, abhängig von der Breite Ihrer Probe. Beginnen Sie mit der Aussage von Pt.
  2. Danach ziehe den PT-GIS zurück.
  3. Nachdem die TEM-Probe befreit wurde, entnehmen Sie die Probe mit dem Mikromanipulator und bewegen sie nur nach oben (z-Richtung) weg von der Bulkprobe. Dann zieht man die Nadel zurück, wenn die entnommene Probe weit vom Inneren entfernt ist.
  4. Verschiebe die Bühne zum MEMS-Chip. Wählen Sie das Fenster für die TEM-Probe und stellen Sie erneut die euzentrische Höhe ein. Dies geschieht bei 0° Neigung (Abbildung 4A).
    HINWEIS: Falls dies zu diesem Zeitpunkt erforderlich ist, könnte das Fenster nun erweitert werden, um ein größeres Beobachtungsfenster im TEM zu schaffen. Verwenden Sie für diesen optionalen Schritt einen Strom von 1 nA.

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Abbildung 4: Bühnenkippen. Schaltpläne der Stufenwinkel (A) für den Kontakt zwischen dem MEMS-Chip und der TEM-Probe mit einem Stufenwinkel von 0° und (B) dem Winkel von 17–20° für den Verdünnungsteil mit dem 52°-Vorkipphalter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

  1. Fügen Sie den Mikromanipulator mit "Parkposition" ein.
  2. Senken Sie den Mikromanipulator mit der TEM-Probe vorsichtig auf die Oberfläche des MEMS-Chips. Zentriert die TEM-Probe über dem Fenster (schwarzer Bereich).
    VORSICHT: Senken Sie vorsichtig die TEM-Probe auf den Chip. Ein Schatten der Probe ist kurz vor dem Aufsetzen über dem MEMS-Chip zu sehen (Abbildung 3C). Hören Sie auf, bevor Sie den Chip mit der Probe berühren.
  3. Fügen Sie das PT-GIS-System erneut ein.
  4. Senken Sie die Probe weiter ab, bis sie den Chip berührt. In der Regel kann eine leichte Veränderung des Kontrasts im Bild beobachtet werden, wenn Kontakt hergestellt wurde.
  5. Beginnen Sie mit einem Muster für die Punktabscheidung und schweißen Sie die TEM-Probe, indem Sie zwei ähnlich große Muster anfertigen (Abbildung 5A). Dafür wird ein "Rechteck"-Muster mit einem Strom von 30–50 pA verwendet. Führen Sie das erste Kleben mit einem Muster von 4 μm in x, 1 μm in y und 1 μm in z durch.
    HINWEIS: Notieren Sie im ersten Schritt den Drehwinkel und machen Sie dann bei jedem Schritt +90° für das Schweißen.
  6. Danach schneiden Sie die Nadel mit einem Strom von 0,3 nA aus der TEM-Probe und ziehen sie zurück. Vermeiden Sie es, die Vorspannungselektroden durchzuschneiden.
  7. Drehen Sie nun die Probe um 90°. Mache ein weiteres Muster mit den Maßen 2,5 μm in x, 1,5 μm in y und 1 μm in z (Abbildung 5B). Verwenden Sie einen Strom von 30–50 pA mit einem "Rechteck"-Muster.
  8. Führen Sie nun das dritte Verkleben mit einem Drehwinkel von 180° (+90°) relativ zum angegebenen 0° durch. Wähle die gleichen Maße wie in Schritt 1 für das Kleben. Der Strom ist erneut auf 30–50 pA eingestellt und verwendet ein "Rechteck"-Muster (Abbildung 5C).
  9. Drehen Sie erneut auf die vierte Seite mit einem Drehwinkel von 270° (ebenfalls +90°). Verwenden Sie die gleichen Maße wie in Schritt 1.33 mit einem Strom von 30–50 pA und einem "Rechteck"-Muster (Abbildung 5D).

