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

Los rayos X inducen una corriente en muchos dispositivos electrónicos. Muy parecido a los fotones visibles en células solares fotovoltaicas. La señal se denomina corriente inducida por haz de rayos X.

En otras palabras, los dispositivos de prueba funcionan como detectores de rayos X y XBIC produce el rendimiento del dispositivo local. XBIC combina la alta resolución especial de la corriente inducida por haz de electrones con una alta profundidad de penetración de la corriente inducida por rayo láser. Esta combinación produce el rendimiento local incluso en estructuras variadas como en células solares encapsuladas con alta resolución.

A partir de la señal XBIC, podemos determinar la eficiencia de la recolección de carga resuelta espacialmente, que es fundamental para el rendimiento eléctrico de los dispositivos semiconductores. Por lo tanto, en principio, las mediciones XBIC se pueden realizar en todos los sistemas que muestran respuesta eléctrica en su espacio, como células solares, detectores de rayos X, en nanoamágenes de semiconductores. Tomar mediciones XBIC es realmente sorprendentemente simple si sigue la ruta de la señal desde el dispositivo a los amplificadores y la adquisición de datos.

Comience diseñando un portacuchillas para proporcionar la máxima libertad a la colocación de diferentes detectores en las proximidades. Coloque el soporte de muestra en una base cinemática para permitir un fácil reposicionamiento de las muestras con la posición del micrómetro. Utilice una placa de circuito impreso que haya sido diseñada para que pueda utilizarse como soporte para el dispositivo electrónico para mediciones XBIC.

A continuación, pegue el dispositivo electrónico que se va a probar en la placa de circuito impreso. Preste atención para evitar cortocircuitos utilizando cinta de poliimida. Fije los cables de contacto también con cinta adhesiva.

Conecte el contacto ascendente que está frente al haz de rayos X incidente con el escudo del cable coaxial. Entonces, conecte el contacto descendente con el núcleo del cable coaxial. A continuación, monte la placa de circuito impreso en el soporte de muestra.

A continuación, monte el portacuchillas en la etapa de muestra. Conecte la muestra a través del conector BNC en el soporte de muestra. Coloque el cableado de forma que ninguna pieza de montaje o cableado bloquee el haz de rayos X incidente o cualquier detector.

Asegúrese de que el cableado de la muestra esté aliviado de tensión para que no restrinja los movimientos de la muestra. Compruebe que la muestra esté bien conectada a tierra. Ahora gire el escenario de manera que el plano de interés sea perpendicular a la viga incidente.

Esto minimizará la huella del haz y maximizará la resolución espacial. Si va a realizar mediciones multimodales, coloque los detectores alrededor de la muestra, por ejemplo, para mediciones de fluorescencia de rayos X. A continuación, mida la amplitud de la señal del dispositivo de prueba para probar el rango de la señal en diferentes condiciones.

Coloque un preamplificador cerca de la muestra y conéctelo a una unidad de control fuera de la cabaña. Esto permitirá modificaciones de configuración remota sin necesidad de volver a entrar en la cabaña y guardará automáticamente los ajustes de amplificación. Conecte el preamplificador a un circuito de alimentación limpia y enciénelo.

Asegúrese de que la amplitud de la señal del dispositivo de prueba coincida con el rango de entrada del preamplificador. Es una buena práctica mantener la amplificación del preamplificador en la sensibilidad mínima siempre que no se esté realizando ninguna medición para evitar la saturación accidental. Ahora conecte el dispositivo de prueba al preamplificador.

Dada la pequeña amplitud de la señal, es fundamental mantener el cableado corto y a una distancia de las fuentes de ruido. A continuación, divida la señal preamplificada en tres ramas de señal paralelas. Estos se utilizan para registrar por separado los valores de CC positivos y negativos, junto con los componentes de CA modulados.

Conecte el amplificador de bloqueo a una unidad de control fuera de la cabaña. Enciénelo desde un circuito de energía limpia. Asegúrese de que la salida del preamplificador coincide con la entrada del amplificador de bloqueo en todas las condiciones.

Aquí la salida máxima del preamplificador es de 10 voltios, pero el rango de entrada máximo del amplificador de bloqueo es de 1,5 voltios. Por lo tanto, pruebe la amplitud de la señal después del preamplificador y asegúrese de que el rango de entrada del amplificador de bloqueo esté en su máximo. A continuación, conecte la salida del preamplificador a la entrada del amplificador de bloqueo.

