Mesures du courant induit par faisceau x pour la microscopie multimodale de rayons X des cellules solaires

Les rayons X induisent un courant dans de nombreux appareils électroniques. Tout comme les photons visibles dans les cellules solaires photovoltaïques. Le signal est appelé courant induit par le faisceau de rayons X.

En d’autres termes, les dispositifs d’essai sont utilisés comme détecteurs de rayons X et XBIC donne les performances de l’appareil local. XBIC combine la haute résolution spéciale du courant induit par le faisceau d’électrons avec une profondeur de pénétration élevée du courant induit par le faisceau laser. Cette combinaison donne la performance locale, même dans des structures variées comme dans les cellules solaires encapsulées à haute résolution.

À partir du signal XBIC, nous pouvons déterminer l’efficacité de la collecte des charges réglée spatialement, ce qui est essentiel pour les performances électriques des dispositifs semi-conducteurs. Ainsi, en principe, les mesures XBIC peuvent être effectuées sur tous les systèmes qui montrent une réponse électrique sur son espace, tels que les cellules solaires, les détecteurs de rayons X, sur les nanofils des semi-conducteurs. Prendre des mesures XBIC est en fait étonnamment simple si vous suivez la trajectoire du signal de l’appareil aux amplificateurs et l’acquisition de données.

Commencez par concevoir un porte-échantillon pour offrir une liberté maximale au placement de différents détecteurs à proximité. Placez le support de l’échantillon sur une base cinématique pour permettre un repositionnement facile des échantillons en position micromètre. Utilisez un circuit imprimé qui a été conçu de sorte qu’il puisse être utilisé comme une monture pour l’appareil électronique pour les mesures XBIC.

Ensuite, collez l’appareil électronique à tester sur le circuit imprimé. Faites attention d’éviter le court-circuit en utilisant du ruban polyimide. Fixez également les fils de contact avec du ruban adhésif.

Connectez le contact en amont qui fait face au faisceau de rayons X incident avec le bouclier du câble coaxial. Ensuite, connectez le contact en aval avec le cœur du câble coaxial. Ensuite, montez le circuit imprimé dans le porte-échantillon.

Montez ensuite le porte-échantillon sur l’étape de l’échantillon. Connectez l’échantillon à travers le connecteur BNC sur la monture de l’échantillon. Placez le câblage de telle sorte qu’aucune pièce de montage ou câblage ne bloque le faisceau de rayons X incident ou tout détecteur.

Assurez-vous que le câblage de l’échantillon est soulagé par la contrainte afin qu’il ne limite pas les mouvements de l’échantillon. Vérifiez que l’échantillon est bien anoché. Maintenant, tournez la scène de telle sorte que le plan d’intérêt est perpendiculaire au faisceau incident.

Cela permettra de minimiser l’empreinte du faisceau et de maximiser la résolution spatiale. Si vous effectuez des mesures multimodales, placez les détecteurs autour de l’échantillon, par exemple pour les mesures de fluorescence des rayons X. Ensuite, mesurez l’amplitude du signal du dispositif d’essai pour tester la portée du signal dans différentes conditions.

Placez un pré-amplificateur à proximité de l’échantillon et connectez-le à une unité de contrôle à l’extérieur du clapier. Cela permettra de modifier le réglage à distance sans avoir besoin de revenir dans le clapier et enregistrera automatiquement les paramètres d’amplification. Connectez le pré-amplificateur à un circuit d’alimentation propre et ez-le en place.

Assurez-vous que l’amplitude du signal du dispositif d’essai correspond à la plage d’entrée du pré-amplificateur. Il est de bonnes pratiques de maintenir l’amplification du pré-amplificateur à la sensibilité minimale chaque fois qu’aucune mesure ne se passe pour éviter une sur saturation accidentelle. Connectez maintenant le dispositif de test au pré-amplificateur.

Compte tenu de la faible amplitude du signal, il est essentiel de garder le câblage court et à distance des sources de bruit. Ensuite, divisez le signal pré-amplifié en trois branches de signal parallèles. Ceux-ci sont utilisés pour enregistrer séparément les valeurs positives et négatives de DC, ainsi que les composants AC modulés.

Connectez l’amplificateur de verrouillage à une unité de commande à l’extérieur du clapier. Équipez-le à partir d’un circuit d’alimentation propre. Assurez-vous que la sortie du pré-amplificateur correspond à l’entrée de l’amplificateur de verrouillage dans toutes les conditions.

Ici, la puissance maximale du pré-amplificateur est de 10 volts, mais la plage d’entrée maximale de l’amplificateur de verrouillage est de 1,5 volt. Par conséquent, testez l’amplitude du signal après le pré-amplificateur et assurez-vous que la plage d’entrée de l’amplificateur de verrouillage est à son maximum. Ensuite, connectez la sortie du pré-amplificateur à l’entrée de l’amplificateur de verrouillage.

