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Mediciones de corriente inducidas por haz de rayos X para microscopía de rayos X multimodal de células solares

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DOI:

10.3791/60001

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20 de agosto de 2019

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

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Resumen

Se describe una configuración para las mediciones de corriente inducidas por haz de rayos X en líneas de haz sincrotron. Revela el rendimiento a nanoescala de las células solares y amplía el conjunto de técnicas para la microscopía de rayos X multimodal. Desde el cableado hasta la optimización de señal a ruido, se muestra cómo realizar mediciones XBIC de última generación en una microsonda de rayos X duro.

Resumen

Las mediciones de corriente inducida por haz de rayos X (XBIC) permiten mapear el rendimiento a nanoescala de dispositivos electrónicos como las células solares. Idealmente, XBIC se emplea simultáneamente con otras técnicas dentro de un enfoque de microscopía de rayos X multimodal. Un ejemplo se da aquí combinando XBIC con fluorescencia de rayos X para permitir correlaciones punto por punto del rendimiento eléctrico con la composición química. Para la relación señal-ruido más alta en las mediciones XBIC, la amplificación de bloqueo juega un papel crucial. Mediante este enfoque, el haz de rayos X es modulado por un helicóptero óptico aguas arriba de la muestra. La señal eléctrica inducida por haz de rayos X modulada se amplifica y demodula a la frecuencia del helicóptero mediante un amplificador de bloqueo. Al optimizar la configuración del filtro de paso bajo, la frecuencia de modulación y las amplitudes de amplificación, el ruido se puede suprimir eficientemente para la extracción de una señal XBIC clara. Una configuración similar se puede utilizar para medir el voltaje inducido del haz de rayos X (XBIV). Más allá de las mediciones XBIC/XBIV estándar, XBIC se puede medir con luz de polarización o voltaje de polarización aplicado de tal manera que las condiciones de trabajo al aire libre de las células solares se pueden reproducir durante las mediciones in situ y en opera. En última instancia, la evaluación multimodal y multidimensional de los dispositivos electrónicos a escala nanométrica permite obtener nuevos conocimientos sobre las complejas dependencias entre la composición, la estructura y el rendimiento, lo que es un paso importante para resolver los materiales» Paradigma.

Introducción

En un mundo donde la demanda de energía eléctrica está en constante aumento, una fuente de energía limpia y sostenible es cada vez más necesaria. Una posibilidad para hacer frente a estas demandas son los sistemas fotovoltaicos (PV)1,2,3. Para una forma dirigida y eficiente de desarrollar células solares de próxima generación, es necesario entender cómo la composición y la estructura de las células solares afectan a su rendimiento4. Las preguntas típicas en el desarrollo de células solares incluyen: ¿Qué tipos de defectos son más perjudiciales, y dónde se encuentran5,6? ¿Hay inhomogeneidades en la distribución elemental, y cuál es su impacto7,8,9? ¿Cómo cambian las células solares al montar el módulo y envejecer10,11?

Como una célula solar es tan buena como su parte más débil, es especialmente importante entender el efecto de la variación compositiva y estructural en el rendimiento de las células solares policristalinas que sufren intrínsecamente de inhomogeneidades7, 8. Esto es particularmente cierto para las células solares de película delgada (TF), que contienen capas absorbentes con tamaños de cristalito en el rango de micrómetros. Aquí, el efecto de los límites de grano en el rendimiento es de mayor interés, pero su pequeño tamaño y el hecho de que están enterrados en toda una pila de capas plantean desafíos de caracterización únicos. Además, la compleja química de las capas absorbentes multicomponente con fases coexistentes y gradientes internos requiere sofisticados métodos de caracterización12.

Los microscopios de rayos X duros basados en sincrotrones son capaces de hacer frente a los desafíos de caracterización de las células solares TF: proporcionan tamaños de punto sordente de rayos X hasta la escala de nanómetros13,14,15,16 y el profundidad de penetración de rayos X duros permite sondear las diferentes capas de dispositivos17,incluyendo capas absorbentes enterradas. Con una gran cantidad de diferentes técnicas de medición en un microscopio de rayos X de escaneo, es posible estudiar simultáneamente no sólo uno, sino muchos aspectos diferentes de las células solares dentro de mediciones multimodales y correlacionar las características observadas. Por ejemplo, las mediciones de corriente inducida por haz de rayos X (XBIC) se han combinado con éxito con fluorescencia de rayos X (XRF)7,18,19, luminiscencia óptica excitada por rayos X (XEOL)20, 21, y difracción de rayos X (RDX)22 para correlacionar el rendimiento eléctrico con la composición, el rendimiento óptico y la estructura, respectivamente23.

Durante las mediciones XBIC de células solares u otros dispositivos bajo prueba (DUT)24,25, los fotones de rayos X incidentes establecen duchas de partículas que consisten en electrones y fotones, lo que resulta en una multitud de pares de electrones-agujero excitados por fotones de rayos X incidentes en el material absorbente semiconductor. Finalmente, los pares de electrones-agujero se thermalizan a los bordes de la banda del absorbedor de células solares. Por lo tanto, estos portadores de carga excitados por rayos X pueden ser tratados como portadores de carga que son generados por la absorción de fotones con energías justo por encima de la banda durante el funcionamiento normal de la célula solar, y la corriente o voltaje resultante se puede medir como rayos X corriente inducida por haz23,26,27 o voltaje (XBIV)28,29 similar a mediciones más comunes como corriente inducida por haz de electrones (EBIC) o corriente inducida por haz láser (LBIC). En consecuencia, la señal XBIC/XBIV no sólo depende del grosor de la capa absorbente, sino también del rendimiento eléctrico del DUT, tanto a nivel microscópico como macroscópico, incluyendo la banda local, la división a nivel fermi y la recombinación. Por lo tanto, somos capaces de mapear las variaciones locales de la eficiencia de la colección de portadora de carga que se define como la probabilidad de que un par de electrones-agujero excitado externamente en la capa absorbente se recoja en los contactos eléctricos del DUT.

Tenga en cuenta que sólo los pares de electrones-agujero que se generan en la capa absorbente del DUT contribuyen a la señal XBIC/XBIV. Los portadores de carga generados en otras capas como los contactos metálicos o el sustrato se recombinen inmediatamente, ya que no tienen posibilidad de ser separados por la unión. Por lo tanto, otras capas sólo afectan a las mediciones XBIC/XBIV a través de efectos secundarios como la absorción de rayos X parásitos o la emisión de fotones secundarios y electrones que pueden ser reabsorbidos en la capa absorbente. Por el contrario, todas las capas potencialmente contribuyen a la señal XRF.

Dado que las señales XBIC y XBIV pueden ser pequeñas (a menudo, las variaciones en el rango de subpicoampere y nanovoltios son de interés), las señales se entierran fácilmente en ruido. Por lo tanto, sugerimos utilizar la amplificación de bloqueo para extraer las señales XBIC y XBIV30. Para ello, el haz de rayos X entrante es modulado por un helicóptero óptico como se indica en la Figura 1. Esta modulación se traslada a la señal producida por el DUT. Antes de que la señal se introduzca en el amplificador de bloqueo (LIA), normalmente se utiliza un preamplificador (PA) para hacer coincidir la intensidad de la señal bruta con el rango del convertidor analógico a digital en la entrada del LIA digital. El LIA mezcla la señal de medición modulada con la señal de referencia. Mediante el empleo de un filtro de paso bajo, sólo las frecuencias cercanas a la señal de referencia se pasan a través y amplifican31. Esto permite una extracción efectiva de la señal XBIC o XBIV de un fondo ruidoso.

En el protocolo, introducimos los requisitos previos y los movimientos necesarios para tomar mediciones XBIC exitosas, incluyendo la señal bruta (corriente directa, CC) y la señal modulada (corriente alterna, CA). Más allá de describir los detalles técnicos, discutimos una configuración XBIC en el contexto de las mediciones multimodales en la línea de haz P06 en PETRA III13. Tenga en cuenta que, en comparación con la mayoría de los experimentos de laboratorio, el entorno de las cabañas en nanosondas de rayos X duros requiere una planificación y consideración particulares. Específicamente, las mediciones multimodales con resolución a escala de nanómetro desafían a los experimentalistas con una variedad de restricciones específicas. Por ejemplo, el ruido electrónico a menudo está presente con grandes amplitudes de motores piezoicos y otros equipos, como las fuentes de alimentación de los detectores. Además, es necesario organizar una multitud de dispositivos y detectores en una geometría optimizada sin interferir entre sí ni inducir vibraciones. Figura 1 representa una configuración típica para las mediciones XBIC en combinación con mediciones XRF y dispersión de rayos X de ángulo pequeño/ancho (SAXS/WAXS).

