מאמר שיטה

הכנת דגימה ומדידות התנגדות למיקרוסקופ אלקטרונים בהעברת אופראנדו במהלך חימום והטיה חשמלית

DOI:

10.3791/68886

⸱

26 ביוני 2026

 ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  ,  , 
1Max Planck Institute for Sustainable Materials, 2Pukyong National University, 3Leibniz Institute for Solid State and Materials Research, 4DENSsolutions B.V.

* These authors contributed equally

במאמר זה

סיכום

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

מוצגת שיטה ייחודית להכנת דגימות מיקרוסקופ אלקטרוני (TEM) על שבבי מערכות מיקרו-אלקטרומכניות (MEMS). מגעים חשמליים מופקדים באמצעות קרן יונים ממוקדת, כאשר ההתנגדות מצטמצמת באמצעות חימום על השבב, ומוערכים על פני ממדים משתנים של דגימה, מה שמאפשר מדידות מוליכות חשמלית בטמפרטורות שונות במהלך תצפיות TEM במקום .

תקציר

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

אפיון מיקרו-מבנים של חומרים חיוני להבנת הקשרים עם תכונותיהם. עם זאת, המיקרו-מבנה יכול לעבור שינויים במהלך הפעולה בטמפרטורות גבוהות ובהטיה חשמלית. תנאים כאלה הם סטנדרטיים במכשירים תרמואלקטריים, המייצרים חשמל מהפרש טמפרטורה. כדי לאפיין שינויים מיקרו-מבניים אלה במיקום במיקרוסקופ אלקטרונים (TEM), נעשה שימוש בטכנולוגיה מסחרית מבוססת MEMS. תנאי אופראנדו של מכשירים תרמואלקטריים, כגון עומסי חום והטיה חשמלית, יכולים להיות משוכפלים על ידי השבבים במהלך תצפית TEM במקום . כאן אנו מציגים את הגישה שלנו להכנת דגימות TEM על שבבי MEMS במקום , המתאימים לחימום והטיה, באמצעות קרן יונים ממוקדת (FIB). הדגימה מורמת תחילה מחומר בתפזורת ואז מחוברת לאלקטרודות החיוביות והשליליות של השבב. המגעים נוצרים על ידי הפקדת קרן יונים של קומפוזיט Pt-C. לבסוף, דגימת ה-TEM מדוללת ישירות על השבב באמצעות FIB. כדי למדוד את התכונות החשמליות של דגימת ה-TEM, מופעל מתח בין שתי אלקטרודות. הזרם דרך הדגימה נמדד כדי לגזור את ההתנגדות הכוללת בכל טמפרטורה. לאחר מכן, ההתנגדות של הדגימה והתנגדות המגע נקבעים מתוך ההתנגדויות הנמדדות בממדים שונים של דגימה בשלבים שונים של דילול FIB. התוצאות מראות שחימום עד 200 מעלות צלזיוס גורם להפחתת ההתנגדות למגע לאחר כל דילול FIB. לאחר חישוש המגע, ניתן למדוד את ההתנגדות החשמלית באופן אמין בגישה המוצגת מטמפרטורה גבוהה ועד לטמפרטורת החדר, ללא השפעת התנגדות המגע.

מבוא

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

מכיוון שהמיקרו-מבנה של רוב החומרים ממלא תפקיד קריטי בביצועיהם וביציבות תכונות החומר, חשוב להבין את המנגנונים שבאמצעותם ניתן לשנות את המיקרו-מבנה ואת השפעתם על התכונות. השינויים המיקרוסטרוקטוריאליים, הנגרמים על ידי חימום או הטיה חשמלית של הדגימה, ניתנים לחקור באמצעות אפיון אקס סיטו 1. בגישה זו, תכונות החומר נמדדות תחילה תחת חום והטיה, ולאחר מכן המיקרו-מבנה מנותח.

כדי ללכוד את השינויים המיקרוסטרוקטוריאליים הדינמיים בטמפרטורות גבוהות, יש לבצע את התצפית במקום. מדידות במיקום מתייחסות בדרך כלל לחקר דגימה בזמן שהיא חשופה לגירוי מבוקר או לסביבה, המייצגת שלבים ספציפיים של סינתזת חומר או הפעלת המכשיר. דבר זה מאפשר תצפית ישירה על המיקרו-מבנה בזמן שהדגימה מחוממת לטמפרטורות פעולה. גישה זו מאפשרת את הקשר בין אבולוציה מיקרוסטרוקטורלית להשפעת טמפרטורה או הטיה 2,3. יתרה מזאת, הקינטיקה של שינויים במיקרו-מבנים, כמו גם היציבות של מיקרו-מבניםמסוימים, ניתנת ללכידה בזמן תהליך החימום באמצעות ניסויים במקום.

בנוסף למדידות במקום, מדידות אופראנדו מספקות תובנות כיצד מדגם מגיב ומתפתח בתנאי פעולה בפועל6. בעוד שהמונחים in situ וניסויי operando משמשים לעיתים לסירוגין, מדידות operando משלבות בדרך כלל תצפית מיקרוסקופית במקום עם מדידות על ביצועי המכשיר או תכונות החומרים, לדוגמה, המוליכות החשמלית. מיקרוסקופיה במקום ואופראנדו יושמה באופן נרחב לחקר חומרים במגוון יישומי אנרגיה, כולל תרמואלקטריים (TE)7,8, סוללות 9,10, פוטו-וולטאיקה11, וקטליזטורים12,13.

לצורך מיקרוסקופיית אלקטרונים במיקום ובאופראנדו (TEM) ואפיון TEM סורק (STEM), זמינים מגוון שבבים של מערכות מיקרו-אלקטרומכניות (MEMS). מספר חברות מסחריות, כולל DENSsolutions14,15, Protochips 16,17 ו-Hummingbird18, מציעות שבבי MEMS לביצוע משימות שונות, כגון חימום19,20, קירור21, הטיה חשמלית20, וחשיפת הדגימה לגזים14,22 או נוזלים 14,22.