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Abbildung 5: Schweißen der Probe an den MEMS-Chip. Schweißen der TEM-Probe an den MEMS-Chip (A) von der Vorderseite, (B) um 90° gedreht, (C) weitere 90° Drehung auf insgesamt 180° und (D) Endrotation auf insgesamt 270°. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

  1. Entnehmen Sie das Pt GIS, nachdem das Kleben abgeschlossen ist, und lassen Sie die Vakuumkammer entlüften.
  2. Nehmen Sie nun die Probe aus dem FIB und legen Sie den SEM-Stub mit dem MEMS-Chip oben auf einen Kipphalter mit einem Winkel von 52° (Abbildung 1F). Der Vorkipphalter ist für die folgenden Ausdünnungsschritte notwendig.
    HINWEIS: Dieser Schritt wird aufgrund räumlicher Einschränkungen durchgeführt, indem die Stufe geneigt und bewegt wird, wenn sowohl der geneigte Halter als auch die Bulkprobe direkt eingesetzt werden, um sowohl die Polstücke der Elektronen- als auch der Ionensäule vor einem Berührungsalarm durch den Chip, den geneigten Halter oder die Massenprobe zu schützen. Dies erleichtert die Bedienung im Inneren des Geräts. Hier ist eine Pause möglich, da die nächsten Schritte später oder in einer anderen FIB-Sitzung durchgeführt werden können.

2. Verdünnung der TEM-Probe auf dem MEMS-Chip

HINWEIS: Für die Verdünnung wurden die verwendeten Ströme entsprechend den mechanischen Eigenschaften des Zn4Sb3-Materials ausgewählt. Die Ströme sollten im Allgemeinen entsprechend der Härte des zu bearbeitenden Materials gewählt werden (hartes Material = höhere Ströme, weichere Materialien = niedrigere Ströme).

  1. Fügen Sie den SEM-Stub zusammen mit dem MEMS-Chip auf den Pretilt-FIB-Stub ein, der einen 52°-Winkel hat. Schließe die FIB-Tür und pumpe die Kammer.
  2. Das Ausdünnen ist jetzt als letzter Teil abgeschlossen. Dazu kippen Sie die Stufe auf 17–20° (Abbildung 4B). Der vertikale Winkel zwischen der Verdünnungsrichtung und dem Ionenstrahl liegt bei 14°, aber eine Überneigung ermöglicht eine Verdünnung sowohl an der Unter- als auch an der Oberseite der TEM-Probe. Außerdem verhindert die Überneigung das Aufladen während des Ausdünnens.
    HINWEIS: Ab jetzt wird die Probe im Seitenbild (Abbildung 6) im FIB-Bild beobachtet.
  3. Nun wird ein großer Teil der TEM-Probe über dem elektronentransparenten Fenster (Abbildung 6A) mit einer Spannung von 30 kV und einem Strom von 0,05–1 nA gefräst, bis eine Dicke von etwa 2 μm erreicht ist (Abbildung 6B). Wählen Sie für diesen Schnitt einen z-Wert, der etwas höher als die TEM-Samplebreite ist, um sicherzustellen, dass die Probe durchschnitten wird (Abbildung 6B).
  4. Führen Sie nun iterative Ausdünnungsschritte mit einem "Reinigungsquerschnitt"-Muster durch. Zuerst verwenden Sie in diesem ersten Schritt einen Strom von 0,1 pA und kippen Sie die Stufe um ± 1,5°, um beide Seiten zu verdünnen ("-" berücksichtigt die Verdünnung des "unteren" Teils im Bild und "+" des "oberen" Teils) in Bezug auf die Richtung des Ionenstrahls (Abbildung 6C). Verwenden Sie einen Z-Wert von 2 μm. Mach das jedes Mal etwa 20–30 Sekunden von jeder Seite aus.
    HINWEIS: Messen Sie die Dicke nach ein paar dieser Iterationen.
  5. Bei einer Dicke von weniger als 1 μm wird der Strom auf 30–50 pA reduziert. Danach variieren Sie den Neigungswinkel um ± 1° relativ zum Ionenstrahl. Verwenden Sie erneut das "Reinigungs-Querschnitt"-Muster mit einem Z-Wert von 2 μm (Abbildung 6D).
  6. Bei einer Dicke von etwa 500 nm wird der Strom auf 10–30 pA reduziert. Verwenden Sie erneut ein Muster mit "Reinigungsquerschnitt" und Neigung um ± 1° (Abbildung 6E). Verwenden Sie ein z von 2 μm und bearbeiten Sie iterativ auf jeder Seite, bis eine Dicke von etwa 200 nm erreicht ist.
  7. Für weitere Verdünnung unter 500 nm senken Sie die Spannung auf 5 kV und stellen Sie den Strom auf 48 pA ein. Verwenden Sie für diesen Schritt auch das Muster "Reinigung des Querschnitts". Jetzt kippe um ± 2° und senke das z auf 0,1 μm. Machen Sie dies erneut iterativ, bis die gewünschte Dicke erreicht ist.
    1. Misse die Dicke im SE-Bild alle paar Iterationen erneut, da dies genauer ist als im Ionenstrahlbild.
  8. Als letzten Schritt reinigen Sie, wenn die gewünschte Dicke erreicht ist, die Oberfläche der Lamelle mit einer auf 2 kV eingestellten Spannung und einem Strom von 27 pA. Verwenden Sie erneut ein "Reinigungsquerschnitt"-Muster und eine Neigung von ± 5° bei einem niedrigen Z-Intervall von 0,03 μm. Reinigen Sie die Reinigung von beiden Seiten für ein paar Sekunden.
  9. Messen Sie die endgültige Abmessung der Dicke, Länge und Breite des verdünnten Bereichs (Lamelle). Die Dicke und Länge werden aus der Seitenansicht gemessen (Abbildung 6F) und die Breite aus der Vogelperspektive.
    HINWEIS: Die Maße können in verschiedenen Frässchritten geändert werden. Verschiedene Dimensionsschritte werden dann verwendet, um den elektrischen Widerstand des Materials zu bewerten, wie im Abschnitt Repräsentative Ergebnisse gezeigt.