Protocolo

1. Configuración del entorno de medición

  1. Requisitos para mediciones XBIC amplificadas con bloqueo
    1. Asegúrese de tener disponible lo siguiente: una línea de haz de rayos X de nano o micro enfoque; un helicóptero de rayos X que absorbe periódicamente la mayoría de los rayos X; un PA; un LIA; módulos para el control remoto del helicóptero, PA y LIA; un sistema de adquisición de datos (DAQ); un DUT.
  2. Fabricación del portamuestras
    1. Utilice una base cinemática para el portamuestras. Esto permite reposicionar las muestras con precisión de micrómetro y ahorra un valioso tiempo de haz. Además, permite el posicionamiento de muestras en diferentes plataformas de medición con diferentes sistemas de montaje.
    2. Diseñe el soporte de muestras de manera que proporcione la máxima libertad para colocar diferentes detectores cerca de la muestra, al mismo tiempo que es compatible con muestras transparentes de rayos X y técnicas de medición como SAXS o WAXS. Por lo general, esto se traduce en un tamaño mínimo del soporte de la muestra, rigidez hasta la escala del nanómetro y ser ligero.
    3. Diseñar una placa de circuito impreso (PCB) para ser utilizada como soporte para el dispositivo electrónico para mediciones XBIC. Aunque un PCB dedicado con conexión directa a un cable coaxial no es necesario estrictamente hablando, puede desempeñar un papel sustancial en la reducción del ruido en comparación con el cableado suelto, donde los cables actúan como antenas.
      NOTA: Idealmente, una jaula de Faraday protegería la muestra de los campos electromagnéticos. Sin embargo, en la mayoría de los casos esto no es compatible con geometrías de medición.
  3. Contacto con muestras
    1. Pegue el DUT electrónico en la pcb. Dependiendo de los materiales y requisitos para la posterior eliminación del DUT, se recomienda utilizar esmalte de uñas, pegamento instantáneo, pegamento compuesto o pegamento de silicio.
    2. Asegúrese de que ninguna pieza de montaje o cableado bloquee el haz de rayos X incidente ni obstruya la línea de visión de cualquier otro detector empleado, como por ejemplo para las mediciones XRF.
    3. Póngase en contacto con ambos terminales del DUT.
      NOTA: Hay varias maneras de contactar con dispositivos electrónicos, y la mejor opción depende de propiedades de muestra específicas, donde la adherencia, la resistencia química o mecánica y el espacio disponible son argumentos para uno u otro método de contacto.
    4. Conecte el contacto frontal (el contacto ascendente frente al haz de rayos X incidente) con el escudo del cable coaxial.
    5. Conecte el contacto posterior (el contacto descendente) con el núcleo del cable coaxial.
    6. Aterponga el contacto frontal (escudo del cable coaxial).
      NOTA: El haz entrante conduce a la expulsión de electrones del DUT, lo que conduce a una corriente de compensación en el circuito de medición que se malinterpreta fácilmente como XBIC. Por lo tanto, el contacto frontal siempre debe estar conectado a tierra23. Puede ser necesario probar diferentes métodos de puesta a tierra para minimizar las variaciones potenciales.
    7. Considere la Figura 2 como un ejemplo de un portamuestras que consta de una base cinemática, un soporte de aluminio y un PCB con una célula solar conectada a uno de los dos conectores coaxiales.
  4. Disposición de muestras y detectores
    1. Monte la muestra en el soporte.
    2. Monte el soporte de muestra en la etapa de la muestra.
    3. Coloque el centro de rotación del escenario en el foco del haz de rayos X.
    4. Coloque la muestra en el centro de rotación de la etapa de rotación.
    5. Gire la etapa de modo que el plano de interés sea perpendicular al haz incidente para minimizar la huella del haz y maximizar la resolución espacial.
    6. En caso de mediciones multimodales, coloque los detectores alrededor de la muestra.
      NOTA: Dependiendo de la óptica de rayos X, hay poco espacio para colocar detectores aguas arriba de la muestra. Para muestras no transparentes de rayos X, el detector de fluorescencia debe estar mirando el punto de enfoque de rayos X bajo un ángulo de 10-20o al plano de la muestra de modo que se minimice la autoabsorción de los elementos de interés y recuentos de dispersión.
  5. Instalación de helicóptero
    1. Monte una etapa motorizada, con la capacidad de moverse perpendicularmente al haz de rayos X, aguas arriba de la muestra.
      NOTA: Si bien esta etapa motorizada no es necesaria, permite mover el helicóptero dentro y fuera del haz de rayos X sin entrar en la cabaña, lo que permite un mayor rendimiento y una mayor estabilidad.
    2. Instale un helicóptero óptico en la etapa motorizada para modular la señal entrante.
      NOTA: Idealmente, el helicóptero se coloca muy arriba de la muestra de modo que no induce ninguna vibración en la óptica de rayos X o la muestra por el motor o la turbulencia del aire, respectivamente. Sin embargo, se han obtenido buenos resultados con amplitudes de vibración inferiores a 100 nm, con la rueda del helicóptero tan cerca de 10 mm de la muestra, mientras se corta a > 6 kHz.
  6. Reducción de la luz de fondo
    1. Apague las fuentes de luz en la cabaña siempre que sea posible y proteja cualquier otra, incluidas las pequeñas luces del CONTROLADOR de ruedas LIA y de helicóptero. En algunas líneas de haz, hay una luz que se enciende cuando se busca en la cabaña. Sin embargo, esta luz no debe permanecer encendida durante la medición.

2. Configuración de mediciones XBIC

  1. Consulte la Figura 1 para obtener una representación esquemática de los componentes de hardware y el cableado necesarios.
  2. Configuración de un preamplificador
    1. Coloque un PA cerca de la muestra.
      NOTA: Algunas LIA vienen con un PA integrado. En este caso, la configuración PA se aplica de manera similar a la configuración de LIA.
    2. Conecte el PA a una unidad de control fuera de la cabaña para permitir el cambio remoto de los ajustes de amplificación sin entrar en la cabaña. Idealmente, la unidad de control está conectada al control de la línea de haz y los ajustes de PA se registran automáticamente.
    3. Encienda el PA desde un circuito de energía limpia.
      NOTA: Los dispositivos como las bombas de vacío pueden contaminar el circuito de alimentación y, por lo tanto, deben alimentarse por separado de la electrónica de alta precisión, como PA y LIA, que pueden transferir variaciones en la fuente de alimentación a la señal de medición. Por esta razón, las líneas de haz suelen tener circuitos de potencia limpios y contaminados. Muchos amplificadores incluso pueden ser operados desde baterías.
    4. Conecte la muestra a través del conector BNC en el soporte de muestra.
    5. Asegúrese de que el cableado de la muestra esté aliviado por la tensión para que no restrinja los movimientos de la muestra.
    6. Aplique una tensión de polarización a través del PA si la señal XBIC no se medirá en condiciones de cortocircuito. No aplique ninguna tensión de polarización si la señal XBIV se medirá en condiciones de circuito abierto.
    7. Mida la amplitud de la señal del DUT en condiciones de medición (es decir, generalmente en la oscuridad) y en condiciones de trabajo (por ejemplo, con la luz de la habitación y la luz del microscopio de línea de haz encendida) para probar el rango de señal.
    8. Asegúrese de que la amplitud de la señal del DUT coincida con el rango de entrada del PA, y tome precauciones para evitar la sobresaturación bajo condiciones de señal alta (por ejemplo, luz encendida), ya que la sobresaturación puede destruir el PA.
    9. Asegúrese de que la sensibilidad del PA coincida con su rango de salida y el rango de entrada del LIA. Es una buena práctica mantener la amplificación del PA a la sensibilidad mínima siempre que no se esté tocando ninguna medición para evitar una sobresaturación accidental.
    10. Conecte el DUT con el PA. Dada la pequeña amplitud de la señal, es fundamental mantener el cableado corto.
      NOTA: Los cables que transporten señal XBIC no deben entrelazarse con otros cables, ya que podrían inducir ruido. Las fuentes de ruido incluyen etapas de escaneo y detectores, ya que se utilizan para XRF. Se pueden probar diferentes posiciones de cable para minimizar el ruido. Para una mayor reducción del ruido, el cable se puede envolver en papel de aluminio a tierra o se pueden utilizar cables triaxiales.
    11. Divida la señal preamplificada en tres ramas de señal paralelas para registrar por separado los componentes de CA (positivo y negativo) y modulado por separado.
      Nota: Las trayectorias alternativas de la señal se mencionan en la parte (a) de la sección de discusión.
    12. Conecte dos ramas de señal a convertidores de voltaje a frecuencia (V2F), uno de los cuales con rango de señal de entrada invertido para aceptar la señal de CC negativa.
  3. Configuración eléctrica de un amplificador de bloqueo
    1. Conecte el LIA a una unidad de control fuera de la cabaña para permitir el cambio remoto de los ajustes de amplificación sin entrar en la cabaña. Idealmente, la unidad de control está conectada al control de haz y los ajustes de LIA se graban automáticamente.
    2. Encienda el LIA desde un circuito de energía limpia y manténgalo a una distancia de instrumentos posiblemente ruidosos.
    3. Asegúrese de que la salida del PA coincida con la entrada del LIA en todas las condiciones, ya que la sobresaturación puede dañar el LIA. Es una buena práctica mantener el rango de entrada LIA en su máximo siempre que no se esté tomando ninguna medición para evitar una sobresaturación accidental.
    4. Alimentar la frecuencia de modulación del helicóptero óptico como señal de referencia en el LIA.
      NOTA: La frecuencia de referencia puede ser proporcionada por un oscilador del LIA, conduciendo el helicóptero y permitiendo así controlarlo remotamente, o siendo introducido desde el controlador del helicóptero como referencia al LIA. Una combinación de ambos también es posible.
    5. Conecte la tercera rama de la señal XBIC preamplificada a la entrada LIA.
    6. Salida de la amplitud de la raíz-media cuadrada (RMS) de la señal amplificada figure-protocol-1 de bloqueo como señal de CA analógica del DUT.
      NOTA: figure-protocol-2  Como siempre es positivo, una división de la señal y la inversión de una rama no es necesaria siempre y cuando la entrada de señal en el convertidor V2F no sea negativa. Si también se registrará la información de fase, figure-protocol-3 se figure-protocol-4 recomienda generar la fase figure-protocol-5 además figure-protocol-6 del componente en fase y el componente de cuadratura .
    7. Conecte la salida del LIA a un tercer canal V2F.
    8. Conecte los convertidores V2F a las unidades DAQ y al software beamline para almacenar los tres componentes de señal XBIC con la información de tiempo y píxeles correspondiente.
      NOTA: Existen métodos alternativos a los convertidores V2F para XBIC DAQ. Por ejemplo, la salida de voltaje de PA y LIA se puede digitalizar directamente, o la lectura digital de los amplificadores se puede integrar en el sistema de control de la línea de haz. Sin embargo, el enfoque presentado es compatible con la mayoría de las líneas de haz sincrotrón, ya que los convertidores V2F están generalmente disponibles.