Montez l’hélico à rayons X sur une scène motorisée avec la possibilité d’entrer et de sortir du faisceau de rayons X et de l’alimenter par l’intermédiaire du contrôleur d’hélicoptère. Connectez l’hélico à l’unité de commande, dans ce cas via l’amplificateur de verrouillage. Conduisez ensuite l’hélico optique avec la fréquence de démodulation de l’amplificateur de verrouillage.

Ensuite, connectez la sortie de l’amplificateur de verrouillage à un convertisseur de tension à fréquence. Puis sortez l’amplitude racine-moyenne-carrée R du signal amplifié de verrouillage comme signal analogique d’AC de l’appareil. Assurez-vous que l’appareil à l’essai est protégé de toutes les lumières du clapier.

Fouillez le clapier. S’ll vous plaît, quittez la zone. Attention, s’il vous plaît, remarquez allumer.

Et allumez le faisceau de rayons X. Si tout est réglé correctement et que le faisceau de rayons X frappe l’échantillon, un signal XBIC modulé sera visible. Adaptez l’amplification du pré-amplificateur et la plage d’entrée de l’amplificateur de verrouillage afin qu’ils correspondent.

Assurez-vous que la réponse du pré-amplificateur est assez rapide pour la fréquence d’hélico choisie. Un signal XBIC rectangulaire doit être observé. Si un retard important est visible, la fréquence de l’hélicoptère doit être réduite ou le temps d’élévation du filtre du pré-amplificateur doit être ajusté.

Réglez la faible fréquence de filtre de passage de l’amplificateur de verrouillage au minimum compatible avec la vitesse de balayage. Ensuite, maximisez le signal amplifié par rapport au faisceau de rapport sur et faisceau hors tension et en ce qui concerne le rapport signal/bruit. La configuration est maintenant prête pour les mesures XBIC.

Allez à un endroit vierge sur l’échantillon et commencer la mesure. L’avantage principal de l’utilisation de l’amplification de verrouillage pour les mesures XBIC est l’augmentation spectaculaire du rapport signal/bruit par rapport aux mesures avec amplification standard. Ici, l’appareil pré-amplifié en réponse au test est montré tel que mesuré par une portée sans et avec une lumière de biais allumée.

Malgré la présence de forts composants sonores ou trompeurs induits par la lumière ou la tension biaisée, il est possible d’extraire le signal de courant induit par le faisceau de rayons X modulé du signal de fond, même s’il s’agit d’ordres de grandeur plus petits. En comparant ces deux images, notez un signal offset de l’ordre de huit millivolts qui est déplacé à moins 65 millivolts en allensant la lumière de biais des tubes fluorescents. En outre, la variation du signal sur les échelles de temps courtes est considérablement améliorée par la lumière de biais.

Avec des réglages appropriés, le décalage et la modulation à haute fréquence peuvent être atténués. Néanmoins, toutes les sources de biais involontaires tels que l’éclairage ambiant et le bruit électromagnétique devraient être éliminées pour le rapport signal/bruit le plus élevé. Ces graphiques mettent en évidence l’effet de la lumière de biais et des différents paramètres de filtre à faible passage sur l’amplitude rms amplifiée par verrouillage.

Pour une fréquence de balayage élevée, la fréquence de coupure du filtre de passage bas doit être aussi élevée que possible, mais le signal le plus élevé aux bruits obtenus avec des fréquences coupées basses. Dans ce cas, un filtre de passage bas avec une fréquence de coupure égale à 10.27 Hertz a offert le meilleur compromis pour la numérisation à modéré deux Hertz. Ici, vous pouvez voir l’impact de l’amplification de verrouillage sur le rapport signal/bruit dans les mesures de courant induites par le faisceau de rayons X.

La bruitosité du signal direct est apparente et le signal amplifié de verrouillage montre les caractéristiques fines en détail. Pour l’analyse quantitative, la forme du signal XBIC modulé devrait représenter la forme de l’intensité modulée des rayons X. Par conséquent, il est important d’optimiser la fréquence de l’hélicoptère et les filtres à faible passage à cet égard.

L’amplification de verrouillage nous permet de mesurer les appareils dans différentes conditions. Par exemple, nous pouvons appliquer la tension de biais ou la lumière de biais. En fin de compte, cela nous permet de mesurer l’ensemble de la courbe IV avec une haute résolution spatiale au nanoscape.

XBIC est particulièrement utile lorsque nous le combinons avec d’autres techniques. Par exemple, avec la diffraction de fluorescence de rayon X, la tachographie, ou la luminescence optique excitée de rayon X. Si nous combinons tout cela, nous pouvons résoudre et déconvoluter la structure de composition et la performance.

Mis à part les précautions générales à prendre lorsqu’il s’agit d’énergie électrique et de rayons X intenses, il n’y a aucun risque spécifique dans l’exécution des mesures XBIC pour le fonctionnement au moins l’échantillon, cependant, peut mourir en raison de dommages causés par les radiations. Avec des sources limitées de diffraction, comme petra quatre, le flux de rayons X nanofocus augmentera par ordre de grandeur. Cela permettra d’augmenter le rapport vitesse/bruit du signal de mesure et de permettre de nouvelles expériences in situ et operando.