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Abbildung 6: Lamellenausdünnung. Ansicht des FIB-Bildes auf der TEM-Probe für (A) das "grobe" Ausdünnen und (B) das übrig gebliebene Teil nach dem Rohfräsen mit einer Dicke von etwa 2 μm. Verdünnungsstufen bis zu einer Dicke von (C) 1 μm, (D) 500 nm, (E) unter 500 nm bis 200 nm und (F) der endgültigen Dicke, die gemessen wird. Die Pfeile zeigen das Neigen und Ausdünnen von jeder Seite in iterativen Schritten an. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

3. In-situ-Erwärmungs - und Vorspannungsexperimente im (S)TEM

  1. Setzen Sie den MEMS-Chip in den Probenhalter.
  2. Danach stecken Sie den Halter in das (S)TEM-Gerät ein und verbinden Sie es mit dem In-situ-Setup .
  3. Das Setup beinhaltet eine Heizregelung für die Temperatur und einen Strommesser zur Steuerung der elektrischen Vorspannung. Die Interconnect-Einheit kombiniert beide Geräte, um den MEMS-Chip zu steuern. Verbinden Sie die Heizeinheit und den Strommessgerät mit USB-C-Kabeln an einen Laptop. Verbinden Sie das In-situ-Setup wie in Abbildung 7 dargestellt.
  4. Das Quellmessgerät hat einen Ausgang von Force-LO (F-LO) und Force-HI (F-HI). Verbinden Sie diese mit den Eingangs 1 bzw. 6 der Verbindungseinheit (schwarze Kabel in Abbildung 7).
  5. Als Nächstes verbinden Sie die Heizungssteuerung mit der Verbindungseinheit (rotes Kabel in Abbildung 7).
  6. Erde die Verbindungseinheit, die Heizungssteuerung und das Quellmessgerät (gelbe Kabel, Abbildung 7).
  7. Starte die Quell-Anzeige.
    HINWEIS: Stellen Sie sicher, dass beim Ein- oder Ausschalten des Quellgeräts das Kabel vom Verbindungsgerät zum Probehalter getrennt wird, um eine Entladung zu verhindern.
  8. Nach Abschluss der Einrichtung verbinde du das Kabel, das von der Verbindungseinheit ausgeht, mit dem Halter im (S)TEM (blaues Kabel in Abbildung 7). Am besten beobachtet man die Probe bereits beim Anschließen des Kabels, um zu prüfen, ob eine Entladung stattfindet, die die Probe zerstören könnte. Um dies zu verhindern, schalten Sie das Quellenmessgerät immer ein, bevor Sie das Kabel von der Verbindungseinheit zum Sample-Halter verbinden.
    HINWEIS: Der Halter selbst ist vom Erdungsnetz getrennt, sonst würde dadurch ein Pole-Touch-Fehler ausgelöst werden.
  9. Starte den Computer. Verwende die instrumentespezifische Steuerungssoftware auf dem Laptop. Starte die Software und wähle die Eingangsbedingungen aus (z. B. Temperatur, Spannung, Strom).
  10. Jetzt kalibrieren Sie die Temperatur. Die Temperatur des Widerstands (tcr) ist auf der Verpackung der Verpackung mit den MEMS-Chips aufgedruckt. Fügen Sie diesen Wert in die Software ein. Kalibriere die Temperatur nach dem Einfügen der Zahl.
  11. Starten Sie das Experiment, und es werden zwei Diagramme von Temperatur und Strom/Spannung über die Messzeit gezeigt.
  12. Stell die Temperatur ein. Für jeden Temperaturstufen wird die Spannung automatisch innerhalb des gewählten Bereichs gefegt, wenn die Rampenvorspannung in der Software gewählt wird. Alternativ wählen Sie eine konstante Vorspannung.
  13. Damit ein Experiment beginnen kann, stellen Sie den Bereich für das Spannungsabweichen ein (z. B. 1 mV) oder wählen Sie eine konstante Spannung.
  14. Nach der Messung stoppen Sie das Experiment und speichern Sie die Daten.