3. Mediciones XBIC

  1. Elegir condiciones de medición XBIC adecuadas
    1. Tenga cuidado con la compensación de la velocidad de escaneo, la frecuencia del helicóptero y los ajustes de filtro de paso bajo como se describe más adelante en el manuscrito.
  2. Optimización de los parámetros de medición XBIC
    1. Asegúrese de que el DUT esté protegido de todas las luces de la cabaña.
    2. Establezca todas las amplificaciones de PA y LIA al mínimo, y los rangos de entrada al máximo para evitar la sobresaturación.
    3. Ajuste la frecuencia del helicóptero, que es la frecuencia de modulación de la señal y la frecuencia de referencia para su demodulación.
      NOTA: Como regla general, la frecuencia seleccionada debe ser lo más alta posible bajo las restricciones de (a) respuesta lo suficientemente rápida del DUT, (b) la cadena de amplificación lo suficientemente rápida, (c) el nivel aceptable de vibraciones inducidas por el helicóptero. Además, deben evitarse las frecuencias que son múltiplos de frecuencias de ruido comunes como 50/60 Hz o 45 kHz.
    4. Establezca la amplificación del PA de forma que (a) la amplitud de salida máxima esté dentro del rango de entrada máximo del LIA y (b) la respuesta del PA sea lo suficientemente rápida para la frecuencia del helicóptero elegida. Para la optimización de la configuración del amplificador en esta compensación, nos referimos a la subsección (b) de la sección de discusión.
      ADVERTENCIA: Antes de permitir más fotones en el DUT (por ejemplo, al entrar en la cabaña), ajuste los amplificadores de nuevo a su rango de entrada máximo y a su amplificación mínima para evitar sobrecargas. Idealmente, esto se implementa directamente en los comandos de exploración.
    5. Ajuste el rango de entrada del LIA para que coincida con la amplitud de la señal después de la preamplificación para la región de interés con la señal más fuerte.
    6. En el LIA, divida y mezcle la señal del DUT con la señal de referencia del helicóptero y una señal de referencia de desplazamiento de fase de 90o, tal como se describe en la subsección c) de los resultados representativos.
    7. Ajuste la frecuencia de filtro de paso bajo del LIA al mínimo que sea compatible con la velocidad de escaneo.
      NOTA: Como regla general, establézcalo en al menos un orden de magnitud por debajo de la frecuencia de corte y un orden de magnitud por encima de la frecuencia de muestreo. Idealmente, la frecuencia de filtro de paso bajo debe elegirse de tal manera que no se pasen frecuencias de ruido comunes, lo más importante por debajo de 50/60 Hz para cortar la frecuencia de la red. Para obtener más información, nos referimos a la subsección e) de los resultados representativos.
    8. Ajuste la escala de amplificación para la salida analógica de la señal amplificada de bloqueo de modo que coincida con el rango de entrada del V2F y no la supere.
    9. Establezca límites de software o hardware para las salidas del amplificador de acuerdo con el rango de entrada de los siguientes dispositivos para evitar la saturación.
  3. Tomar medidas XBIC
    NOTA: Con los parámetros de amplificación adecuados establecidos para las mediciones XBIC y el control y la lectura automatizados implementados, no es necesario realizar ninguna otra acción para tomar mediciones XBIC aparte de iniciar un escaneo.
  4. Postprocesamiento de datos XBIC
    1. Vaya a lo largo de la cadena de señal desde el DUT hasta la unidad de adquisición de datos, donde la señal se guarda como velocidad figure-protocol-7 de recuento (Hz), para convertir la velocidad de recuento de nuevo a una corriente.
      1. Obtenga el factor figure-protocol-8 de amplificación (V/A) figure-protocol-9 en el PA, donde la señal (medida en amperios) se amplifica y se convierte en una tensión.
      2. Obtenga el factor figure-protocol-10 de amplificación (V/V) en el LIA.
      3. Obtenga el rango figure-protocol-11 de aceptación de voltaje (V) del convertidor figure-protocol-12 V2F que se proyecta en el rango de frecuencia (Hz).
      4. Considere los factores de forma de onda adicionales: la señal de salida del LIA es la amplitud RMS, pero la señal de interés es el valor de pico a pico de la señal de entrada modulada.
    2. Multiplique la tasa de recuento figure-protocol-13 de cada píxel con el término de conversión en la siguiente ecuación para obtener los valores XBIC en amperios de los valores de frecuencia ordenados por el DAQ:
      (1) figure-protocol-14 figure-protocol-15 con ,
      donde figure-protocol-16 hay un factor que depende de la forma de onda de la modulación32.
      NOTA: Para una onda sinusoidal entrante,figure-protocol-17figure-protocol-18; para una onda figure-protocol-19 figure-protocol-20 triangular, ; y para una figure-protocol-21 ola cuadrada, . Los valores típicos para la medición de células solares figure-protocol-22 de figure-protocol-23 figure-protocol-24 película figure-protocol-25 delgada en nanosondas de rayos X duros son: , , , .
    3. Para la corrección final de figure-protocol-26 la señal XBIC sin procesar para variaciones topológicas, utilice28:
      (2) figure-protocol-27 ,
      con figure-protocol-28 ser el coeficiente de atenuación de figure-protocol-29 rayos X33 figure-protocol-30 y la densidad de masa para el elemento absorbente que se puede medir mediante mediciones simultáneas de XRF17.
    4. Para la conversión final de la señal figure-protocol-31 XBIC en eficiencia de recogida de carga, utilice23:
      (3) figure-protocol-32 ,
      donde figure-protocol-33 figure-protocol-34 y son la tasa de generación figure-protocol-35 y recolección de pares figure-protocol-36 de electrones-agujero, es la tasa de fotones incidentes, es la carga elemental, y figure-protocol-37 es una constante material.
    5. Para el cálculo final figure-protocol-38 de la constante de material , utilice:
      (4) figure-protocol-39 ,
      donde figure-protocol-40 se deposita la energía en la capa absorbente del figure-protocol-41 dIT por incidente fotones de rayos X, es la banda del material absorbente, y figure-protocol-42 es una constante.
      NOTA: El figure-protocol-43 factor explica la eficiencia energética de la generación de pares de electrones-agujeros. A menudo se aproxima23 figure-protocol-44 ,34 como .
    6. Para la estimación final figure-protocol-45 del nivel de inyección, , a partir de la señal XBIC, utilice:
      (5) figure-protocol-46 ,
      donde figure-protocol-47 se interpreta como el número de figure-protocol-48 equivalentes de sol, es figure-protocol-49 la sección transversal del haz de rayos X, y es la densidad de corriente de cortocircuito bajo condiciones de medición estándar35.

Resultados

La ventaja clave de utilizar la amplificación de bloqueo para mediciones XBIC es el aumento espectacular de la relación señal-ruido en comparación con las mediciones con amplificación estándar. Los ajustes de medición que son particularmente críticos para las mediciones XBIC de bloqueo en amplificado exitosas se discutirán en las primeras cinco secciones. Son: (a) modulación de la señal; (b) preamplificación; (c) mezcla de señal en el LIA; (d) frecuencia de filtro de paso bajo del LIA; (e) roll-off de filtro de paso bajo del LIA.

Las ilustraciones de los impactos de estas configuraciones se muestran en la Figura 3, Figura 4, Figura 6. Para las mediciones, una configuración defigure-results-1laboratorio utilizó un láser rojo ( figure-results-2 ) en lugar de un haz de rayos X, modulado a 2177.7 Hz por un helicóptero óptico. Los tubos fluorescentes sirvieron como fuente para la luz de polarización. El DUT era una célula solar de película delgada con un absorbedor Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Aunque se elegirían diferentes ajustes de medición para otros DUT, las directrices generales descritas aquí para encontrar ajustes adecuados son válidas para una variedad de DUT, como células solares con diferentes capas absorbentes o nanohilos. El PA se utilizó con figure-results-3 un factor de amplificación de . Los efectos discutidos aquí se aplican igualmente a otros preamplificadores. Si no se especifica nada más, el roll-off del filtro de paso bajo del LIA fue de 48 dB/oct.

Las siguientes secciones (f)-(i) muestran resultados ejemplares para mostrar las posibilidades y desafíos de las mediciones XBIC junto con otros modos de medición. En (f), se discuten desafíos específicos de las mediciones XBIC en el modo de escaneo de vuelo. En (g), se combinan las mediciones XBIC y XRF de una célula solar CIGS, y el efecto de la amplificación de bloqueo se discute con voltaje de sesgo aplicado. En (h), XBIV se agrega como un modo de medición para una célula solar CIGS. En (i), se muestran los datos XBIC y de composición de XRF de un nanohilo CdS. Para todas las mediciones XBIC en las secciones (f) a (i), utilizamos un PA y un LIA como se especifica en la Tabla de Materiales y Reactivos.

(a) Modulación de la señal entrante

La Figura 3 muestra la respuesta DUT preamplificada medida por un ámbito sin (fila superior) y con la luz de polarización (fila inferior) activada. A medida que el PA convierte las corrientes en voltajes, la señal mostrada está en voltios. Es negativo debido al contacto de la célula solar, con los contactos de tipo p y n conectados al escudo y al núcleo de la entrada del PA, respectivamente. En las mediciones XBIC, el contacto de las células solares se rige por la puesta a tierra necesaria del contacto frontal como se describe en la sección 1.3.6. del protocolo.

Comparando la Figura 3A y la Figura 3D,observamos una señal de desplazamiento en el orden de 8 mV que se desplaza a -65 mV encendiendo la luz de polarización de los tubos de fluorescencia. Además, la variación de la señal en escalas de tiempo cortas se ve significativamente mejorada por la luz de polarización. Tal desplazamiento de sesgo de aproximadamente 70 mV puede resultar problemático, debido a los límites en el rango de aceptación del PA y LIA. Como nos gustaría utilizar el rango completo del PA, es preferible un pequeño desplazamiento como en la Figura 3A-C. Por lo tanto, todas las fuentes de sesgo involuntario, como la iluminación ambiental, deben eliminarse.

La adición de una fuente de fotones picado, como se muestra en la Figura 3B,C,E,F, aumenta la señal inducida en la misma cantidad - aproximadamente 66 mV - para ambos con y sin luz de polarización, cuando el haz pasa a través de la hoja del helicóptero; cuando el haz es bloqueado por la cuchilla, la señal permanece en el nivel del desplazamiento respectivo, como se espera. La frecuencia del helicóptero es distinta en la señal de la figure-results-4 Figura 3B y 3E con un período de ms.

En la Figura 3D-F,observamos una modulación adicional a una frecuencia de 90 kHz. La fuente de esta modulación de alta frecuencia es el lastre electrónico del tubo fluorescente, que se acciona a 45 kHz. Aunque la amplificación de bloqueo es capaz de diferenciar las contribuciones de diferentes frecuencias de modulación, como se mostrará en la Figura6, la reducción de la señal de ruido es primordial para una buena medición. La luz ambiental es sólo una fuente posible, pero otra electrónica también puede inducir ruido, que luego se superpondría a la señal. Tenga en cuenta que la luz de polarización no siempre es ruido no deseado, pero a menudo la luz de polarización se aplica a propósito para establecer el DUT en condiciones de funcionamiento.

En la Figura 3B,C,E,F, observamos además que la respuesta del DUT tras el cambio de la intensidad de irradiación se retrasa. Estos efectos de tiempo de subida se discutirán con mayor detalle en la siguiente sección y se originarán aquí a partir de dos efectos distintos: en primer lugar, el fuerte aumento y la disminución de la respuesta DUT en la modulación de 2177.7-Hz se retrasa por el filtro de paso bajo en el PA. En segundo lugar, la señal continúa aumentando/disminuyendo a escalas de tiempo más lentas (por ejemplo, visible entre 0,68 y 0,80 ms en la Figura 3C),lo que atribuimos a la cinética de ocupación de los estados de defecto en la célula solar.