בעת הכנת דגימות (S)TEM, חשוב להבטיח שקיפות אלקטרונית לכל הדגימות המיוצרות. FIB מאפשר חילוץ סלקטיבי באתר על ידי טחינת למלה מהחומר המרכזי. הלמלה מרותכת לרשת TEM קונבנציונלית או שבב MEMS (למחקרים במקום), שם ניתן לדלל אותה עוד יותר עד שקיפות אלקטרונים. מספר שיטות מבוססות FIB להכנת דגימות שבב MEMS במקום תוארו בספרות 17,23,24,25,26. שיטות רבות השתמשו בפרוצדורת FIB קונבנציונלית כדי להרים חתך רוחב מהדגימה הגדולה ולחבר את הלמלה לרשת TEM קונבנציונלית. לאחר מכן, הלמלה הועברה לשבב ה-MEMS והונחה עליו שטוחה25, או שהלמלה מועברת לשבב ה-MEMS לאחר הדילול, שם היא מתחברת לפלטינה (Pt) לחיבור חשמלי לשבב 26,27. מיננקוב ואחרים הדגימו העברת FIB של דגימת תצוגה מלוטשת מכנית לשבב MEMS28.

עם זאת, כל השיטות הללו כוללות העברת למלה מדוללת לשבב MEMS ומתמודדות עם אתגרים נפוצים. בעיה אחת היא שהלמלה המדוללת עלולה להיות שבירה ולסבול מנזק מכני במהלך ההעברה. יתרה מזאת, פני השטח של הלמלה חשופים ישירות לנזק מקרן היונים במהלך תהליך ההעברה, בעוד שלבי ניקוי נוספים עשויים שלא להיות אפשריים כאשר הדגימה נחשפת לשבב MEMS. חשיפה כזו להשתלת יוני Ga יכולה לשנות את המיקרו-מבנה29 ולגרום לתופעות במדידות האופרנדו של תכונות החומר.

כדי להתמודד עם אתגרים אלו, מציגים זינטלר ואח' שיטת הכנת FIB באמצעות דילול מוקדם לעובי של 300–400 ננומטר, ואחריו דילול ישיר על השבב. Srot ואח' 17 ואלמיידה ואח' 31 הציגו העברה ישירה של חתכי הדגימה המרכזית לשבב MEMS המקומי ודילול ישיר על השבב, ללא שלבי הדילול המקדים. שיטות אלו מונעות את הבעיות שהוזכרו, במיוחד זיהום הדגימות.

בחומרים של TE, הביצועים והיציבות של התכונות הן חיוניות. לכן, חשוב להבין את המנגנונים שבאמצעותם ניתן לשנות את המיקרו-מבנה ואת השפעתם על התכונות. בעבודה זו נעשה שימוש בחומר Zn4Sb3 TE כדי להדגים את היתכנות השיטה הזו. חומרי TE משתמשים בגרדיאנט טמפרטורה בין צד חם לצד קר כדי להמיר חום ישירות לאנרגיה חשמלית32,33. היעילות של המרת אנרגיה זו נשלטת על ידי המספר חסר הממד של הצטיינות (zT),

figure-introduction-1 (1)

כאשר S הוא מקדם סיבק, המוליכות החשמלית, T הטמפרטורה, ו-k הוא מוליכות התרמית.

מבין הפרמטרים הללו, תכונות ההעברה ניתן לכוונן ביעילות באמצעות הנדסה מיקרו-מבנית של חומרים TE, כולל דיסלוקציות4, שברים בערימה34, גבולות גרעינים 35,36,37,38, ומשקעים 39,40. מיקרוסקופיה אלקטרונית משמשת באופן נרחב לאפיון המיקרו-מבנה של חומרים TE. בקנה מידה מיקרו, טכניקות המבוססות על מיקרוסקופ אלקטרוני סורק (SEM)41,42 משמשות בדרך כלל לניתוח מבנה הגרעין ופאזות משניות גדולות בחומרים43. לפתרון פאזות בקנה מידה ננומטרי ולחקירת המבנה האטומי של פגמים וממשקים, נדרש אפיון באמצעות TEM ו-STEM 39,44,45,46.

חומרים TE מופעלים בדרך כלל מטמפרטורת סביבה עד כמה מאות מעלות צלזיוס, ולכן תכונות ההעברה שלהם מוערכות על פני טווח הטמפרטורות שבו החומר מיועד לפעול. בנוסף, חומרי TE חשופים למחזור תרמי, מה שעלול להוביל להידרדרות תכונות, כולל מוליכות חשמלית נמוכהיותר 47. דווח גם כי זעזועים תרמיים בצד החם של המכשיר גורמים לעלייה בהתנגדות החשמלית על ידי ניסויים תפעוליים ארוכי טווח לאורך מחזורי חום חוזרים48.

בעבודה זו, מוצג פרוטוקול הכנת דגימה אופטימלי מבוסס FIB עבור insitu (S)TEM, בגאומטריית תצוגת plan-view על שבבי MEMS למדידות חשמליות. על ידי ביצוע כל הדילול של שבב MEMS, שיטה זו מונעת את הסיכון לתקלות מכניות או ארטיפקטים מנזק שנגרם מקרן יונים. יתרה מזאת, מוצג גם פרוטוקול לביצוע מדידות חשמליות בתנאי חימום אופראנדו כדי לחקור את התנהגות ההעברה התלויה בטמפרטורה. כדי לגזור את ההתנגדות החשמלית הפנימית של הדגימה במערכת עם שני חיישנים, בוצעו מדידות חשמליות בשלושה שלבים של דילול FIB, כאשר ממדי הדגימה (בעיקר העובי) השתנו. שיטה זו מספקת מסגרת לקשר בין תכונות מבניות, קומפוזיציוניות וחשמליות בקנה מידה ננומטרי באמצעות מדידות מקומיות ואופראנדו .

פרוטוקול

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

1. חילוץ והעברת דגימת ה-TEM לשבב MEMS

  1. בשלב הראשון, טעינו את שבב MEMS יחד עם הדגימה הגדולה, שממנה תופק דגימת ה-TEM, אל תוך ה-FIB. השתמש בפינצטה עם קצוות מעוגלים ולא מוליכים (למשל, פחמן) בעת טיפול בשבב MEMS כדי למנוע טעינה. בנוסף, פינצטה ישרה נוספת עם קצות פחמן (לא מוליכות) יכולה לסייע בשלבים הבאים (איור 1A,B).

figure-protocol-1
איור 1: סקירה על כלים ושבבי MEMS. (A) ו-(B) פינצטה עם קצות פחמן/לא מוליכים, (C) קצה SEM סטנדרטי, (D) קצה SEM עם סרט Cu ושבב MEMS, ו-(ה) נייר אלומיניום נוסף. כמו כן מוצגים (F) הצד הקדמי של מחזיק ה-FIB הפרטי עם ה-SEM ו-(G) חלונות אלקטרונים בשבב MEMS. הממדים של חלונות האלקטרונים השקופים ב-(G) הם 2 מיקרון (1), 6 מיקרון (2) ו-10 מיקרון (3). גודל הדגימות של TEM צריך להיות 10 מיקרון (1), 18 מיקרון (2) ו-26 מיקרון (3). אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

