Röntgenstrahl-Induzierte Strommessungen für die multimodale Röntgenmikroskopie von Solarzellen

Röntgenstrahlen induzieren einen Strom in vielen elektronischen Geräten. Sehr ähnlich wie sichtbare Photonen in Photovoltaik-Solarzellen. Das Signal wird als Röntgenstrahl-induzierter Strom bezeichnet.

Mit anderen Worten, die Prüfgeräte werden als Röntgendetektoren betrieben und XBIC liefert die lokale Geräteleistung. XBIC kombiniert die hohe spezielle Auflösung des elektronenstrahlinduzierten Stroms mit einer hohen Eindringtiefe des Laserstrahlinduzierten Stroms. Diese Kombination liefert die lokale Leistung auch in unterschiedlichen Strukturen wie in gekapselten Solarzellen mit hoher Auflösung.

Anhand des XBIC-Signals können wir die räumlich aufgelöste Ladungserfassungseffizienz bestimmen, die für die elektrische Leistung von Halbleitergeräten entscheidend ist. So können grundsätzlich XBIC-Messungen auf allen Systemen durchgeführt werden, die elektrische Reaktionen auf seinem Raum zeigen, wie Solarzellen, Röntgendetektoren, an Nanodrähten von Halbleitern. XBIC-Messungen sind eigentlich überraschend einfach, wenn Man dem Signalweg vom Gerät zu den Verstärkern und der Datenerfassung folgt.

Beginnen Sie mit dem Entwerfen eines Probenhalters, um maximale Freiheit für die Platzierung verschiedener Detektoren in unmittelbarer Nähe zu bieten. Stellen Sie den Probenhalter auf eine kinematische Basis, um eine einfache Neupositionierung von Proben mit Mikrometerposition zu ermöglichen. Verwenden Sie eine Leiterplatte, die so konzipiert ist, dass sie als Halterung für das elektronische Gerät für XBIC-Messungen verwendet werden kann.

Als nächstes kleben Sie das elektronische Gerät, das getestet werden soll, auf die Leiterplatte. Achten Sie darauf, Kurzschlüsse zu vermeiden, indem Sie Polyimidband verwenden. Fixieren Sie die Kontaktdrähte auch mit Klebeband.

Schließen Sie den vorgelagerten Kontakt, der dem einfallenden Röntgenstrahl gegenübersteht, mit dem Schild des Koaxialkabels an. Verbinden Sie dann den nachgeschalteten Kontakt mit dem Kern des Koaxialkabels. Als nächstes montieren Sie die Leiterplatte in den Probenhalter.

Dann montieren Sie den Probenhalter auf der Probenstufe. Schließen Sie das Sample über den BNC-Anschluss an der Probenhalterung an. Positionieren Sie die Verdrahtung so, dass kein Montageteil oder keine Verdrahtung den einfallenden Röntgenstrahl oder einen Detektor blockiert.

Stellen Sie sicher, dass die Probenverdrahtung dehnungsentlastet ist, damit die Probenbewegungen nicht eingeschränkt werden. Überprüfen Sie, ob die Probe geerdet ist. Drehen Sie nun die Bühne so, dass die Interessenebene senkrecht zum Einfallsbalken ist.

Dadurch wird der Strahlbedarf minimiert und die räumliche Auflösung maximiert. Wenn Sie multimodale Messungen durchführen, platzieren Sie die Detektoren um die Probe, z. B. für Röntgenfluoreszenzmessungen. Als Nächstes messen Sie die Signalamplitude des Prüfgeräts, um den Reichweitebereich des Signals unter verschiedenen Bedingungen zu testen.

Stellen Sie einen Vorverstärker in der Nähe der Probe auf und schließen Sie ihn an ein Steuergerät außerhalb der Hütte an. Dadurch können Remote-Einstellungsänderungen aktiviert werden, ohne dass die Hütte erneut betreten werden muss, und die Verstärkungseinstellungen werden automatisch gespeichert. Schließen Sie den Vorverstärker an einen sauberen Stromkreis an und schalten Sie ihn ein.