Monte el helicóptero de rayos X en una etapa motorizada con la capacidad de entrar y salir del haz de rayos X y alimentarlo a través del controlador de helicóptero. Conecte el helicóptero a la unidad de control, en este caso a través del amplificador de bloqueo. A continuación, conduzca el helicóptero óptico con la frecuencia de demodulación del amplificador de bloqueo.

A continuación, conecte la salida del amplificador de bloqueo a un convertidor de voltaje a frecuencia. A continuación, emita la amplitud media-cuadrada de la raíz R de la señal amplificada de bloqueo como la señal de CA analógica del dispositivo. Asegúrese de que el dispositivo sometido a prueba esté protegido de todas las luces de la cabaña.

Busca en la cabaña. Por favor, salgan de la zona. Atención, por favor, note que se encienda.

Y encienda el haz de rayos X. Si todo está configurado correctamente, y el haz de rayos X golpea la muestra, una señal XBIC modulada será visible. Adapte la amplificación del preamplificador y el rango de entrada del amplificador de bloqueo para que coincidan.

Asegúrese de que la respuesta del preamplificador sea lo suficientemente rápida para la frecuencia de helicóptero elegida. Se debe observar una señal XBIC rectangular. Si un retardo fuerte es visible, la frecuencia del helicóptero debe reducirse o el tiempo de subida del filtro del preamplificador debe ajustarse.

Establezca la frecuencia de filtro de paso bajo del amplificador de bloqueo al mínimo que sea compatible con la velocidad de escaneo. A continuación, maximice la señal amplificada con respecto al haz de relación encendido y apagado y con respecto a la relación señal-ruido. La configuración ya está lista para mediciones XBIC.

Vaya a un punto prístino en la muestra e inicie la medición. 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. Aquí, el dispositivo preamplificado bajo respuesta de prueba se muestra medida por un alcance sin y con una luz de polarización encendida.

A pesar de la presencia de fuertes componentes de ruido o engaño inducidos por luz de polarización o voltaje, es posible extraer la señal de corriente inducida por haz de rayos X modulada de la señal de fondo, incluso si se trata de órdenes de magnitud más pequeñas. Comparando estas dos imágenes, observe una señal de desplazamiento en el orden de ocho milivoltios que se desplaza a menos 65 milivoltios encendiendo la luz de polarización de los tubos fluorescentes. Además, la variación de la señal en escalas de tiempo cortas se ve significativamente mejorada por la luz de polarización.

Con los ajustes apropiados, tanto el desplazamiento como la modulación de alta frecuencia se pueden mitigar. Sin embargo, todas las fuentes de sesgo no intencional, como la iluminación ambiental y el ruido electromagnético, deben eliminarse para una mayor relación señal-ruido. Estos gráficos resaltan el efecto de la luz de polarización y diferentes ajustes de filtro de paso bajo en la amplitud RMS amplificada de bloqueo.

Para una frecuencia de escaneo alta, la frecuencia de corte del filtro de paso bajo debe ser lo más alta posible, pero la señal más alta a los ruidos obtenidos con frecuencias de corte bajas. En este caso, un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte igual a 10,27 Hertz ofreció el mejor compromiso para escanear a dos Hertz moderados. Aquí, puede ver el impacto de la amplificación de bloqueo en la relación señal-ruido en las mediciones de corriente inducidas por haz de rayos X.

El ruido de la señal directa es evidente y la señal amplificada de bloqueo muestra características finas con buen detalle. Para el análisis cuantitativo, la forma de la señal XBIC modulada debe representar la forma de la intensidad de rayos X modulada. Por lo tanto, es importante optimizar la frecuencia del helicóptero y los filtros de paso bajo con respecto a eso.

La amplificación de bloqueo nos permite medir dispositivos bajo diferentes condiciones. Por ejemplo, podemos aplicar voltaje de polarización o luz de polarización. En última instancia, esto nos permite medir toda la curva IV con alta resolución espacial en el nanoscape.

XBIC es particularmente útil cuando lo combinamos con otras técnicas. Por ejemplo, con difracción de fluorescencia de rayos X, taquigrafía o luminiscencia óptica excitada por rayos X. Si combinamos todo eso, podemos resolver y desconvolucionar la estructura de la composición y el rendimiento.

Aparte de las precauciones generales que se deben tomar al tratar con energía eléctrica y rayos X intensos, no hay riesgo específico en la realización de mediciones XBIC para el funcionamiento al menos la muestra, sin embargo, puede morir debido a daños por radiación. Con fuentes limitadas de difracción, como petra cuatro, el flujo de rayos X nanofoto aumentará por órdenes de magnitud. Esto aumentará la relación señal-ruido de la velocidad de medición y permitirá experimentos completamente nuevos in situ y de radio.