  1. השתמש בתבנית SEM סטנדרטית (איור 1C) שעליו יונח שבב MEMS.
  2. הדביקו סרט Cu-tape דו-צדדי על המשטח השטוח של ה-SEM.
  3. עכשיו, הוצא את שבב MEMS מקופסת השבבים בעזרת פינצטה עם הקצה המעוגל ומניח אותו על פין ה-T עם סרט ה-Cu עליו. יישר את השבב כך שהכתיבה של לוגו החברה תהיה בחלק העליון של פין ה-T (איור 1D).
    זהירות: השלב הבא צריך להיעשות בזהירות.
  4. חתוך חתיכה קטנה של נייר אלומיניום שניתן לקפל באמצע כדי ליצור מגע טוב יותר עם שבב MEMS. הגודל אמור להיות מספיק כדי לכסות את שבב MEMS וחלק מהסרט Cu-tape, כי האלומיניום יהיה מודבק עליו בכל צד ומתחת לשבב (איור 1E).
    1. מקמו את האלומיניום בזהירות מעל שבב ה-MEMS וקרוב ככל האפשר לממברנת SiN התלויה. אין לכסות את הממברנה התלויה הזו (איור 1F), שכן זה עלול לגרום לשבירת ממברנת השבב. דגימת ה-TEM תוצמד לשבב מעל אחד החורים המוכנים מראש בממברנה בין אלקטרודות ההטיה (איור 1G).
  5. אוורר את מיקרוסקופ FIB להחדרת דגימה.
  6. בדומה לשבב MEMS, שים את הדגימה הגדולה על תבנית SEM אחרת או מחזיק דגימה אחר. לאחר מכן, ממקמים את משטחי הדגימה הגדולה ושבב ה-MEMS אופקית אל הבמה (גאומטריית תצוגת תכנית).
  7. עכשיו הכניס את הבמה חזרה, סגור את הדלת, ושאב את התא כדי להחזיר את הוואקום.
  8. תתחיל את פעולת ה-FIB. לשם כך, יש לאתחל את מקור האלקטרון והיונים.
  9. ראשית, בדוק את שבב MEMS עם תמונת האלקטרון המשני (SE) כדי לוודא שהשבב לא ניזוק. במיוחד המגעים על השבב וממברנת SiN, שכן הוא דק מאוד (1 מיקרון), יש לאמת אותם.
  10. לאחר מכן, הזיזו את הבמה כדי לצלם את הדגימה הגדולה והגדרו את האזור או האזור המעניין (ROI).
  11. כוון את הדגימה לגובה אאוצנטרי, כך שה-ROI יישאר במרכז גם בתמונות האלקטרון וגם בקרן היונים.
  12. לאחר מכן, הטית את השלב ל-52° (תואמת ל-0° ביחס לזווית קרן היונים).
    הערה: כאשר משתמשים בקרן היונים להדמיה, יש להגדיר את הזרם תמיד לערך קטן מ-30 pA, בהתאם לחומר (לדגימות רגישות לקרן (אפילו 10 pA ומטה), כדי להגן על פני השטח, ומתח של 30 kV. בכל פעם שמתבצע דפוס חירום, קרן היונים מושהה, ורק תמונות קצרות מאוד משמשות לכיוון המיקום או המיקוד בזרמים הגבוהים לפני תחילת הדפוס למילינג או לשקיעה. אם יש להגן על משטח הדגימה מפני קרן היונים, ניתן כעת להשתמש בשכבת הגנה דקה של הפקדת C או Pt, אך אינה נדרשת לשיטה זו. ניתן לבצע את המילינג בשלב זה, כלומר דגימת ה-TEM נחתכת מהדגימה הגדולה ומועברת לשבב MEMS. המידות היו בדרך כלל 5 מיקרון על 12 מיקרון (איור 2A). יש לקחת בחשבון שטח גדול יותר מה-ROI, שכן חלק קטן מהצדדים של הדגימה עלול להישחק בגלל הזרמים המשמשים למילינג גס.

figure-protocol-2
איור 2: טחינת למלה בכמויות גדולות. ממדים של דגימת TEM בתצוגת ה-SEM. (א) הדפוסים למילינג גס "עליון" ו"תחתון", ו-(ב) דפוסי החריקה בצד הימני ו"השמאלי". (ד) הצדדים המוטים לאחר (ג) הטחינה הגסה יוטחו על ידי טחינה נוספת בכל ארבעת הצדדים, ו-(ה) לאחר מכן שטוחים. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

  1. ראשית, חצו את החלק העליון באמצעות ממדים של כ-13 מיקרומטר בכיוון x ו-14 מיקרון בכיוון y עם עומק (ערך z) של 10 מיקרון (איור 2A). השתמש בדפוס "חתך רוחב רגיל" ובזרם של 5–15 ננו-אמפר.
  2. לאחר מכן הטחינה "התחתונה" (איור 2A). שוב, השתמש בדפוס "חתך רוחב רגיל" ובזרם בין 5–15 ננואמפר. הממדים של שלב המילוינג הזה הם 13 מיקרון בכיוון x ו-10 מיקרון בכיוון y. העומק הוא 10 מיקרון. בשלב זה של התהליך, דפנות הדגימה יהיו מעט מוטות (איור 2D).
  3. לאחר מכן, חצו את הצדדים על ידי חיסול הצד השמאלי וה"ימין" בממדים 6 מיקרון בכיוון x ו-10 מיקרון בכיוון y (איור 2B). יש להחיל זרם של 5–15 ננואמפר באמצעות תבנית "חתך רוחב רגולרי" בעומק של 10 מיקרון.
  4. לאחר מכן, יש לבצע מילינג גס עם זרם מופחת של 1 ננו-אמפר ויישור כל ארבעת קירות הדגימה של TEM (איור 2E). לשם כך, השתמשו בדוגמת "ניקוי חתך רוחבי" לכל ארבעת הצדדים (איור 2C). הפעילו זרם של 1 ננו-אמפר עם ערך z של 10 מיקרון.
  5. הטה את השלב ל-0° או -5° ביחס לקרן האלקטרון. זווית של -5° מועדפת, שכן היא מאפשרת גישה טובה יותר לחריטה הסופית ולהוצאת הדגימה בהמשך עם המחט כפי שמתואר בשלבים הבאים.
  6. עכשיו חלץ את דגימת ה-TEM עם מחט מיקרומניפולטור חדה. לשם כך, הכניס את המיקרומניפולטור. למיקרוסקופ FIB המשומש יש שתי אפשרויות להחדרת המחט: "הכנסה" ו"עמדת פארק". בחר באפשרות השנייה כי כך תימנע פגיעה של המחט בדגימה לאחר התאמה של הגובה האאוצנטרי.
  7. הורד בזהירות את המחט לדגימת ה-TEM.
  8. הזז את המחט לפינה העליונה/קצה השמאלית של דגימת ה-TEM.
  9. חממו את מערכת הזרקת הגז (GIS). הכנס את מערכת הזרקת גז Pt-deposition (GIS); התמונה עשויה לזוז מעט במהלך ההליך, וייתכן שתצטרכו לשנות את המיקום.
  10. בחרו תבנית "מלבנית" שתכסה חלק מהמחט ואת פינת דגימת ה-TEM (איור 3A). יש לשנות את הדפוס ל"הצטברות" במקום ל"Si-milling". השתמש בזרם של 30–50 pA עם גובה z לדפוס השקיעה של 1 מיקרון.