Stellen Sie sicher, dass die Signalamplitude des Prüfgeräts mit dem Eingangsbereich des Vorverstärkers übereinstimmt. Es ist eine gute Praxis, die Verstärkung des Vorverstärkers bei minimaler Empfindlichkeit zu halten, wenn keine Messung durchgeführt wird, um eine versehentliche Übersättigung zu vermeiden. Schließen Sie nun das Testgerät an den Vorverstärker an.

Angesichts der kleinen Signalamplitude ist es wichtig, die Verdrahtung kurz und in einem Abstand von Geräuschquellen zu halten. Als nächstes teilen Sie das vorverstärkte Signal in drei parallele Signalzweige auf. Diese werden verwendet, um die positiven und negativen DC-Werte zusammen mit den modulierten AC-Komponenten separat aufzuzeichnen.

Schließen Sie den Einsperrverstärker an ein Steuergerät außerhalb der Hütte an. Schalten Sie es von einem sauberen Stromkreis aus. Stellen Sie sicher, dass der Ausgang des Vorverstärkers unter allen Bedingungen mit dem Eingang des Verriegelungsverstärkers übereinstimmt.

Hier beträgt die maximale Leistung des Vorverstärkers 10 Volt, der maximale Eingangsbereich des Einsperrverstärkers 1,5 Volt. Testen Sie daher die Signalamplitude nach dem Vorverstärker und stellen Sie sicher, dass der Eingangsbereich des Einsperrverstärkers maximal ist. Schließen Sie als nächstes den Ausgang des Vorverstärkers an den Eingang des Einsperrverstärkers an.

Montieren Sie den Röntgen-Chopper auf einer motorisierten Bühne mit der Möglichkeit, sich in den Röntgenstrahl ein- und auszusteigen und ihn über einen Chopper-Controller mit Strom zu versorgen. Schließen Sie den Chopper an das Steuergerät an, in diesem Fall über den Einsperrverstärker. Dann fahren Sie den optischen Chopper mit der Demodulationsfrequenz des Einsperrverstärkers.

Als nächstes verbinden Sie den Ausgang des Sperrverstärkers an einen Spannungs-Frequenz-Wandler. Geben Sie dann die wurzelmäsisch-quaddierte Amplitude R des eingesperrten verstärkten Signals als analoges AC-Signal des Geräts aus. Stellen Sie sicher, dass das zu prüfende Gerät vor allen Lichtern in der Hütte geschützt ist.

Durchsuchen Sie die Hütte. Bitte verlassen Sie den Bereich. Achtung, bitte, Hinweis einschalten.

Und schalten Sie den Röntgenstrahl ein. Wenn alles richtig eingerichtet ist und der Röntgenstrahl auf die Probe trifft, wird ein moduliertes XBIC-Signal angezeigt. Passen Sie die Verstärkung des Vorverstärkers und den Eingangsbereich des Einsperrverstärkers so an, dass sie übereinstimmen.

Stellen Sie sicher, dass die Reaktion des Vorverstärkers schnell genug für die gewählte Chopperfrequenz ist. Ein rechteckiges XBIC-Signal sollte beachtet werden. Wenn eine starke Verzögerung sichtbar ist, muss die Chopperfrequenz reduziert oder die Filteranstiegszeit des Vorverstärkers angepasst werden.

Stellen Sie die Tiefpass-Filterfrequenz des Einsperrverstärkers auf das Minimum ein, das mit der Scangeschwindigkeit kompatibel ist. Dann maximieren Sie das verstärkte Signal in Bezug auf das Verhältnis strahl on und strahl off und in Bezug auf das Signal-Rausch-Verhältnis. Das Setup ist nun für XBIC-Messungen bereit.