(b) Preamplificación

El PA no sólo amplifica la señal modulada del DUT, sino que puede cambiar significativamente su forma de onda. Como se detalló anteriormente, los contactos de la célula solar son tales que un voltaje negativo se mide sobre la iluminación. No se ha añadido luz de polarización para las mediciones que se muestran en la Figura4.

Las mediciones se tomaron con el aumento de los tiempos de aumento del filtro para demostrar sus efectos cuando la resistencia a la amplificación se mantiene constante. En muchos casos, los tiempos de aumento del filtro se acoplan por hardware a la amplificación. Cuanto más fuerte es la amplificación, más largo es el tiempo de respuesta, y más pequeño es la frecuencia de corte del filtro de paso bajo en el PA36,37.

Con un tiempo de subida de filtro de 10 s como en el panel superior de la Figura4, la señal apenas se retrasa, abarca el rango nominal de pico a pico de aproximadamente 10 mV a -65 mV, y alcanza las mesetas en los valores máximos. Con el tiempo de subida del filtro de 100 os, los efectos de retardo son visibles en la señal modulada, pero la modulación sigue siendo distinta y la amplitud está en un rango similar al de 10 s. Un tiempo de subida del filtro de 1 ms es más largo que el período de la modulación (0,46 ms). Por lo tanto, la modulación se suprime a amplitudes por debajo de 10 mV y la forma refleja sólo el comienzo del borde ascendente y descendente, que obviamente no es adecuado para mediciones cuantitativas XBIC. Esta conexión entre el tiempo de ganancia y el aumento del filtro figure-results-5 debe tenerse en cuenta especialmente para la combinación de frecuencias de modulación rápidas, con amplificación fuerte.

(c) Mezcla de señales

La diferencia clave entre la amplificación de señal estándar y la amplificación de bloqueo es la mezcla de la señal DUT con una señal de referencia y la posterior supresión de frecuencias altas por un filtro de paso bajo.

La trayectoria de la señal para la mezcla se representa en la Figura5. Para la discusión de la mezcla de señales, se hacen algunas simplificaciones. La señal de referencia se puede describir como una señal sinusoidal

(6) figure-results-6 ,

donde figure-results-7 está la figure-results-8 amplitud y es la frecuencia de modulación de la señal de referencia. La señal modulada del DUT alimentada en el LIA se puede representar de una manera similar a

(7) figure-results-9 ,

donde figure-results-10 está la figure-results-11 amplitud y es la frecuencia figure-results-12 de modulación de la señal DUT, y es un desplazamiento de fase de la señal DUT a la señal de referencia.

A partir de (1) y (2), la señal mixta es:

(8) figure-results-13 .

La frecuencia de modulación del DUT es la frecuencia de referencia, figure-results-14 . Por lo tanto, el principio trigonométrico

(9)figure-results-15 

se puede utilizar figure-results-16 para reescribir como la suma de dos términos con diferentes frecuencias:

(10) figure-results-17 .

El filtro de paso bajo figure-results-18 mitiga la señal rápida de tal manera que la señal amplificada de bloqueo se puede aproximar38,39 como

(11) figure-results-19 .

La señal DUT mezclada con la señal figure-results-20 de referencia se denomina componente en fase, y la señal DUT figure-results-21 mezclada con la referencia de desplazamiento de fase de 90o se denomina componente de cuadratura:

(12)figure-results-22 

(13) figure-results-23 .

De Eq. (12) y (13), la amplitud RMS

(14)figure-results-24

así como la fase

(15)figure-results-25

de la señal mixta se puede obtener con la función tangente arcus de dos argumentos. Muchos LIA tienen una fase figure-results-26 interna ajustarse a cero durante las mediciones.

(d) Frecuencia del filtro de paso bajo

La Figura 6 muestra el efecto de la luz de polarización y diferentes figure-results-27 configuraciones de filtro de paso bajo en la amplitud RMS amplificada de bloqueo, . Utilizamos un LIA que nos permitió grabar la señal resultante de diferentes parámetros de filtro simultáneamente.

La frecuencia figure-results-28 de corte de un filtro de paso bajo define la frecuencia, con la que la señal se atenúa al 50%. Mientras se transmiten frecuencias más bajas, se suprimen las frecuencias más altas. Figura 6A,E muestra figure-results-29 la señal directa con 466,7 kHz, lo que efectivamente no elimina el ruido o modulaciones de menor frecuencia, pero les permite pasar con la señal sin procesar. La conversión de la señal preamplificada en figure-results-30  bruto a la figure-results-31 amplitud RMS figure-results-32 conduce a un factor adicional de frecuencias suficientemente inferior. Por ejemplo, una tensión figure-results-33 de figure-results-34 entrada constante de es salida como .

Mientras que el desplazamiento medio en la Figura 6E es insignificante sin luz de sesgo (en promedio 2 mV), aumenta a una media de alrededor de 75 mV con luz de polarización (Figura6A). La diferencia es de resistencia comparable entre la Figura 3A y la Figura 3D, pero tenga en cuenta que se trataba de mediciones separadas. En ambos casos, activar la fuente de corte figure-results-35 conduce a un aumento significativo figure-results-36  en , y la variación de pico a pico de corresponde a la variación de pico a pico de la señal bruta que se muestra en la Figura 3B y la Figura 3E .

En la Figura 6B,F, la amplitud figure-results-37 RMS se figure-results-38 muestra después de utilizar un filtro de paso bajo con 1000 Hz. Una vez más se puede observar un desplazamiento en la Figura 6B debido a la luz de polarización, pero el desplazamiento es más pequeño con alrededor de 18 mV en promedio. Este desplazamiento es causado por la modulación de 100 Hz de la luz fluorescente, mientras que la modulación de 90 kHz está bloqueada por el filtro de paso bajo. Además, el nivel de ruido del estado de "viga encendido" sigue siendo significativo con una variación de pico a pico alrededor de 46 mV, mientras que el valor medio de la señal asciende a 32 mV. Sin luz de polarización (Figura6F) la variación de pico a pico asciende a unos 17 mV durante el 'viga encendido' con un valor medio de 23,5 mV. El desplazamiento medio durante el 'rayo apagado' es menor que 0,5 mV. Estas mediciones muestran que la combinación figure-results-39 de un filtro de paso figure-results-40 bajo con 1000 Hz y una frecuencia de corte de 2177,7 Hz no es ideal: la señal que lleva la frecuencia de modulación sólo se elimina parcialmente, pero no se suprime por completo por la paso baja Filtro. La parte restante conduce a variaciones significativas figure-results-41  de pico a pico durante el estado de "viga en". Cuando hay luz de polarización, la modulación de 100 Hz debido a la frecuencia neta de las lámparas de fluorescencia aumenta aún más los valores de pico a pico.

En la Figura 6C,G, la influencia de la luz de polarización se puede ver como mínima: el filtro de paso bajo de 10,27 Hz corta la mayoría del ruido y la modulación de la luz fluorescente, y se puede extraer una señal clara inducida por el haz. Aunque apenas son visibles aquí, el desplazamiento y la propagación del ruido son todavía ligeramente mayores con la luz de polarización. Esto puede ser causado por la luz perdida que pasa a través de la rueda del helicóptero hacia el DUT. Por lo tanto, es aconsejable implementar el helicóptero muy aguas arriba para evitar la modulación de la luz perdida.

Figura 6D,H son un zoom en el cambio de 'viga encendido' a 'rayo apagado' después de 6 s en la Figura 6B,C,F,G, respectivamente. La modulación superpuesta a 100 Hz (frecuencia de las lámparas de fluorescencia) es visible en la Figura 6D para el filtro de paso bajo con figure-results-42 1000 Hz. Tenga en cuenta también el retraso en la señal después del filtro con 10,27 Hz en comparación con figure-results-43 la señal después del filtro con figure-results-44 1000 Hz, cuando el haz está apagado. Al igual que en el caso de figure-results-45 los tiempos de subida lentos del figure-results-46 PA, el bajo del filtro de paso bajo en el LIA causa una adaptación más lenta de los cambios de señal.

En conjunto, hemos encontrado que un figure-results-47 filtro de paso bajo con 10,27 Hz y un roll-off de 48 dB/oct (ver figure-results-48 sección siguiente) ofrece en este caso el mejor compromiso entre la velocidad de escaneo rápida (a favor de valores altos) y la supresión de luz de polarización o ruido (en valores bajos, figure-results-49 lo más importante, por debajo de la frecuencia de la red 50 Hz).

(e) Roll-off de filtro de paso bajo

Como muchos amplificadores de bloqueo digitales, el modelo que se utilizó aquí emplea los llamados filtros RC de tiempo discreto o filtros de media móvil exponencial cuyas características son muy cercanas a las de un filtro RC de resistencia-capacitor analógico40. Aparte de la frecuencia de corte del filtro que se ha discutido en la figure-results-50 sección anterior, solo hay un figure-results-51 parámetro libre, el orden del filtro, que define la pendiente del corte como dB/oct.

La Figura 7A muestra el efecto del orden del filtro en la atenuación dependiente de figure-results-52 la frecuencia figure-results-53 para diferentes frecuencias de corte que corresponden a las constantes de tiempo ms y ms. Las constantes de tiempo entre estos dos extremos son adecuadas para la mayoría de los XBIC Medidas. La atenuación del filtro se ha calculado40 en el figure-results-54 dominio de frecuencia como el valor absoluto cuadrado de la compleja función de transferencia

(16)figure-results-55 

como una función figure-results-56 de la figure-results-57 frecuencia y figure-results-58 un filtro de orden con una constante de tiempo . Las funciones de transferencia de filtros de orden superior se obtienen mediante la multiplicación de las funciones de transferencia de los filtros individuales conectados en serie. Similar figure-results-59 a , figure-results-60 figure-results-61 definimos y como las frecuencias, en las que la atenuación es de 5% y 95%, respectivamente. El producto de estas figure-results-62 frecuencias y es constante y se da en la Tabla 1 para la conversión entre las frecuencias de corte y la constante de tiempo de filtro.