figure-protocol-3
איור 3: חילוץ דגימה. הדפוס של הפקדת Pt (A) לאחר Pt GIS הוכנס, ו-(B) דפוס הטחינה לחיתוך הדגימה מהנפח. (C) צל הדגימה נראה כאשר הוא קרוב לפני השטח של שבב MEMS. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

  1. דפוס מילינג "מלבני" וזרם של 3 ננו-אמפר משמשים לחיתוך (איור 3B). בחר בממד x שיהיה מעט גדול יותר מאורך דגימת ה-TEM. בחר ערך z של 5–10 מיקרון, בהתאם לרוחב הדגימה שלך. התחילו את ההצהרה של המטופל.
  2. לאחר מכן, משוך את ה-PT GIS.
  3. לאחר שדגימת ה-TEM נחתכה, יש להוציא את הדגימה באמצעות המיקרומניפולטור, תוך הזזתה רק כלפי מעלה (כיוון z) הרחק מהדגימה הגדולה. לאחר מכן למשוך את המחט כאשר הדגימה שהופקה רחוקה מהנפח.
  4. העבר את הבמה לשבב MEMS. בחר את החלון לדגימת ה-TEM והתאם שוב את הגובה האאוצנטרי. זה נעשה בהטיה של 0° (איור 4A).
    הערה: אם זה נדרש בשלב זה, ניתן כעת להרחיב את החלון כדי לקבל חלון תצפית גדול יותר ב-TEM. השתמש בזרם של 1 ננו-אמפר לשלב האופציונלי הזה.

figure-protocol-4
איור 4: הטיות במה. שרטוטים של זוויות הבמה (A) למגע בין שבב MEMS לדגימת TEM עם זווית שלב של 0°, ו-(B) הזווית של 17–20° לחלק הדילול עם מחזיק ה-pretilt של 52°. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

  1. הכנס את המיקרומניפולטור עם "Park Position".
  2. הורידו בזהירות את המיקרומניפולטור עם דגימת ה-TEM אל פני שבב ה-MEMS. מרכז את דגימת ה-TEM מעל החלון (אזור שחור).
    אזהרה: הורידו בזהירות את דגימת ה-TEM לשבב. צל של הדגימה נראה מופיע מעל שבב ה-MEMS זמן קצר לפני הנחיתה (איור 3C). עצור לפני שנוגעים בשבב עם הדגימה.
  3. הכנס שוב את מערכת ה-Pt GIS.
  4. הורד עוד יותר את הדגימה עד שהיא נוגעת בשבב. בדרך כלל, ניתן להבחין בשינוי קל בניגודיות בתמונה כאשר נוצר מגע.
  5. התחל תבנית להצטברות Pt ורתך את דגימת ה-TEM על ידי יצירת שני דגמים בגודל דומה (איור 5A). לשם כך, יש להשתמש בדפוס "מלבן" עם זרם של 30–50 pA. בצע את ההדבקה הראשונה עם תבנית של 4 מיקרון ב-x, 1 מיקרון ב-y, ו-1 מיקרון ב-z.
    הערה: רשום את זווית הסיבוב בשלב הראשון, ואז עשה +90° בכל שלב לריתוך.
  6. לאחר מכן, חתכו את המחט מדגימת ה-TEM עם זרם של 0.3 ננו-אמפר ומשכו אותה חזרה. הימנע מחיתוך דרך האלקטרודות המבליטות.
  7. עכשיו סובב את הדגימה ב-90°. עשה תבנית נוספת עם ממדים של 2.5 מיקרון ב-x, 1.5 מיקרון ב-y, ו-1 מיקרון ב-z (איור 5B). השתמש בזרם של 30–50 pA עם דפוס "מלבן".
  8. עכשיו עשה את ההדבקה השלישית בזווית סיבוב של 180° (+90°) ביחס ל-0° שצוין. בחר את אותם המידות כמו בשלב 1 להדבקה. הזרם מכוון שוב ל-30–50 pA ומשתמש בדפוס "מלבן" (איור 5C).
  9. שוב, סובבים לצד הרביעי עם זווית סיבוב של 270° (עוד +90°). השתמש באותם מידות כמו בשלב 1.33 עם זרם של 30–50 pA ודפוס "מלבן" (איור 5D).

figure-protocol-5
איור 5: ריתוך הדגימה לשבב MEMS. ריתוך דגימת ה-TEM לשבב MEMS (A) מהצד הקדמי, (B) סובב ב-90°, (C) סיבוב נוסף של 90° לסך כולל של 180°, ו-(D) סיבוב סופי ל-270°. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

  1. הוצא את ה-Pt GIS אחרי שהדבקה הסתיימה ואוורר את תא הוואקום.
  2. עכשיו, הוצא את הדגימה מה-FIB והניח את ה-SEM עם שבב MEMS מעליו על מחזיק pretilt בזווית של 52° (איור 1F). מחזיק הפרטילט נחוץ לשלבים הבאים של הדילול.
    הערה: שלב זה מתבצע בשל מגבלות מרחביות על ידי הטיה והזזת הבמה כאשר גם המחזיק המוטה וגם הדגימה הגדולה מוכנסים ישירות כדי להגן על שני חלקי הקוטב של עמודת האלקטרון והיונים מפני אזעקת מגע עם השבב, מחזיק המוטה או הדגימה הגדולה. זה מקל על התפעול בתוך המכשיר. כאן ניתן לעצור את השלב הבא, שכן השלבים הבאים יכולים להתבצע מאוחר יותר או במפגש FIB נוסף.