Gehen Sie zu einer unberührten Stelle auf der Probe und starten Sie die Messung. Der Hauptvorteil der Verwendung von Lock-in-Amplifikation für XBIC-Messungen ist die dramatische Erhöhung des Signal-Rausch-Verhältnisses im Vergleich zu Messungen mit Standardverstärkung. Hier wird das vorverstärkte Gerät, das die Testantwort erhält, anhand eines Bereichs ohne und mit eingeschaltetem Vorspannungslicht gemessen.

Trotz des Vorhandenseins von starken Rauschen oder Täuschungsbestandteilen, die durch Vorspannung licht oder Spannung induziert werden, ist es möglich, das modulierte Röntgenstrahl-induzierte Stromsignal aus dem Hintergrundsignal zu extrahieren, auch wenn es um Größenordnungen kleiner ist. Wenn Sie diese beiden Bilder vergleichen, notieren Sie ein Offsetsignal in der Größenordnung von acht Millivolt, das auf minus 65 Millivolt verschoben wird, indem das Vorspannungslicht von Leuchtstoffröhren eingeschaltet wird. Darüber hinaus wird die Signalvariation auf kurzen Zeitskalen durch das Vorspannungslicht deutlich verstärkt.

Mit entsprechenden Einstellungen können sowohl der Offset als auch die Hochfrequenzmodulation gemildert werden. Dennoch sollten alle Quellen unbeabsichtigter Verzerrungen wie Umgebungsbeleuchtung und elektromagnetisches Rauschen für ein Höchstsignal-Rausch-Verhältnis eliminiert werden. Diese Diagramme heben den Effekt von Vorspannungslicht und verschiedenen Tiefpassfiltereinstellungen auf die eingesperrte verstärkte RMS-Amplitude hervor.

Bei hoher Scanfrequenz sollte der Tiefpassfilter, der die Frequenz abschneidet, so hoch wie möglich sein, aber das höchste Signal an Geräusche, die mit niedrigen Abgeschnittenen erreicht werden. In diesem Fall bot ein Tiefpassfilter mit einer Abschaltfrequenz von 10,27 Hertz den besten Kompromiss für das Scannen bei moderaten zwei Hertz. Hier sehen Sie die Auswirkungen der Verriegelungsverstärkung auf das Signal-Rausch-Verhältnis bei Röntgenstrahl-induzierten Strommessungen.

Die Schärfe des Direktsignals ist offensichtlich und das eingesperrte verstärkte Signal zeigt feine Eigenschaften im Detail. Für die quantitative Analyse sollte die Form des modulierten XBIC-Signals die Form der modulierten Röntgenintensität darstellen. Daher ist es wichtig, die Chopperfrequenz und Tiefpassfilter in diesem Zusammenhang zu optimieren.

Die Verriegelungsverstärkung ermöglicht es uns, Geräte unter verschiedenen Bedingungen zu messen. Zum Beispiel können wir Bias-Spannung oder Bias-Licht anwenden. Letztlich können wir so die gesamte IV-Kurve mit hoher räumlicher Auflösung an der Nanolandschaft messen.

XBIC ist besonders nützlich, wenn wir es mit anderen Techniken kombinieren. Zum Beispiel bei Röntgenfluoreszenzbeugung, Tachographie oder Röntgen-erregter optischer Lumineszenz. Wenn wir all das kombinieren, können wir die Kompositionsstruktur und -leistung auflösen und dekonvolifizieren.

Abgesehen von allgemeinen Vorsichtsmaßnahmen, die im Umgang mit elektrischer Energie und intensiven Röntgenstrahlen getroffen werden müssen, besteht kein spezifisches Risiko bei der Durchführung von XBIC-Messungen für den Betrieb, wobei jedoch zumindest die Probe aufgrund von Strahlenschäden sterben kann. Bei beugungsbegrenzten Quellen, wie z. B. Petra vier, wird der Nanofokus-Röntgenfluss um Größenordnungen zunehmen. Dies wird das Signal-Rausch-Verhältnis von Messgeschwindigkeit und Rausch erhöhen und völlig neue Experimente vor Ort und Operando ermöglichen.