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Abbildung 7: Vorspannung und Heizaufbau. Schaltplan des Aufbaus für In-situ-Vorspannungs - und Heizexperimente, einschließlich des Quellmessers, der Heizsteuerung und einer Verbindungseinheit, um die Heiz- und Vorspannungseingänge mit einem Ausgang ("Out") zum Probenhalter zu kombinieren. Die gelbe Farbe kennzeichnet die Erdungsverbindung der Geräte, die rote Farbe die Verbindung der Heizungs- und Verbindungseinheit, die blaue die Verbindung zum Probehalter und die schwarzen Verbindungen für die elektrischen Messungen. Der 4H/2B-Anschluss bezieht sich auf das In-situ-Chip-Setup mit 4 Heiz- und 2 Vorspannungskontakten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Ergebnisse

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

Nach dem Protokoll werden Proben aus polykristallinem thermoelektrischem Zn4Sb3 für die operando (S)TEM-Experimente hergestellt. Der Gesamtwiderstand (R) wird mit einem Quellmessgerät gemessen, wie oben beschrieben.

Wie in Abbildung 8 dargestellt, wird die Spannung (V) zwischen ±1 mV (Abbildung 8A) gezogen, und der resultierende Strom (I) wird in Abbildung 8B aufgezeichnet. Der Strom hat eine lineare Beziehung zur angelegten Spannung, was das ohmsche Verhalten zeigt (Abbildung 8C). Der elektrische Widerstand R kann somit aus der Steigung der I-V-Kurve mit dem Ohmschen Gesetz berechnet werden:

figure-results-1 (2)

Die Steigung der I-V-Kurve wird als R = 257 Ω bestimmt (Abbildung 8).

figure-results-2
Abbildung 8: I-V-Kurve. (A) Das Sweeping der Spannung, (B) der resultierende Strom und (C) die I-V-Kurve bei Raumtemperatur, wobei der Widerstand als Steigung der I-V-Kurve gemessen wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Um den elektrischen Widerstand als Funktion der Temperatur zu messen, wurde MEMS-basierte Erwärmung auf den Chip angewendet. Die Probe wurde in Stufen von Raumtemperatur (21 °C) auf 50 °C, 100 °C, 150 °C und 200 °C erhitzt (für die zweite Steigerung ebenfalls auf 250 °C und 300 °C) und in denselben Temperaturschritten wieder abgekühlt (Abbildung 9A).