2. דילול דגימת ה-TEM על שבב MEMS

הערה: לצורך הדילול, הזרמים שבהם השתמשו נבחרו לפי התכונות המכניות של חומר Zn4Sb3 . הזרמים צריכים, באופן כללי, להיבחר לפי קשיחות החומר לעיבוד (חומר קשה = זרמים גבוהים, חומרים רכים = זרמים נמוכים יותר).

  1. הכנס את ה-SEM עם שבב MEMS על ה-pretilt FIB, שיש לו זווית של 52°. סגור את דלת ה-FIB ושאוב את החדר.
  2. הדילול נעשה עכשיו כחלק האחרון. לשם כך, יש להטות את השלב ל-17–20° (איור 4B). הזווית האנכית בין כיוון הדילול לקרן היונים תהיה ב-14°, אך הטיית יתר מאפשרת דילול הן בצד התחתון והן בצד העליון של דגימת ה-TEM. בנוסף, ההטיה המוגזמת מונעת טעינה בזמן דילול.
    הערה: מהיום והלאה, הדגימה נצפית בתצוגת צד (איור 6) בתמונת FIB.
  3. כעת לטחון חלק גדול מדגימת ה-TEM מעל חלון האלקטרונים השקוף (איור 6A) במתח של 30 קילו-וולט וזרם של 0.05–1 ננו-אמפר עד שעובי של כ-2 מיקרון (איור 6B). בחר ערך z לחיתוך זה שהוא מעט גבוה מרוחב הדגימה של TEM כדי להבטיח שהדגימה נחתכת (איור 6B).
  4. כעת, בצעו שלבי דילול איטרטיביים עם דפוס "ניקוי חתך רוחב". ראשית, השתמש בזרם של 0.1 pA בשלב הראשון והטה את השלב ב-± 1.5° לדילול שני הצדדים ("-" מתחשב בדילול החלק התחתון בתמונה ו"+" בחלק ה"עליון") ביחס לכיוון קרן היונים (איור 6C). השתמש בערך z של 2 מיקרון. עשה זאת בכל פעם במשך כ-20–30 שניות מכל צד.
    הערה: מדדו את העובי אחרי כמה מהגרסאות האלה.
  5. כאשר מגיעים לעובי של פחות מ-1 מיקרון, יש להוריד את הזרם ל-30–50 pA. לאחר מכן, משנה את זווית ההטיה ב-± 1° ביחס לקרן היונים. שוב, השתמשו בדפוס "ניקוי חתך רוחב" עם ערך z של 2 מיקרון (איור 6D).
  6. כאשר מגיעים לעובי של כ-500 ננומטר, יש להוריד את הזרם ל-10–30 pA. שוב, השתמש בדפוס עם "ניקוי חתך רוחב" והטיה ב-± 1° (איור 6E). השתמשו ב-z של 2 מיקרון וטחנו באופן איטרטיבי בכל צד עד שמגיעים לעובי של כ-200 ננומטר.
  7. לדילול נוסף מתחת ל-500 ננומטר, הורד את המתח ל-5 קילו-וולט והגדר את הזרם ל-48 pA. השתמשו גם בדפוס "ניקוי חתך רוחב" לשלב הזה. כעת הטה ב-± 2° והורד את ה-z ל-0.1 מיקרון. עשו זאת שוב באופן איטרטיבי עד שמגיעים לעובי הרצוי.
    1. מדוד את העובי שוב כל כמה איטרציות בתמונה בדרום-מזרח, כי זה מדויק יותר מאשר בתמונת קרן היונים.
  8. כשלב אחרון, כאשר מגיעים לעובי הרצוי, נקה את פני השטח של הלמלה במתח שמוגדר ל-2 קילו-וולט וזרם של 27 pA. שוב, השתמש בדפוס "חתך ניקוי רוחב" ובהטיה של ± 5° עם z נמוך של 0.03 מיקרון. תעשה את הניקוי מכל צד לכמה שניות.
  9. מדוד את הממד הסופי של העובי, האורך והרוחב של האזור המדולל (למלה). העובי והאורך נמדדים מהתצוגה הצדדית (איור 6F) והרוחב ממבט מלמעלה.
    הערה: המידות יכולות להשתנות בשלבי מילינג שונים. לאחר מכן נעשה שימוש בשלבים שונים במימד כדי להעריך את ההתנגדות החשמלית של החומר, כפי שמוצג בחלק התוצאות המייצגות.

figure-protocol-6
איור 6: דילול הלמלה. תצוגה של תמונת FIB בדגימת ה-TEM עבור (א) הדילול ה"גס" ו-(ב) החלק שנותר לאחר הטחינה הגסה בעובי של כ-2 מיקרון. הדילול עולה לעובי של (C) 1 מיקרון, (D) 500 ננומטר, (E) מתחת ל-500 ננומטר עד 200 ננומטר, ו-(F) עובי סופי שנמדד. החצים מציינים את ההטיה והדילול משני הצדדים בשלבים איטרטיביים. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