En el dominio de figure-results-63 tiempo, la respuesta de figure-results-64 filtro figure-results-65 para se calcula figure-results-66 recursivamente a partir de una señal de entrada que se define en tiempos discretos, figure-results-67 , figure-results-68 , , etc., espaciado por el tiempo figure-results-69 de muestreo:

(17)figure-results-70 

La respuesta de figure-results-71 los filtros con se calcula figure-results-72 mediante la figure-results-73 figure-results-74 iteración múltiple de Eq. 17 con calculado a partir de y . La respuesta del filtro a una función de paso figure-results-75 creciente (en el momento 0) y decreciente (en el figure-results-76 momento ) se muestra en la Figura 7B para las órdenes de filtro 1 a 8, en función del tiempo en unidades de . Observe que la respuesta se retrasa con respecto a figure-results-77 la señal de entrada y que este retardo aumenta con . El retardo se cuantifica en el figure-results-78 figure-results-79 Cuadro figure-results-80 1 como las veces , , y , dentro de las cuales la señal transmitida alcanza 5%, 50% o 95%, respectivamente.

La elección del despliegue correcto del filtro es tan crítica como la frecuencia de corte al diseñar el experimento. En la aplicación 1 presentada en la sección (g), se han obtenido mediciones XBIC de alta calidad con una frecuencia de helicóptero de 1177 Hz, tiempo de permanencia de 100 ms y frecuencia de corte de 40 Hz en la orden de filtro 8. Con los números de la figure-results-81 Tabla figure-results-82 1, esto se traduce en , y . Este tiempo es considerablemente más corto que el tiempo de permanencia, de tal manera que no se introducen artefactos de retardo.

(f) Corrección del tiempo de permanencia

En las mediciones clásicas de modo escalonado, la etapa de escaneo se mueve a la posición nominal, y el inicio de la medición en esa posición de píxel se activa después de alcanzar la posición precisa. Para tiempos de permanencia cortos, el tiempo de sedimentación se convierte en limitado rindedezal para el tiempo de escaneo general, lo que motiva los llamados modos de exploración de mosca o de medición continua: allí, la etapa de escaneo se mueve continuamente y los datos de medición se atribuyen a píxeles con el codificado posición de etapa en el postprocesamiento. Sin embargo, esto puede llevar a problemas adicionales como se muestra en la Figura8. En este caso, los motores de la etapa de figure-results-83 la muestra no se movían uniformemente en la dirección, lo que resultó en tiempos de permanencia variables por píxel (consulte la figura 8A). Las variaciones de tiempo de permanencia se traducen directamente en variaciones en las mediciones XBIC, como se ve en la Figura 8C. Por lo tanto, la señal XBIC necesita ser normalizada al tiempo de permanencia, cuyos resultados se muestran en el cuadro 8D. Del mismo modo, las variaciones en la intensidad del haz (que se muestran en la Figura 8B)a menudo deben tenerse en cuenta mediante la normalización al flujo de fotones. La señal XBIC normalizada al flujo de fotones se puede ver en la Figura 8E; para un error mínimo en la cuantificación XBIC absoluta, el flujo de fotones en sí se ha normalizado a su valor medio. La Figura 8F muestra el mapa XBIC normalizado al tiempo de permanencia, así como al flujo de fotones, lo que redujo el impacto de la mayoría de los artefactos de medición. Por último, la Figura 8G muestra los datos XBIC después de la conversión de una tasa de recuento a la actual utilizando Eq. (1).

(g) Aplicación 1: XBIC de una célula solar con voltaje de sesgo y XRF

La Figura 9A-B muestra el impacto de la amplificación de bloqueo en la relación señal-ruido en las mediciones de corriente inducida por haz de rayos X. La disposición de la señal directa es evidente en la Figura 9A:los contrastes de intensidad fuertes de línea a línea son indicativos de artefactos de medición, y las finas variaciones XBIC del DUT se entierran en la señal que cambia arbitrariamente. Por otro lado, estas características finas son claramente visibles en la Figura 9B. Tenga en cuenta que el nivel de ruido en la Figura 9A es inusualmente alto por razones desconocidas a pesar de la optimización de la configuración antes de las mediciones. En tales casos, la mejora de la relación señal-ruido por amplificación de bloqueo es dramáticamente mayor que en los casos de relación señal-ruido ya alta con amplificación estándar (por ejemplo, aplicación 3 en la sección i)), donde la amplificación de bloqueo sólo mejoras marginales.

Con el PA, adelante (Figura9C)y reverso (Figura9D)se aplicaron tensiones de polarización de -50 mV y +50 mV, respectivamente, a la muestra y al área de la Figura 9A-B reescaneada. Las características dominantes visibles en la Figura 9B siguen siendo visibles en la Figura 9C y la Figura 9D,pero son menos distintas ya que los mapas son más ruidosos. Esto se debe a que la aplicación de tensión de polarización o luz de polarización induce una corriente directa que a menudo es órdenes de magnitud mayor que la señal XBIC modulada. En última instancia, la relación de señal directa a modulada limita la aplicabilidad de la amplificación de bloqueo. A pesar de la mala relación señal-ruido, vale la pena señalar que la amplificación de bloqueo permite el mapeo del rendimiento de la célula solar a la nanoescala con voltaje de polarización y luz de polarización aplicada, que difícilmente sería posible de lo contrario30.

Como el rendimiento de la célula solar CIGS se correlaciona con la composición de la capa absorbente7,41, medimos la señal XRF simultáneamente con el XBIC. En la Figura 9E-F, se presentan las concentraciones de Ga y In. Ambos elementos forman parte de la capa absorbente y su relaciónse considera de gran influencia para el rendimiento de la célula solar 7. Las estadísticas de Ga son mucho mayores que para In, que se debe al mayor coeficiente de absorción y menos autoabsorción a la energía de excitación de 10.4 keV. Debido a las bajas estadísticas, las entidades en el mapa De son casi invisibles, mientras que la concentración de Ga es lo suficientemente clara como para estar correlacionada con el rendimiento eléctrico en la Figura 9B. Para una señal de in más alta, uno podría elegir tiempos de permanencia más largos o elegir una energía de absorción con mayor sección transversal de absorción. Esto ilustra la importancia de un tiempo de permanencia suficientemente largo, así como la adaptación de la energía del haz a los elementos de interés.

Con largos tiempos de permanencia y mapas grandes, hay que tener en cuenta otro punto: durante las mediciones que abarcan varias horas, la deriva de la muestra puede convertirse en un problema crítico. Las fluctuaciones térmicas (particularmente después del cambio de muestra o grandes movimientos del motor con una disipación de calor deficiente) y la inestabilidad de los componentes mecánicos de la etapa a menudo conducen a la deriva de la muestra como se puede ver comparando las posiciones verticales de la Figura 9D y Figura 9B.

(h) Aplicación 2: XBIC de una célula solar con XBIV y XRF

La Figura 10 muestra un escaneo multimodal de una célula solar CIGS, donde la célula se opera bajo condición de cortocircuito que mide XBIC en la Figura 10A,y bajo condición de circuito abierto que mide XBIV en la Figura 10B. La medición XRF mostrada en la Figura 10C se tomó simultáneamente con la medición XBIV. Para recopilar suficientes recuentos de XRF, el tiempo de permanencia por píxel fue de 0,5 s para la Figura 10B-C en comparación con 0,01 s en la Figura 10A. En consecuencia, se podría utilizar una frecuencia de corte más baja en el filtro de paso bajo para la medición XBIV en comparación con la medición XBIC (10,27 Hz frente a 501,1 Hz, ambas con 48 dB/oct). Solo para las mediciones XBIV, podríamos haber utilizado la misma configuración de tiempo de permanencia y filtro de paso bajo que para la medición XBIC con una relación señal-ruido similar. Sin embargo, en general era más eficiente en el tiempo combinar XBIV con mediciones XRF con la medición XRF que rige el tiempo de permanencia, que realizar mediciones XBIV y XRF separadas.

Comparando la Figura 10A, y la Figura 10B, observamos que la corriente figure-results-84 de cortocircuito, medida como XBIC, y la tensión figure-results-85 de circuito abierto, medida como XBIV, están correlacionadas: grandes áreas de alto y bajo rendimiento son visibles en ambos modos de medición. Esto indica que las variaciones de espesor locales y / o recombinación dominan la actuación aquí, en lugar de variaciones de banda, lo que llevaría a tendencias opuestas en XBIC y XBIV28.

Además, teniendo en cuenta la Figura 10C, se figure-results-86 puede ver que ciertas áreas con bajo rendimiento, como en correlación con la baja tasa de recuento de Cu, mientras que el rendimiento no está correlacionado con la tasa de recuento de Cu en otras áreas.

(i) Aplicación 3: XBIC y XRF de un Nanowire

Más allá de las células solares, los nanohilos en contacto24 o nanohojas, así como los puntos cuánticos, son otros ejemplos de DUT que pueden beneficiarse de las mediciones XBIC amplificadas de bloqueo. Para la demostración, la Figura 11A muestra la distribución elemental de las mediciones XRF, y la Figura 11B el mapa XBIC correspondiente de un nanohilo CdS. Los dos contactos hechos de Pt y el cable CdS son claramente distinguibles, y la señal XBIC muestra una respuesta eléctrica coincidente. Especialmente notable es el hecho de que XBIC puede revelar el rendimiento eléctrico del nanohilo debajo del contacto Pt, que es exclusivo de las nano sondas de rayos X y atribuible a la alta profundidad de penetración de los rayos X duros. La complementación de la composición del material y las propiedades eléctricas del nanohilo demuestra de manera ejemplar las ventajas de las mediciones multimodales de rayos X.

figure-results-87
Figura 1 : Configuración para mediciones de corriente inducida por haz de rayos X amplificado de bloqueo (XBIC) en un dispositivo sometido a prueba (DUT). El camino de la viga se representa en rojo. Las formas verdes indican fluorescencia de rayos X (XRF) opcional y detectores de área para mediciones multimodales, el amarillo indica luz de polarización opcional. Los componentes de hardware para las mediciones XBIC son de color negro, mientras que las rutas de señal XBIC son azules con salidas de señal y entradas mostradas como círculos llenos y vacíos, respectivamente. Antes de la adquisición de datos (DAQ), la señal de CC (corriente directa) y CA (corriente alterna) se convierte de una tensión a una frecuencia (V2F). Para trayectos de señal alternativos nos referimos a la parte (a) de la sección de discusión. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-88
Figura 2 : Ejemplo de un soporte de muestra cinemática optimizado para mediciones multimodales de microscopía de rayos X, incluida la corriente inducida por haz de rayos X. Los alambres de cobre finos se montan en los contactos frontal y posterior de una celda solar Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) con pintura plateada, y se conectan a los contactos de la placa CI. La cinta de poliimida se utiliza para separar los cables, evitando cortocircuitos en la muestra. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-89
Figura 3 : Respuesta de células solares preamplificadas tras la irradiación con luz de polarización y haz modulado. Fila superior sin luz de sesgo, fila inferior con luz de polarización: A y D - haz apagado; B & E - viga encendido; C & F - zoom en el rectángulo rojo de B & E. Por favor, haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-90
Figura 4 : Respuesta de celda solar después de la preamplificación con tres tiempos de aumento de filtro diferentes (10 s - azul, 100 s - rojo, 1 ms - verde) en el preamplificador. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figure-results-91
Figura 5 : Procesamiento de señal por el amplificador de bloqueo31. figure-results-92 es la entrada de señal figure-results-93 del DUT y es la señal de referencia delhelicóptero. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.   