figure-results-3
Abbildung 9: In-situ-Heizung und -kühlung in TEM. (A) Die während der Heiz- und Kühlzyklen von bis zu 200 °C und 300 °C angewandte Temperatur, die über die Experimentzeit aufgetragen wird, und (B) der entsprechende Gesamtwiderstand (R), gemessen bei jedem Temperaturschritt, wobei R während der Erhitzung durch offene Symbole und die Kühlung durch geschlossene Symbole dargestellt wird. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Wie in Abbildung 9B dargestellt, sind die R-Werte , die im ersten Heizzyklus von 21 °C bis 200 °C gemessen wurden, höher als die R-Werte, die in den Kühlschritten von 200 °C bis 21 °C gemessen wurden. Anschließend wurde die Probe ein zweites Mal von 21 °C auf 300 °C erhitzt (Abbildung 9A). Für diesen zweiten Heizzyklus ändert sich R beim Auf- oder Abkühlen im Vergleich zur ersten Kühlkurve (Abbildung 9B) nicht, sodass die Widerstandsmessung reproduzierbar ist.

Um den intrinsischen elektrischen Widerstand der Probe zu bewerten, wird für das Setup eine Widerstandsschaltung gezeichnet, die die verschiedenen Beiträge zum gemessenen Widerstand R einschließt (Abbildung 10).

figure-results-4
Abbildung 10: Widerstandsschaltung der Probe und der Kontakte. (A) Die Schaltpläne des Aufbaus, einschließlich aller Beiträge zum Gesamtwiderstand (R) mit der Widerstandsschaltung und (B) den Abmessungen der Lamelle in Länge (L0), Breite (w0) und Dicke (t0) zusammen mit den beiden Säulen (P1 und P2). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Wenn ein Strom durch die Probe angelegt wird, entsteht aufgrund der Elektroden auf dem MEMS-Chip (RLC und RRC) ein Widerstand des Pt-C-Abscheidungsmaterials, das zum Schweißen der Probe auf den Chip verwendet wurde (RC1 und RC2). Die Probe besteht aus drei Formen: der Lamelle (R0) und den zwei Säulen (R1 und R2). Der Gesamtwiderstand kann dann wie folgt ausgedrückt werden:

figure-results-5(3)

mit den Maßen Länge (L0), Breite (w0) und Dicke (t0), die in der FIB gemessen wurden, der intrinsischen elektrischen Resistivität (ρ) sowie dem kombinierten Widerstand Rc = RLC + RRC +RC1 + RC2 + R1 + R2.

Ist Rc bekannt, kann der elektrische Widerstand (ρ) aus den Operando-Messungen von R durch Umstellung der Gleichung 3 berechnet werden:

figure-results-6 (4)

Da Rc nicht vernachlässigbar und meist nicht bekannt ist, ist eine andere Methode erforderlich, um die ρ-Werte für jede Temperatur herzuleiten.

Nach Gleichung 4 ändert sich der Gesamtwiderstand R mit den Probenabmessungen (L, w, t). Wie in Abbildung 10B dargestellt, hatte die Probe während drei verschiedenen Phasen der Lamellenverdünnung im FIB (Schritt 2.9) unterschiedliche Abmessungen, die sich hauptsächlich in ihrer Dicke unterschieden, wie in Tabelle 1 gezeigt.

Abmessungen für 1,8 μm Dicke:Abmessungen für 0,5 μm Dicke:Abmessungen für eine Dicke von 0,2 μm:
W1L1T1W1L1T1W1L1T1
4.255.703.81[μm]4.26.203.81[μm]4.26.353.81[μm]
w0L0t0w0L0t0w0L0t0
3.654.271.77[μm]2.704.350.48[μm]1.704.350.22[μm]
W2L2T2W2L2T2W2L2T2
4.105.753.33[μm]4.206.103.33[μm]4.206.253.33[μm]

Tabelle 1: Beispielmaße. Abmessungen der drei Probengeometrien, die während der verschiedenen Phasen der Lamellenverdünnung gemessen wurden.