3. ניסויים בחימום והטיה במקום בתוך ה-(S)TEM

  1. הכנס את שבב MEMS למחזיק הדגימה.
  2. לאחר מכן, הכנס את המחזיק למכשיר (S)TEM וחבר אותו למערכת ה-insitu .
  3. ההתקנה כוללת יחידת בקרה לחימום לטמפרטורה ומד מקור לשליטה בהטיה החשמלית. יחידת החיבור משלבת את שני המכשירים כדי לשלוט בשבב MEMS. חבר את יחידת החימום ואת מד המקור למחשב נייד עם כבלי USB-C. חבר את ההגדרה במקום כפי שמוצג באיור 7.
  4. מד המקור מספק פלט של Force-LO (F-LO) ו-Force-HI (F-HI). חבר אותם לכניסת יחידת החיבור 1 ו-6, בהתאמה (כבלים שחורים באיור 7).
  5. לאחר מכן, חבר את יחידת בקרת החימום ליחידת החיבור (כבל אדום באיור 7).
  6. הארקת יחידת החיבור, יחידת בקרת החימום ומד המקור (כבלים צהובים, איור 7).
  7. הפעל את מד המקור.
    הערה: ודא שכאשר מד המקור מופעל או נכבה, מנתק את הכבל מיחידת החיבור למחזיק הדגימה כדי למנוע פריקה.
  8. לאחר סיום ההגדרה, חבר את הכבל שיוצא מיחידת החיבור למחזיק ב-(S)TEM (כבל כחול באיור 7). הכי טוב כבר לצפות בדגימה בעת חיבור הכבל כדי לבדוק אם מתרחשת פריקה כלשהי, שעלולה להרוס את הדגימה. כדי למנוע זאת, תמיד הדליקו את מד המקור לפני חיבור הכבל מיחידת החיבור למחזיק הדגימה.
    הערה: המחזיק עצמו מנותק מהאדמה, אחרת זה היה גורם לשגיאת מגע מוט.
  9. הפעל את המחשב. השתמש בתוכנת הבקרה הספציפית לכלי הלפטופ. הפעל את התוכנה ובחר את תנאי הקלט (למשל, טמפרטורה, מתח, זרם).
  10. עכשיו, תכוון את הטמפרטורה. מספר מקדם ההתנגדות (tcr) מודפס על האריזה של הקופסה עם שבבי MEMS. הכנס ערך זה לתוכנה. כייל את הטמפרטורה לאחר הכנסת המספר.
  11. מתחילים את הניסוי, ומוצגים שני גרפים של טמפרטורה וזרם/מתח לאורך זמן המדידה.
  12. הגדר את הטמפרטורה. בכל שלב טמפרטורה, המתח נמרח אוטומטית בטווח הנבחר כאשר בוחרים הטיית רמפה בתוכנה. חלופה נוספת היא לבחור מתח הטיה קבוע.
  13. כדי שניסוי יתחיל, יש להגדיר את הטווח לסריקת מתח (למשל, 1 mV) או לבחור מתח קבוע.
  14. לאחר המדידה, עצור את הניסוי ושמור את הנתונים.

figure-protocol-7
איור 7: הטיה והגדרת חימום. סכמטי של ההתקנה לניסויי הטיה וחימום במקום , כולל מד המקור, יחידת בקרת החימום ויחידת חיבור לשילוב קלטי החימום וההטיה עם פלט ("Out") למחזיק הדגימה. הצבע הצהוב מסמל את חיבור ההארקה של המכשירים, האדום הוא החיבור של יחידת החימום והחיבור, הכחול הוא החיבור למחזיק הדגימה, והחיבורים השחורים הם למדידות חשמליות. פורט 4H/2B מתייחס למערכת שבב במיקום עם 4 מגעי חימום ו-2 מגעי ביאסינג. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

תוצאות

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

בהתאם לפרוטוקול, הדגימות מוכנות מחומרים תרמואלקטריים פוליקריסטליים בתפזורת Zn4Sb3 לניסויי operando (S)TEM. ההתנגדות הכוללת (R) נמדדת באמצעות מד מקור, כפי שפורט לעיל.

כפי שמוצג באיור 8, המתח (V) נמרח בין ±1 mV (איור 8A), והזרם המתקבל (I) מתועד באיור 8B. לזרם יש קשר ליניארי עם המתח המופעל, מה שמראה את ההתנהגות האוהמית (איור 8C). לכן ניתן לחשב את ההתנגדות החשמלית R מהשיפוע של עקומת I-V באמצעות חוק אוהם:

figure-results-1 (2)

השיפוע של עקומת I-V נקבע כ-R = 257 Ω (איור 8).

figure-results-2
איור 8: עקומת I-V. (A) הסטת המתח, (B) הזרם המתקבל, ו-(C) עקומת I-V בטמפרטורת החדר, כאשר ההתנגדות נמדדת כשיפוע עקומת I-V. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

כדי למדוד התנגדות חשמלית כפונקציה של טמפרטורה, הוחל חימום מבוסס MEMS על השבב. הדגימה חוממה בשלבים בין טמפרטורת החדר (21 מעלות צלזיוס) ל-50 מעלות צלזיוס, 100 מעלות צלזיוס, 150 מעלות צלזיוס ו-200 מעלות צלזיוס (בעלייה השנייה גם היא ל-250 מעלות צלזיוס ו-300 מעלות צלזיוס) וקיררה חזרה באותם שלבי טמפרטורה (איור 9A).

figure-results-3
איור 9: חימום וקירור במקום ב-TEM. (A) הטמפרטורה המופעלת במהלך מחזורי חימום-קירור עד 200°C ו-300°C שצוירה לאורך זמן הניסוי, ו-(B) ההתנגדות הכוללת המתאימה (R) שנמדדה בכל שלב טמפרטורה, כאשר R נמדדת במהלך החימום מיוצגת על ידי סמלים פתוחים וקירור על ידי סמלים סגורים. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

כפי שמוצג באיור 9B, ערכי R שנמדדו במחזור החימום הראשון מ-21 °C עד 200 °C גבוהים יותר מערכי R שנמדדו בשלבי הקירור מ-200 °C עד 21 °C. לאחר מכן, הדגימה חוממה בפעם השנייה מ-21 מעלות צלזיוס ל-300 מעלות צלזיוס (איור 9A). במחזור חימום שני זה, R אינו משתנה בעת חימום או קירור לעומת עקומת הקירור הראשונה (איור 9B), ולכן מדידת ההתנגדות ניתנת לשחזור.

כדי להעריך את ההתנגדות החשמלית הפנימית של הדגימה, נמשכים מעגל התנגדות עבור ההגדרה, הכולל את התרומות השונות להתנגדות הנמדדת R (איור 10).

figure-results-4
איור 10: מעגל ההתנגדות של הדגימה והמגעים. (A) השרטוטים של ההתקנה, כולל כל התרומות להתנגדות הכוללת (R) עם מעגל ההתנגדות ו-(B) הממדים של הלמלה באורך (L0), רוחב (w0) ועובי (t0), יחד עם שני העמודים (P1 ו-P2). אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

כאשר זרם מוחלף דרך הדגימה, תהיה התנגדות הנובעת מהאלקטרודות שבשבב MEMS (RLC ו-RRC), ההתנגדות של חומר ההפקדה Pt-C, ששימש לריתוך הדגימה על השבב (RC1 ו-RC2). הדגימה מורכבת משלוש צורות: הלמלה (R0) ושני העמודים (R1 ו-R2). ההתנגדות הכוללת ניתנת לביטוי כך:

figure-results-5(3)

עם הממדים של אורך (L0), רוחב (w0) ועובי (t0) שנמדדו ב-FIB, ההתנגדות החשמלית הפנימית (ρ), וכן ההתנגדות המשולבת Rc = RLC + RRC +R C1 + RC2 + R1 + R2.