figure-results-94
Figura 6 : Fijación de RMS amplificada figure-results-95 con frecuencias figure-results-96 de corte del filtro de paso bajo 466,7 kHz (azul), figure-results-97 1 kHz (púrpura), figure-results-98 10,27 Hz (rojo) y filtro constante de 48 dB/oct. El DUT era una célula solar Cu(In,Ga)Se2 con luz de polarización (A, B, C, D) y sin (E, F, G, H) aplicada. Los tiempos en que la viga de fotón picada se encendió y desapagaba se indican en las figuras como líneas discontinuas verticales. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.  

figure-results-99
Figura 7 : Efecto de los ajustes de filtro de paso bajo en el amplificador de bloqueo. A - Atenuación por el filtro de paso bajo en elfigure-results-100 dominio figure-results-101 de frecuencia para dos constantes de tiempo (ms y ms) y para los pedidos de filtro 1 a 8. B - Respuesta de señal transmitida del filtro de paso bajo en figure-results-102 el dominio de tiempo, en unidades de la constante de tiempo, para las figure-results-103 órdenes de filtro 1 a 8 en el cambio de paso-como de la señal de entrada de 0 a 1 en el tiempo 0 y de 1 a 0 en el tiempo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.  

figure-results-104
Figura 8 : Medición de Fly-scan de una célula solar Cu(In,Ga)Se2 en la línea de haz P06 en PETRA III, tomada a 15.25 keV de energía fotón con un flujo enfocado de alrededor de figure-results-105 ph/s. El PA se   figure-results-106 utilizó con 106 V/A,y el LIA con figure-results-107 Hz (48 dB/oct). A - tiempo de permanencia, B - flujo de fotones, C - corriente inducida por haz de rayos X (XBIC); Mapa XBIC normalizado a: D - tiempo de permanencia, E - flujo de fotones normalizado a su valor medio, F - tiempo de permanencia y flujo de fotones normalizado. G – señal XBIC normalizada después de la conversión de la tasa de recuento a la corriente usando Eq. (1). Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 

figure-results-108
Figura 9 : Mediciones de corriente inducida por haz de rayos X (XBIC) y fluorescencia de rayos X (XRF) de una célula solar Cu(In,Ga)Se 2, tomada en la línea de haz ID16B en la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón con un flujo focalizado en el orden de figure-results-109 ph/s. El PA se figure-results-110 utilizó con V/A, el LIA con figure-results-111 Hz (48 dB/oct). La energía del haz era de 10,4 keV, la frecuencia del helicóptero era de 1177 Hz y el filtro de paso bajo se cortó a 40 Hz. El tiempo de permanencia era de 100 ms y el tamaño del píxel era de 40 nm x 40 nm. Los mapas A, B, E y F fueron tomados al mismo tiempo; C y D son retakes después de 50 min y 113 min, con 50 mV de tensión de sesgo hacia adelante y hacia atrás aplicada, respectivamente. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.      

figure-results-112
Figura 10 : Medición multimodal de una célula solar Cu(In,Ga)Se 2, tomada en la línea de haz P06 en PETRA III con un flujo focalizado de aproximadamente figure-results-113 ph/s. La energía del haz era de 15,25 keV, la frecuencia del helicóptero era de 8015 Hz y el tamaño de píxel 50 nm x 50 nm. A - Corriente inducida por haz de rayos X (XBIC) medida con figure-results-114 un tiempo de permanencia de figure-results-115 0,01 s, un PA con 106 V/A y un LIA con Hz (48 dB/oct); B - Tensión inducida por haz de rayos X (XBIV) que cubre la misma área que figure-results-116 el panel A, medida con un tiempo de permanencia de 0,5 s y una LIA con Hz (48 dB/oct); C - Tasa de recuento de Cu de una medición de fluorescencia de rayos X (XRF), tomada simultáneamente con la medición XBIV. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.         

figure-results-117
Figura 11 : Medición multimodal de un nanohilo CdS con contactos Pt, tomada en la línea de haz 26-ID-C de la Fuente Avanzada de Fotones con una energía de haz de 10.6 keV. A - Distribución de Pt y Cd a partir de una medición de fluorescencia de rayos X. B - Medición de corriente inducida por haz de rayos X (XBIC) tomada simultáneamente con la medición XRF, sin amplificación de bloqueo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 

figure-results-118
Tabla 1: Para los filtros RC de tiempo discreto de los pedidos 1 a 8, el producto de la constante de tiempo y la frecuencia, en la que la señal se atenúa en un 5% (figure-results-119), 50% (figure-results-120) y 95% (figure-results-121), es constante y se da en la parte superior . En la parte inferior, se da el retardo defigure-results-122tiempo, dentrofigure-results-123del cual lafigure-results-124señal alcanza el 5% ( ), 50% ( ), y 95% ( ), en unidades de la constante figure-results-125 de tiempo y de la frecuencia figure-results-126 de corte inversa . Por favor, haga clic aquí para descargar este archivo de Excel.

XBICEBICLBIC
Capacidad multimodal++++
Resolución espacial++++-
Profundidad de penetración++--+
Disponibilidad---+
Daños en la muestra---++

Tabla 2: Evaluación cualitativa de la corriente inducida por haz de rayos X (XBIC), corriente inducida por haz de electrones (EBIC) y corriente inducida por haz láser (LBIC).

Discusión

En este capítulo, analizamos en primer lugar la relevancia de los ajustes generales de medición XBIC con respecto al ruido (a) y la velocidad de escaneo (b). A continuación, ponemos las mediciones XBIC en el contexto de las mediciones multimodales y discutimos aspectos del daño inducido por haz de rayos X (c) y desafíos específicos relacionados con mediciones simultáneas de múltiples parámetros (d). Por último, comparamos las mediciones XBIC con las mediciones relacionadas utilizando haces de electrones y láser como sondas (e).

(a) Ruido y error

Aunque la amplificación de bloqueo permite una mayor relación señal-ruido en comparación con la amplificación directa, es fundamental evitar la introducción de ruido en todos los niveles como se ha subrayado repetidamente a lo largo de este manuscrito. Para más discusión, nos referimos a la literatura sobre la medición de pequeñas señales eléctricas42,43,44,45. Aunque los amplificadores de bloqueo de última generación se basan en el procesamiento de señal digital hoy en día, la mayoría de las estrategias para reducir el ruido mediante amplificadores de bloqueo analógicos siguen aplicándose.

En resumen, debe tenerse en cuenta que los cables son propensos a actuar como antenas y, por lo tanto, introducir ruido en el sistema. Esto es particularmente cierto en el entorno de las nanosondas de rayos X, donde los campos electromagnéticos fuertes son a menudo inevitables, sus fuentes pueden incluso permanecer desconocidas. Como consecuencia, los cables deben mantenerse lo más cortos posible y orientados de modo que se minimice el nivel de ruido inducido. El blindaje adicional de los cables de señal puede reducir aún más el nivel de ruido.

El contacto adecuado del DUT es igualmente importante para la minimización del ruido. Un método limpio y robusto con puntos de contacto pequeños es la unión de cables. Para las células solares TF, esto no siempre funciona debido a problemas de adhesión. Alternativamente, la cinta conductora basada en grafito, cobre o aluminio es adecuada para muestras más grandes. En muchos casos, los mejores resultados se obtienen con la aplicación manual de pintura plateada para poner en contacto con alambres finos de cobre, oro o platino al dispositivo. Mientras que la cinta y la pasta de grafito podrían no dar el mejor contacto, la pintura plateada puede cortocircuitar fácilmente el dispositivo y tiene que ser depositada con el máximo cuidado. La cinta de poliimida se puede utilizar para evitar cortocircuitos en el contacto frontal y posterior.

Tenga en cuenta que el diseño del cableado desde el contacto hasta el transporte de señales debe adaptarse a las condiciones de límite específicas de la línea de haz. Por ejemplo, el diseño representado en la Figura 1 con la señal preamplificada que se divide en el LIA y a los convertidores V2F es riesgoso, si los convertidores V2F se encuentran fuera de la cabaña. En este caso, el cable largo entre el preamplificador y el convertidor V2F puede captar el ruido que se transfiere al LIA. Por lo tanto, distinguimos tres casos de rutas de señal comunes para mediciones XBIC o XBIV:

Caso A: XBIC se mide con un preamplificador, y la señal CC/AC se divide después del PA como se muestra en la Figura1. En este caso, un desplazamiento de corriente se puede aplicar en el PA de modo que la señal sea siempre positiva, evitando la necesidad de registrar la señal positiva y negativa a través de dos convertidores V2F separados. Como inconveniente, esto reduciría el rango de aceptación de voltaje disponible en el LIA y conduciría a una sensibilidad reducida.

Caso B: Evitar la división de la señal preamplificada, que sólo es entrada a la LIA, se puede utilizar un demodulador adicional en el LIA con un filtro de paso bajo en el valor máximo (es decir, no bloquear la frecuencia de modulación) de modo que el demodulador adicional se puede utilizar en el LIA con un filtro de paso bajo en el valor máximo (es decir, no bloquear la frecuencia de modulación) de modo que el demodulador adicional se puede utilizar en el LIA con un filtro de paso bajo en el valor máximo (es decir, no bloquear la frecuencia de modulación) de modo que el demodulador adicional se puede utilizar en el LIA con un filtro de paso bajo en el valor máximo (esdecir, no bloquear la frecuencia de modulación) de modo que el demodulador adicional se puede utilizar en el LIA con un filtro de paso bajo en el valor la señal preamplificada se puede enviar eficazmente a la unidad DAQ como se muestra en la Figura 6A,E. En este caso, se puede aplicar un desplazamiento de tensión en la salida tanto a la señal de CA como de CC, evitando la necesidad de grabar la señal positiva y negativa a través de dos convertidores V2F separados. Esto no tiene inconvenientes importantes aparte de una reducción del rango de frecuencia disponible del V2F, que rara vez es limitante.