Da die R-Messungen an den drei verschiedenen Dimensionen wiederholt wurden, wurden die reproduzierbaren R-Werte aus den Abkühlschritten von 200 °C bis 21 °C genommen und als Funktion der Abmessungen figure-results-7 gemäß

figure-results-8 (5)

wobei R(T), ρ(T) und nur die unterschiedlichen Temperaturen darstellen, bei denen die Probe während der stufenweisen Erhitzung und Abkühlung für jede Dicke gemessen wurde. Das Diagramm ist linear gemäß Gleichung 5, wobei die Steigung von R ρ(T) entspricht, während der Schnittpunkt an der vertikalen Achse der (Abbildung 11) ist.

figure-results-9
Abbildung 11: Lineare Anpassung des Widerstands zu Probenmaßen. Beispieldiagramm für das gemessene R bei 200 °C in drei Frässchritten mit unterschiedlichen Lamellendimensionen (Tabelle 1). Die Steigung der angepassten Kurve entspricht ρ. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Während der Kühlschritte werden für jede Temperatur dieselbe Grafik und lineare Anpassung durchgeführt, wobei das gemessene R reproduzierbar ist. Die Steigungen und Schnittpunkte der angepassten Datenpunkte geben ρ bzw. den kombinierten Widerstand Rc (Gleichung 3) zurück. Wie in Abbildung 12 dargestellt, können sowohl ρ als auch Rc als Funktion der Temperatur bestimmt werden.

figure-results-10
Abbildung 12: Beispiel für elektrische Widerstandsfähigkeit. Darstellungen des elektrischen Widerstands ρ und des kombinierten Widerstands Rc, wie in Gleichung 4 definiert. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Mit steigender Temperatur steigt ρ auch von 8,8 μΩ∙m bei 21 °C auf 9,9 μΩ∙m bei 200 °C. Dies ist für einen entarteten Halbleiter zu erwarten und passt zu den Messungen auf Zn4Sb349. Es wird beobachtet, dass Rc von etwa 150 Ω bei 21 °C auf 178 Ω bei 200 °C ansteigt, was auch für Metalle und entartete Halbleiter zu erwarten ist.

Während der elektrischen Messungen wurde die Mikrostruktur der Probe nach dem letzten Verdünnungsschritt (0,2 μm Dicke) mit einem im STEM-Modus betriebenen TEM-Gerät beobachtet (Abbildung 13A). Die Mikrostruktur war während des Temperaturbereichs (21 °C bis 300 °C) der Widerstandsmessungen stabil. Die durchschnittliche Korngröße der Zn4Sb 3-Probe bleibt nach den Heiz- und Abkühlzyklen bis zu 300 °C bei 300 nm (Abbildung 9A).

figure-results-11
Abbildung 13: Mikrostruktur und Zusammensetzung. (A) Ringförmige Hellfeld-STEM-Mikrographen der Zn4Sb3-Probe vor und nach den Heiz-Kühlzyklen bis zu 300 °C, (B) integriertes EDS-Spektrum der Lamelle und (C) Elementkarten, die die homogene Verteilung von Zn und Sb zeigen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Wie in Abbildung 13B dargestellt, zeigt das gesamtenergiedispersive Röntgenspektroskopiespektrum (EDS) deutliche Spitzen von Zn und Sb. Die Elementarabbildungen in Abbildung 13C zeigen eine homogene Verteilung von Zn und Sb. Die Elementarquantifizierung ergibt 56,6 bei % Zn und 43,4 bei % Sb, was der nominalen Zusammensetzung von Zn4Sb3 entspricht (57,1 bei % Zn, 42,9 bei % Sb). Mit diesem Operando-Verfahren ist es möglich, die mikrostrukturelle Entwicklung der Probe unter Erhitzung und elektrischer Vorspannung zu verfolgen, was mit den Messungen der Materialeigenschaften ρ korreliert.

Diskussion

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

Verringerung des Kontaktwiderstands während der Erhitzung
Die Steigungen der Heiz- und Kühlkurven zeigen eine Variation in den Messungen von R. Die Messungen von R für die unterschiedlichen Abmessungen (hauptsächlich Dicke) der Abkühlkurve zeigten, dass alle Punkte gemäß Gleichung 5 eng auf einer Geraden zusammenpassten (Abbildung 14A). Im Gegensatz dazu zeigte die Erwärmungskurve große Variationen zwischen den verschiedenen R-Werten bei derselben Temperatur und damit der Steigung (Abbildung 14B). Diese unterschiedlichen Steigungen (angezeigt durch die blauen und roten Linien in Abbildung 14B) würden zu unterschiedlichen Werten für ρ sowie Rc führen und zu inkonsistenten Messungen führen.