אם Rc ידוע, ניתן לחשב את ההתנגדות החשמלית (ρ) ממדידות האופרנדו של R על ידי סידור מחדש של משוואה 3:

figure-results-6 (4)

מכיוון ש-Rc אינו זניח ובדרך כלל אינו ידוע, נדרשת שיטה נוספת לגזור את ערכי ρ לכל טמפרטורה.

לפי משוואה 4, ההתנגדות הכוללת R משתנה עם ממדות הדגימה (L, w, t). כפי שמוצג באיור 10B, במהלך שלושה שלבים שונים של דילול הלמלה ב-FIB (שלב 2.9), לדגימה היו ממדים שונים, בעיקר בעובי, כפי שמוצג בטבלה 1.

ממדים בעובי 1.8 מיקרון:ממדים לעובי 0.5 מיקרון:ממדים לעובי 0.2 מיקרון:
W1L1T1W1L1T1W1L1T1
4.255.703.81[מיקרו]4.26.203.81[מיקרו]4.26.353.81[מיקרו]
w0L0t0w0L0t0w0L0t0
3.654.271.77[מיקרו]2.704.350.48[מיקרו]1.704.350.22[מיקרו]
w2L2T2w2L2T2w2L2T2
4.105.753.33[מיקרו]4.206.103.33[מיקרו]4.206.253.33[מיקרו]

טבלה 1: ממדי דגימה. ממדי שלוש הגיאומטריות של הדגימה שנמדדו במהלך שלבי הדילול השונים של הלמלה.

מכיוון שמדידות R חזרו על עצמן בשלושה ממדים שונים, נלקחו ערכי R הניתנים לשחזור מהשלבים של הקירור מ-200 °C עד 21 °C וצוירו כפונקציה של הממדים figure-results-7 לפי

figure-results-8 (5)

כאשר R(T), ρ(T) ומייצגות רק את הטמפרטורות השונות שבהן נמדדה הדגימה במהלך חימום וקירור מדורגים לכל עובי. הגרף הוא ליניארי לפי משוואה 5, כאשר השיפוע של R מתאים ל-ρ(T), בעוד שהחיתוך בציר האנכי הוא (איור 11).

figure-results-9
איור 11: התאמה ליניארית של התנגדות לממדי הדגימה. דוגמה לתרשים עבור ה-R הנמדד בטמפרטורה של 200 °C בשלושה שלבי מילינג עם ממדים שונים של למלה (טבלה 1). השיפוע של העיקול המותאם תואם ל-ρ. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של איור זה.

אותו גרף והתאמה ליניארית מתבצעים עבור כל טמפרטורה במהלך שלבי הקירור, כאשר ה-R הנמדד ניתן לשחזור. השיפועים והיירוטים של נקודות הנתונים המותאמות מחזירים ρ ואת ההתנגדות המשולבת Rc (משוואה 3), בהתאמה. כפי שמוצג באיור 12, ניתן לקבוע גם ρ וגם Rc כפונקציה של טמפרטורה.

figure-results-10
איור 12: דוגמת התנגדות חשמלית. הכתמים של ההתנגדות החשמלית ρ וההתנגדות המשולבת Rc כפי שמוגדרת במשוואה 4. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

ככל שהטמפרטורה עולה, ρ גם עולה מ-8.8 מיקרו-אום ב-21 מעלות צלזיוס ל-9.9 מיקרו-אום∙ ב-200 מעלות צלזיוס. זה צפוי עבור מוליך למחצה מנוון ומתאים למדידות על Zn4Sb349. ה-Rc נצפה עולה מכ-150 Ω ב-21 מעלות ל-178 Ω ב-200 מעלות צלזיוס, מה שצפוי גם למתכות ולמוליכים למחצה מנוונים.

במהלך המדידות החשמליות, נצפה המיקרו-מבנה של הדגימה לאחר שלב הדילול הסופי (עובי 0.2 מיקרון) באמצעות מכשיר TEM המופעל במצב STEM (איור 13A). המיקרו-מבנה היה יציב במהלך טווח הטמפרטורות (21°C עד 300°C) של מדידות ההתנגדות. גודל הגרעין הממוצע של דגימת Zn4Sb 3 נשאר 300 ננומטר לאחר מחזורי החימום-קירור עד 300°C (איור 9A).

figure-results-11
איור 13: מיקרו-מבנה והרכב. (A) מיקרוגרפים טבעתיים של שדה בהיר-STEM של מדגם Zn4Sb3 לפני ואחרי מחזורי החימום-קירור עד 300 מעלות צלזיוס, (B) אינטגרציה של ספקטרום EDS של הלמלה, ו-(C) מפות יסודיות המציגות את ההתפלגות ההומוגנית של אבץ ו-Sb. אנא לחצו כאן לצפייה בגרסה גדולה יותר של איור זה.

כפי שמוצג באיור 13B, ספקטרוסקופיית קרני רנטגן מפיזרת באנרגיה כוללת (EDS) מראה שיאים ברורים של Zn ו-Sb. המפות האלמנטריות באיור 13C מציגות התפלגות הומוגנית של אבץ ו-Sb. כימות יסודי מניב 56.6% אבץ ו-43.4% ב-Sb, בהתאם להרכב הנומינלי של אבץ4סב3 (57.1 באחוז אבץ, 42.9 באחוז אבץ). באמצעות הליך אופראנדו זה, ניתן לעקוב אחר התפתחות המיקרוסטרוקטורלית של הדגימה תחת חימום והטיה חשמלית, והיא מתואמת למדידות על תכונות החומרים ρ.

דיון

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

הפחתת התנגדות המגע במהלך חימום
השיפועים של עקומות החימום והקירור מראים שונות במדידות של R. מדידות R עבור הממדים השונים (בעיקר עובי) של עקומת הקירור הראו שכל הנקודות מתאימות בצמוד לקו אחד לפי משוואה 5 (איור 14A). לעומת זאת, עקומת החימום הראתה שונות גדולה בין ערכי ה-R השונים באותה טמפרטורה וכך גם השיפוע (איור 14B). השיפועים השונים הללו (המסומנים על ידי הקווים הכחולים והאדומים באיור 14B) יובילו לערכים שונים עבור ρ וכן עבור Rc ויניבו מדידות לא עקביות.

figure-discussion-1
איור 14: אי-ודאות בהתנגדות חשמלית. ה-R שרטט עבור שלושת הממדים השונים של הדגימה, והראה את R מ-(A) את הקירור (200 °C עד 21 °C) ב-21 °C, ו-(B) את החימום (21 °C עד 200 °C), נמדד R ב-21 °C, כאשר הקווים הכחולים והאדומים מציינים את הסטיות. אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

כפי שמוצג באיור 14B, אי-הוודאות לגבי ההתאמה הליניארית של עקומת החימום היא 7.4% עבור Rc ו-17.3% ב-ρ. לעומת זאת, בעקומת הקירור (איור 14A), האי-ודאות היא רק 1.2% עבור Rc ו-2.8% ב-ρ. לכן, למדידות אמינות של ρ ו-Rc, יש להשתמש רק בערכי R מעקומת הקירור.