Caso C: XBIV se mide y la señal CC/AC se divide entre el DUT y el amplificador de bloqueo. En este caso, no se puede aplicar ningún desplazamiento de tensión en la señal de CC sin aplicar una tensión de polarización no deseada en el DUT, de modo que siempre se requieren dos convertidores V2F separados para las partes de señal positivas y negativas.

En todos los casos, donde las partes negativas y positivas de una señal se registran a través de dos convertidores V2F diferentes, la señal XBIC o XBIV total se obtiene como la diferencia entre el canal positivo y el negativo. Si un LIA con dos o más demoduladores está disponible, normalmente preferimos el caso B, ya que minimiza el cableado de la señal bruta y permite cambiar fácilmente entre mediciones XBIC y XBIV.

El error de las mediciones XBIC depende en gran medida del equipo y la configuración utilizado, de modo que no se puede dar ninguna cuantificación de errores aquí. El error absoluto es mayor de lo que uno podría esperar debido a errores experimentales y sistemáticos. Esto es particularmente cierto si la señal XBIC se convierte en eficiencia de cobro de carga mediante el escalado con una constante como se describe en el protocolo. Por ejemplo, la relación empírica entre el bandgap y la energía de ionización descrita por el valor de la unidad (véase Eq. 4) sufre de una dispersión significativa; Las mediciones de flujo de fotón a menudo no están disponibles con errores absolutos por debajo del 10%; y la estructura nanoscópica del DUT es poco conocida. Sin embargo, enfatizamos que la fuerza de las mediciones XBIC y XBIV amplificadas de bloqueo radica en la gran precisión relativa dentro de mapas o mediciones comparables.

(b) Velocidad de escaneo

En muchos modos de medición que se basan en la detección de fotones, como la dispersión de rayos X o X, la intensidad de la señal aumenta en la primera aproximación linealmente con el tiempo de adquisición, con una relación señal-ruido aumentada. Esto no es cierto para las mediciones XBIC, donde la ventana de posibles velocidades de escaneo no está dictada por las estadísticas de recuento, sino por consideraciones más complejas como la dinámica del portador y la estructura del dispositivo.

Sin embargo, las mediciones lentas con muchos períodos de señal modulada por píxel suelen conducir a la mejor relación señal-ruido en las mediciones XBIC amplificadas de bloqueo, y el sobremuestreo con suavizado durante el post-procesamiento (por ejemplo, binning o aplicando filtros) pueden reducir aún más los niveles de ruido si el tiempo de medición lo permite. Sin embargo, aparte de las consideraciones de rendimiento, las restricciones adicionales pueden establecer límites más bajos a la velocidad de medición, incluyendo: (1) degradación inducida por haz de rayos X (ver la siguiente sección), o cambios de muestra inducidos por el entorno durante el in situ las mediciones a menudo reducen el tiempo de permanencia permitido. (2) La deriva de la muestra y la reproducibilidad de los movimientos de la etapa pueden ser limitantes, especialmente para las mediciones a nanoescala. (3) Las variaciones del nivel de ruido electromagnético pueden ser sufdar por mediciones más rápidas. (4) Mientras que las mediciones de recuento de fotones se pueden normalizar fácilmente al flujo de fotones incidente, la señal XBIC (y más aún la señal XBIV) es sólo en cierta medida lineal al flujo de fotones incidente28. Por lo tanto, la normalización al flujo de fotones solo compensa parte de los efectos de la variación de flujo de fotones, y se debe evitar tomar mediciones XBIC (como mapas o series temporales) mientras que el flujo es variado. Esto es particularmente un problema cuando el anillo de almacenamiento se llena durante un mapa XBIC.

Si la velocidad de medición XBIC no se rige por otros modos de medición (véase la sección (d)), las mediciones XBIC se toman normalmente con la velocidad máxima que proporciona una relación señal-ruido satisfactoria. Los límites superiores a la velocidad de medición se indican mediante las siguientes restricciones: (1) Un límite superior fundamental a la velocidad de medición es el tiempo de respuesta del DUT. En última instancia, el tiempo de respuesta está limitado por el tiempo de cobro de carga. Para la mayoría de las células solares de película delgada con una vida útil de portadora de carga en el rango de nano o microsegundos, esto no es crítico, pero esto debe tenerse en cuenta para las células solares de silicio cristalino de alta calidad con una vida útil de varios milisegundos. Sin embargo, los efectos de capacitancia pueden aumentar el tiempo de respuesta también de las células solares TF de tal forma que puede limitar la velocidad de medición. (2) Las cuchillas giratorias del helicóptero que se utilizan para modular el haz de rayos X tienen límites de velocidad superiores. Dependiendo de su ubicación en el haz de rayos X, el tamaño del haz puede ser de hasta 1 mm de ancho, lo que define el período mínimo de la hoja. Si el helicóptero funciona en vacío, la frecuencia de rotación rara vez es limitante, igualando en algunos casos incluso la frecuencia de electrones-bunch. Sin embargo, el funcionamiento de los helicópteros a tales velocidades en vacío es un reto, de modo que la mayoría de los helicópteros se operan en el aire. En este caso, la velocidad de rotación está limitada por las vibraciones mecánicas y, en última instancia, por la velocidad de la parte más alta de la hoja que debe ser más pequeña que la velocidad del sonido. En nuestra experiencia, la frecuencia de corte se limita a menudo a 7000 Hz en el aire. (3) En muchos casos, el tiempo de respuesta del PA establece el límite superior de la velocidad de medición. Tal y como se muestra en de la Figura4, se requieren tiempos de subida rápidos del PA para traducir la modulación de la señal desde el helicóptero. Para una amplificación grande, se utilizan amplificadores de corriente de bajo ruido, que tienen tiempos de elevación de hasta 100 ms. Con tales tiempos de subida, la frecuencia de corte puede limitarse a pocos Hz, lo que requeriría tiempos de permanencia de varios segundos. Por lo tanto, la mejor estrategia es a menudo elegir una amplificación más baja por el PA con un tiempo de respuesta más rápido que coincida con la frecuencia de corte. Aunque esto se traduce en niveles de señal a ruido más pequeños después de la preamplificación, la amplificación de bloqueo a menudo todavía puede recuperar una señal modulada de alta calidad.

Por ejemplo, el PA utilizado proporciona un ancho de banda de más de 10 kHz para la amplificación en el rango de A/V, incluso para el ajuste de bajo ruido37. Esto permite cortar en el rango de kHz y velocidades de medición hasta el rango de 100 Hz con un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte entre la frecuencia de escaneo y corte. Estas son condiciones de medición que utilizamos a menudo.

Para evitar artefactos de medición, es de vital importancia analizar la señal a lo largo de la cadena de amplificación: mientras que la limitación por el filtro de paso bajo de la LIA se puede detectar fácilmente como artefactos de línea en los mapas (manchando la señal XBIC a través de varios píxeles), la respuesta del sistema del DUT y pa requiere la inspección de la señal por un alcance, que se puede integrar en el LIA.

(c) Daño en la viga

El daño inducido por el haz de rayos X es un problema común y se ha discutido para muchos sistemas, desde muestras biológicas hasta células solares de silicio y detectores46,47. Aunque los semiconductores inorgánicos son generalmente más robustos contra la irradiación de rayos X en comparación con semiconductores orgánicos o sistemas biológicos, el daño inducido por el haz de rayos X también es común en las células solares de película delgada. Específicamente, hemos observado el daño inducido por haz de rayos X de células solares con CdTe, CIGS29,perovskita18y capas absorbentes orgánicos. Tenga en cuenta que la respuesta electrónica de DUT como las células solares es sensible a las concentraciones de defectos por debajo del nivel de ppm, donde la recombinación de portadora de carga afecta el rendimiento sin daño químico aparente.

Por lo tanto, generalmente se requiere probar la sensibilidad de un DUT al daño del haz. En la práctica, evaluamos la degradación inducida por el haz de rayos X de cualquier DUT antes de las mediciones XBIC reales, y establecemos condiciones que permiten que las mediciones sean las menos influenciadas por los efectos de degradación.

Existen diferentes estrategias para hacer frente al daño inducido por el haz de rayos X, pero lo que todos tienen en común es que tienen como objetivo reducir la dosis de radiación en un punto de medición antes de la evaluación del rendimiento allí. En otras palabras, el objetivo es evitar la degradación siguiendo el paradigma "medida más rápido que el DUT se degrada". Las estrategias incluyen: (1) Utilizar tiempos de permanencia cortos. (2) Aumente el tamaño del paso, reduciendo la resolución de medición. (3) Reduzca la intensidad del haz de rayos X mediante filtros de atenuación. Dependiendo de la línea de haz y DUT, se pueden elegir diferentes enfoques o una combinación de los mismos. Por ejemplo, la falta de persianas rápidas o modos de escaneo de vuelo excluyen (1), y los perfiles de haz de rayos X de difusión amplia, como los generados por las placas de zona, pueden provocar una degradación significativa muy lejos de la posición del haz central.

Afortunadamente, la mayoría de los mecanismos de degradación solo conducen a una recombinación de portadora de carga mejorada localmente. Esto limita el efecto lateral de la degradación a la longitud de difusión de los portadores de carga, y las mediciones XBIC más alejadas de las áreas degradadas no se ven afectadas. Si, en cambio, los mecanismos de degradación conducen a la derivación local del DUT, otras mediciones XBIC se verían seriamente obstaculizadas. Para mantener la dosis de radiación depositada al mínimo, las mediciones críticas deben realizarse primero en un lugar nuevo y luego, los métodos hambrientos de fotones, como XRF, que son más indiferentes al daño del haz, pueden ser utilizados en el mismo lugar.

(d) Mediciones multimodales

La compatibilidad de XBIC con otros modos de medición permite la correlación directa punto por punto del rendimiento eléctrico con los parámetros evaluados simultáneamente23. Aquí, en breve discutimos la combinación de mediciones XBIC con mediciones XBIV, XRF, SAXS, WAXS y XEOL. La combinación con otros modos de medición como el rendimiento de electrones o la holografía se puede imaginar fácilmente, pero estos modos no son generalmente compatibles con las configuraciones o modos de las mediciones de escaneo.

Incluso si la disposición geométrica de detectores y muestras para la medición simultánea de XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS y XEOL es posible, hay aspectos fundamentales y prácticos que prohíben la evaluación simultánea de todos los modos.

(1) El estado de la célula solar prohíbe la medición simultánea de mediciones XBIC (circuito corto) y XBIV (circuito abierto). Como XEOL48,49 mide la recombinación radiativa de pares de electrones-agujero, una corriente medida de la célula solar (XBIC) sería un proceso competitivo. Por lo tanto, las mediciones XEOL se llevan a cabo típicamente bajo condición de circuito abierto, que es compatible con mediciones XBIV simultáneas.