figure-discussion-1
Abbildung 14: Unsicherheit im elektrischen Widerstand. Das R wurde für die drei verschiedenen Abmessungen der Probe dargestellt, wobei R von (A) der Abkühlung (200 °C bis 21 °C) bei 21 °C und (B) der Erwärmung (21 °C bis 200 °C) gezeigt wurde, und maß R bei 21 °C, wobei die blauen und roten Linien die Abweichungen anzeigten. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Wie in Abbildung 14B dargestellt, beträgt die Unsicherheit für die lineare Passung der Erwärmungskurve 7,4 % für Rc und 17,3 % für ρ. Für die Abkühlkurve (Abbildung 14A) beträgt die Unsicherheit für Rc jedoch nur 1,2 % und 2,8 % für ρ. Daher sollten für zuverlässige Messungen von ρ und Rc nur R-Werte aus der Kühlkurve verwendet werden.

Der Unterschied zwischen den R-Messungen zwischen den Heiz- und Kühlkurven lässt sich auf folgenden Grund zurückführen. In einer früheren Studie zu Pt-C-Kontakten für In-situ-Erwärmung und -Biasing zeigten Zhong et al.50 , dass der Gesamtwiderstand durch Glühen über 100 °C gesenkt werden kann, bedingt durch die Verringerung des Widerstands des Pt-C-Verbundes. Wie schematisch in Abbildung 15 dargestellt, wurden die Pt-C-Kontakte als Pt-Nanopartikel in einer amorphen C-Matrix abgelagert. Während des Annealings wechselte der Kontakt zu Pt-Netzwerken mit höherer Konnektivität zwischen Pt-Nanopartikeln und dadurch reduziertem Widerstand. Aus den durchgeführten Experimenten reichte eine Erhitzung auf 200 °C aus, um reproduzierbare R-Werte zu erreichen. Bei einer Erhitzung auf bis zu 300 °C wurde kein weiterer Widerstandsabfall beobachtet.

figure-discussion-2
Abbildung 15: Möglicher Mechanismus zur Verringerung des Kontaktwiderstands. Schaltpläne von (A) den Platin-(Pt)-Nanopartikeln, die (B) partielle leitfähige Wege bildeten, die von Kohlenstoff (C) umgeben sind. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Stromleck bei elektrischen Messungen
Wie in Abbildung 16 gezeigt, können sich zwischen den Elektroden aufgrund der Pt-Abscheidungsschritte (Schritt 1.31–1.36) während der FIB-Vorbereitung Leckpfade zwischen den Elektroden bilden. In Abbildung 16A zeigen die grünen Farbtöne die ungefähren Bereiche an, in denen Rückstände aus Pt-C-Schweißen beobachtet werden können (Schritte 1.31–1.36).

Um solche Leckwege durch Rückstände aus der Pt-C-Abscheidung zu berücksichtigen, muss ein LeckwiderstandR-Leck parallel zum Probe- (R1, R0 und R2) und Schweißwiderstand (RC1 und RC2) eingeführt werden (Abbildung 16B). Der Widerstandskreis für einen solchen parallelen Leckpfad ist in Abbildung 16C dargestellt.

figure-discussion-3
Abbildung 16: Widerstandsschaltung des Leckpfads. (A) Das in FIB während der Vorbereitung aufgenommene Sekundärelektronenbild zeigt die Abscheidung von Pt-C nach dem ersten Schweißschritt (1.31), (B) die Schaltpläne des Leckstroms und Stroms durch die Probe sowie (C) die Widerstandsschaltung für diese Anordnung. Die transparente grüne Farbe in (A) und (B) zeigt die Restschicht Pt-C aus dem Schweißen an (Schritte 1.31–1.36). Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzusehen.

Zur Bewertung desR-Lecks wurde eine Lamelle vollständig abgeschnitten, um den elektrischen Weg durch die Probe zu blockieren, sodass nur der Leckpfad übrig blieb (Abbildung 16B). In diesem Fall wurde das R-Leck mit 4 kΩ bestimmt. Beachten Sie, dass dieser Wert je nach Pt-C-Schweißverfahren variiert und nur als Größenordnungsschätzung dient. In diesem Fall sind die gemessenen R-Werte (200–300 Ω, Abbildung 9) deutlich kleiner als dasR-Leck, sodass der Effekt des Leckpfads gering bleibt. Für Materialien mit höherer Resistivität können die resultierenden R-Werte jedoch 1 kΩ überschreiten, was zu einem signifikanten Effekt des Leckpfads oder sogar zu einem dominanten Effekt des Leckpfads bei gemessenen R-Werten über 10 kΩ führt. Um Proben mit höherem Widerstand zuverlässig zu messen, sind zusätzliche Schritte erforderlich, um dasR-Leck zu maximieren. Wie in Schritt 1.26 des Protokolls erwähnt, kann das Vakuumfenster auf dem Chip durch FIB-Fräsen erweitert werden. Dies sollte mit einem Schnitt von 20–30 μm oberhalb und unterhalb des Fensters erfolgen, über dem die Probe positioniert ist, da der Rückstand hauptsächlich innerhalb eines Radius von 10 μm beobachtet wurde. Dieses vergrößerte Fenster blockiert effektiv den Leckpfad durch den Pt-C-Rückstand zwischen den beiden Elektroden, was zu einemR-Leck > 100 MΩ führt. Durch Verlängerung des Vakuumfensters können Materialien mit deutlich höherem elektrischen Widerstand zuverlässig gemessen werden.

Bemerkenswert ist auch, dass Rückstände aus der Pt-C-Ablagerung auf der Oberfläche der Probensäulen vorhanden sind, wie in Abbildung 6A dargestellt. Der Effekt solcher Leckpfade zeigt sich nur im kombinierten WiderstandRc-Term in Gleichung 3, da die Lamelle verdünnt wurde, um frei von Pt-C-Abscheidung zu sein.

Zusammenfassend wird ein Protokoll für die Probenvorbereitung auf In-situ-Biasing und Erhitzen von MEMS-Chips mittels FIB gezeigt. Die Methode verwendet eine einstufige Übertragung einer Planansichtsprobe auf den MEMS-Chip, gefolgt von direkter Verdünnung des Chips. Dies ermöglicht eine einfache Herstellung von TEM-Proben und minimiert mechanische oder Ionenstrahlschäden. Der elektrische Widerstand kann als Funktion der Temperatur bestimmt werden. Dies ermöglicht operando mikrostrukturelle Charakterisierungen mit direktem Zusammenhang mit den elektrischen Eigenschaften der Probe. Trotz der Verwendung von elektrischen Messungen mit 2-Punkt-Sonden können Beiträge aus dem intrinsischen Probenwiderstand und den Kontaktwiderständen durch Widerstandsmessungen nach verschiedenen FIB-Fräsphasen mit unterschiedlichen Probemaßen getrennt werden. Mit diesem Ansatz können die intrinsischen elektrischen Eigenschaften von TEs und vielen Materialien in elektrischen und energiebezogenen Anwendungen während operendomikroskopischer Charakterisierungen bewertet werden.

Offenlegungen

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

Die Autoren haben nichts offenzulegen.

Danksagungen

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

Wir danken Dr. Vesna Srot für konstruktives Feedback zum Manuskript. D.A.M. erkennt die Förderung der International Max Planck Research School for Sustainable Metallurgy (IMPRS SusMet) an. C.J. würdigt das Global Joint Research Program, das von der Pukyong National University (202506170001) finanziert wird. C.S. und S.Z. erkennen die Deutsche Forschungsstiftung (DFG) für die Förderung des Collaborative Research Center SFB 1394 "Strukturelle und chemische atomare Komplexität – Von Defektphasendiagrammen bis zu Materialeigenschaften" (Projekt ID 409476157, Projektgruppe B01) an.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien
NameUnternehmenKatalognummerKommentare
Gas Injection System (FIB)Thermo Fisher Scientific1346158Katalognummer für die direkte Bestellung bei Thermo Fisher Scientific 
HeizungssteuereinheitDENSsolutions180200304mit Kabeln
VerbindungseinheitDENSsolutions160800114mit Kabeln
BlitzsystemhalterDENSsolutions-
MEMS-ChipsDENSsolutions4 Heiz- und 2 Vorspannungskontakte, auch möglich für 4 Vorspannungs- und 2 Heizkontakte
Software: ImpulseDENSsolutionsVersion 1.2.0.0Software auf Laptop, bereitgestellt von DENSsolutions

Referenzen

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