(2) Si el daño de la viga es un problema para las mediciones XBIC o XBIV, no pueden combinarse con técnicas hambrientas de fotones como XRF o XEOL. Como regla general, los efectos de daño del haz son visibles primero en el rendimiento eléctrico (XBIC y XBIV) y el óptico (XEOL), siendo sensibles a la recombinación de la portadora de carga a través de defectos electrónicos. En segundo lugar, se producen daños estructurales (visibles en SAXS y WAXS), seguidos de la modificación de la composición visible en XRF.

(3) Aunque cortar el haz de rayos X es generalmente compatible con todos los modos de medición, puede conducir a artefactos: en primer lugar, el flujo de fotón integrado por píxel varía según el flujo integrado que pasa la rueda del helicóptero en un período. Este efecto se hace más grande con una relación menor entre el corte y la frecuencia de escaneo. En segundo lugar, la interacción entre la rueda del helicóptero y el haz de rayos X puede conducir a fotones dispersos, difractados y fluorescentes. En tercer lugar, el flujo de fotones integrado se reduce en un 50%, lo que es particularmente crítico para los modos de medición con hambre de fotones.

Como consecuencia de estas consideraciones, el esquema de medición ideal depende del DUT dado y de la priorización de los modos de medición. Sin embargo, a menudo es aconsejable comenzar con una medición optimizada para XBIC. Si se requiere XBIV amplificado de bloqueo, este suele ser el segundo análisis. De lo contrario, el helicóptero se puede quitar, y todas las demás mediciones, incluyendo XBIV estándar, se pueden realizar con un tiempo de permanencia más largo según sea necesario para la técnica más hambrienta de fotones. Idealmente, los datos XRF se miden durante todos los escaneos, lo que permite el registro de imágenes en el postprocesamiento para tener en cuenta la deriva de la muestra.

(e) Diferentes sondas para mediciones inducidas por haz

Existen sondas alternativas a los haces de rayos X para la evaluación del rendimiento eléctrico resuelto espacialmente de un DUT con ventajas y desventajas específicas. Por lo tanto, en la Tabla 2se ofrece una comparación cualitativa de XBIC con corriente inducida por haz de electrones (EBIC) y corriente inducida por haz láser (LBIC) medida en microscopios electrónicos o con configuraciones ópticas.

La generación de pares de electrones-agujeros por un láser se acerca más a la operación exterior de las células solares. Sin embargo, la resolución espacial de LBIC está fundamentalmente limitada por la longitud de onda del láser. Las mediciones EBIC ofrecen una mayor resolución espacial que normalmente está limitada por el radio de interacción del haz de electrones con el DUT. El principal inconveniente de las mediciones EBIC es su sensibilidad superficial, lo que dificulta la evaluación del rendimiento de la capa absorbente a través de la pila de capas o incluso en dispositivos encapsulados. Además, las superficies desiguales del DUT en combinación con efectos de emisión de electrones secundarios no lineales a menudo conducen a resultados EBIC distorsionados. Por el contrario, las mediciones XBIC apenas sufren de variaciones topológicas, ya que la mayoría de la señal se genera profundamente en el material a granel y los efectos de carga superficial se mitigan mediante la puesta a tierra adecuada.

Las tres técnicas inducidas por haces tienen en común que la inyección de carga es altamente inhomogénea, alcanzando el pico en la posición del haz. Como consecuencia, el exceso de concentración de portadora y la densidad de corriente se distribuyen de forma no homogénea. En una imagen simplificada, la mayoría de la célula solar opera en la oscuridad, y un pequeño punto opera a un alto nivel de inyección que puede alcanzar cientos de equivalentes solares para haces enfocados. La distribución a nivel de inyección depende no sólo del tamaño y la forma del haz, sino también de la energía del haz, la pila del dispositivo y la estructura de tiempo de la inyección. Hasta ahora, el haz de rayos X se ha tratado como un haz continuo, lo que se justifica para los procesos de recolección de portadoras de carga que son más lentos que los microsegundos. Sin embargo, los rayos X de origen sincrotrón consisten en pulsos de menos de 100 p con intensidades y frecuencia de pulso según el patrón de llenado del anillo de almacenamiento. Aunque no hemos notado ningún impacto del patrón de relleno en mediciones XBIC comparativamente lentas, el nivel de inyección a corto plazo depende de él. Por el contrario, se puede hacer uso de la estructura de tiempo de los rayos X: similar como se ha demostrado para XEOL21resuelto en el tiempo, se pueden imaginar mediciones XBIC o XBIV resueltas en el tiempo, o bloquear la señal XBIC/XBIV en la frecuencia del grupo de electrones.

Una discusión adecuada de las consecuencias de los niveles de inyección inhomogéneas requiere una simulación 3D completa de todos los parámetros pertinentes del haz y del dispositivo, incluida la convolución del nivel de inyección dependiente del tiempo con la movilidad 3D y la vida útil en el DUT, que está fuera del alcance de este manuscrito. Sin embargo, es conceptualmente lo mismo para todas las mediciones de corriente y voltaje inducidas por hace y nos referimos a la literatura que analiza la dependencia a nivel de inyección de las mediciones EBIC50 y LBIC51.

Las consecuencias negativas de la inyección de carga local pueden mitigarse experimentalmente mediante la aplicación de luz de polarización con la intensidad de 1 sol equivalente, y la excitación inducida por haz añadiendo sólo una cantidad insignificante de portadores de carga excesiva. En la práctica, este concepto está tecnológicamente limitado por la reserva dinámica de 100-120 dB en amplificadores de bloqueo de última generación, que corresponde a una relación señal-ruido de 105 a 106. Si bien esto es suficiente para dispositivos de tamaño comparable al tamaño del haz, no permite la aplicación de luz de polarización en niveles relevantes para dispositivos macroscópicos. La solución obvia es disminuir el tamaño de la muestra. Desafortunadamente, esto a menudo está limitado por efectos de borde eléctrico hasta varios cientos de micrómetros de la frontera de la muestra o puntos de contacto.

Tenga en cuenta también que se puede hacer uso de la dependencia a nivel de inyección de las mediciones XBIC: similar a EBIC y LBIC, la realización de series a nivel de inyección mediante la variación de la intensidad del haz de rayos X puede revelar información sobre los mecanismos de recombinación dominantes y la carga portadora de difusión52,53.

En conclusión, la profundidad de penetración de los rayos X combinado con la alta resolución espacial hace que XBIC sea la técnica más adecuada para estudiar el DUT con estructuras enterradas como células solares TF en un enfoque correlativo de microscopía. El radio de interacción de las mediciones XBIC suele ser menor que para EBIC, y la resolución espacial suele estar limitada por la longitud de difusión de los portadores de carga. El principal inconveniente de las mediciones XBIC es la disponibilidad limitada de nanosondas de rayos X.

Divulgaciones

Los autores no tienen nada que revelar.

Agradecimientos

Reconocemos en gran medida a J. Garrevoet, M. Seyrich, A. Schropp, D. Br-ckner, J. Hagemann, K. Spiers, y T. Boese de los Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) y A. Kolditz, J. Siebels, J. Fl-gge, C. medidas de apoyo en la línea de haz P06 en PETRA III, DESY; M. Holt, Z. Cai, M. Cherukara y V. Rose del Laboratorio Nacional de Argonne (ANL) para apoyar mediciones en la línea de viga 26-ID-C en la Fuente Avanzada de Fotones (APS) en ANL; D. Salomon y R. Tucoulou de la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (ESRF) para apoyar mediciones en la línea de haz ID16B en ESRF; R. Farshchi, D. Poplavkyy y J. Bailey de MiaSolé Hi-Tech Corp., y E. Avancini, Y. Romanyuk, S. B-cheler y A. Tiwari de los Laboratorios Federales Suizos de Ciencia y Tecnología de Materiales (EMPA) para proporcionar células solares. Reconocemos a DESY (Hamburgo, Alemania), miembro de la Asociación Helmholtz HGF, por la provisión de instalaciones experimentales. Reconocemos la Instalación Europea de Radiación Sincrotrón (Grenoble, Francia) para el suministro de instalaciones de radiación sincrotrón. Esta investigación utilizó recursos de la Advanced Photon Source, una Oficina de Usuarios de Ciencia del Departamento de Energía de los Estados Unidos (DOE, por sus aires) operada para la Oficina de Ciencia del DOE por el Laboratorio Nacional de Argonne bajo el Contrato No. DE-AC02-06CH11357.

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo
NombreEmpresaNúmero de catálogoComentarios
Cableado y conectoresDe los proveedores de cables de Generall
Cuchilla picadoraThorlabs MC1F10HPAdemás de la compatibilidad técnica de la rueda picadora con el sistema picador, debe comprobarse que la cuchilla picadora bloquea suficientemente el haz de rayos X.
Pintura de plata conductoraConrad530042Los productos alternativos se pueden obtener de Pelco y otros
Alambres de cobreDe los
Preamplificador de corrienteStandfordSR570Las alternativas incluyen el picoamperímetro Keithley 487 o 6487.
Dispositivo bajo prueba (DUT)Dispositivo adecuado para mediciones XBIC.
Soporte con placaDiseño personalizado
Montaje de muestra cinemáticaThorlabsKB25/MOpcional, permite un fácil posicionamiento y cambio de la muestra. Las alternativas incluyen el M-BK-1A de Newport
Lock-in AmplifierZurich InstrumentsUHFLI o MFLIMientras que el MFLI tiene preamplificadores de corriente incluidos, el UHFLI requiere un preamplificador de corriente externo pero ofrece más opciones. Por lo tanto, se utilizó el UHFLI para el experimento presentado.
Unidad de control de medición/adquisición deDisponible en diferentes sincrotrones.
Picador ópticoThorlabsMC2000B(-EC)Las alternativas incluyen los picadores SR540 de Stanford Research Systems, o el modelo 3502 de Newport.
de poliimidaDisponibles rollos con diferentes anchos y grosores,
fuentedisponible en diferentes sincrotrones
BNC proveedores de cables para el contacto de la célula solar de circuito impreso datos Cinta de rayos X, .

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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)].

Etiquetas

Amplificaci n mediante detector Lock inFluorescencia de rayos XRendimiento de la c lula solarEficiencia de recolecci n de cargaModulaci n mediante chopper pticoRelaci n se al ruidoAplicaci n de luz de polarizaci nMapeo de dispositivos a nanoescala

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