ההבדל בין מדידות ה-R בין עקומות החימום והקירור ניתן לייחס לסיבה הבאה. במחקר קודם על מגעי Pt-C לחימום והטיה במקום , Zhong ואח' 50 הראו כי ניתן להוריד את ההתנגדות הכוללת על ידי חישוש מעל 100 °C, בשל הפחתת ההתנגדות של קומפוזיט Pt-C. כפי שמוצג סכמטית באיור 15, מגעי Pt-C הושקעו כננו-חלקיקי Pt במטריצת C אמורפית. במהלך החישול, המגע פנה לרשתות Pt עם קישוריות גבוהה יותר בין ננו-חלקיקי Pt ולכן התנגדות מופחתת. מהניסויים שבוצעו, חימום ל-200 מעלות צלזיוס הספיק כדי להגיע לערכי R הניתנים לשחזור. לא נרשמה ירידה נוספת בהתנגדות בחימום של עד 300 מעלות צלזיוס.

figure-discussion-2
איור 15: מנגנון אפשרי להפחתת התנגדות המגע. שרטוטים של (A) ננו-חלקיקי פלטינה (Pt) שיצרו (B) מסלולים מוליכים חלקיים מוקפים בפחמן (C). אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

דליפת זרם במדידות חשמליות
כפי שמוצג באיור 16, מסלולי דליפה יכולים להיווצר בין האלקטרודות בעקבות שלבי השקיעת Pt (שלב 1.31–1.36) במהלך הכנת FIB. באיור 16A, הגוונים הירוקים מציינים את האזורים המשוערים שבהם ניתן לראות שאריות מריתוך Pt-C (שלבים 1.31–1.36).

כדי להסביר מסלולי דליפה כאלה הנובעים משאריות מהפקעת Pt-C, יש להכניסדליפת עמידות דליפה R במקביל לדגימה (R1,R 0 ו-R2) ולהתנגדות ריתוך (RC1 ו-RC2) (איור 16B). מעגל ההתנגדות לנתיב דליפה מקביל כזה מוצג באיור 16C.

figure-discussion-3
איור 16: מעגל התנגדות נתיב הדליפה. (א) תמונת אלקטרונים משנית שצולמה ב-FIB במהלך ההכנה מראה שקיעת Pt-C לאחר שלב הריתוך הראשון (1.31), (B) את השרטוטים של זרם הדליפה והזרם דרך הדגימה, ו-(C) את מעגל ההתנגדות להגדרה זו. הצבע הירוק השקוף ב-(A) ו-(B) מציין את שכבת Pt-C השארית מהריתוך (שלבים 1.31–1.36). אנא לחצו כאן כדי לצפות בגרסה מוגדלת של הדמות הזו.

להערכת דליפת R, למלה נחתכה לחלוטין כדי לחסום את הנתיב החשמלי דרך הדגימה, והשאיר רק את נתיב הדליפה (איור 16B). במקרה זה, נקבעה דליפת R כ-4 kΩ. יש לשים לב שערך זה משתנה בהתאם לתהליך הריתוך Pt-C, ומשמש רק כהערכה בסדר גודל של סדר. במקרה זה, ערכי R הנמדדים (200–300 Ω, איור 9) קטנים בהרבה מדליפת R, כך שהשפעת מסלול הדליפה נשארת קטנה. עם זאת, עבור חומרים עם התנגדות גבוהה יותר, ערכי R המתקבלים יכולים לעלות על 1 kΩ, מה שמוביל להשפעה משמעותית ממסלול הדליפה, או אפילו להשפעה דומיננטית ממסלול הדליפה עבור ערכי R נמדדים העולים על 10 kΩ. כדי למדוד דגימות עם התנגדות גבוהה יותר באופן אמין, נדרשים צעדים נוספים למקסם דליפת R. כפי שצוין בשלב 1.26 של הפרוטוקול, ניתן להאריך את חלון הוואקום בשבב באמצעות מילינג FIB. יש לבצע זאת באמצעות חיתוך של 20–30 מיקרון מעל ומתחת לחלון שמעליו ממוקמת הדגימה, שכן השאריות נצפתה בעיקר ברדיוס של 10 מיקרון. חלון מוגבר זה חוסם למעשה את נתיב הדליפה דרך שאריות Pt-C בין שתי האלקטרודות, מה שמוביל לדליפת R > 100 MΩ. על ידי הארכת חלון הוואקום, ניתן למדוד חומרים עם התנגדות חשמלית גבוהה בהרבה באופן אמין.

ראוי לציין גם כי שאריות מהפקדת Pt-C קיימות גם על פני השטח של עמודי הדגימה, כפי שמוצג באיור 6A. השפעת מסלולי הדליפה הללו מוצגת רק במונח ההתנגדות המשולבת Rc במשוואה 3, שכן הלמלה מדוללת כדי להיות חופשית מהפקעת Pt-C.

לסיכום, מוצג פרוטוקול להכנת הדגימה על שבבי MEMS בהטיה וחימום במקום באמצעות FIB. השיטה עושה שימוש בהעברת דגימה בשלב אחד של דגימת plan-view לשבב MEMS, ואחריה דילול ישיר על השבב. דבר זה מאפשר הכנה פשוטה של דגימות TEM ומפחית נזק מכני או קרני יונים. ניתן לקבוע את ההתנגדות החשמלית כפונקציה של טמפרטורה. זה מאפשר אפיון מיקרוסטרוקטוריאלי של אופראנדו עם קורלציה ישירה לתכונות החשמליות של הדגימה. למרות השימוש במדידות חשמליות של גלאי דו-נקודתי, ניתן להפריד בין תרומות ההתנגדות וההתנגדויות המגעיות של הדגימה הפנימית באמצעות מדידות התנגדות לאחר שלבים שונים של מילינג FIB עם ממדים שונים של דגימה. באמצעות גישה זו, ניתן להעריך תכונות חשמליות פנימיות של TEs וחומרים רבים ביישומים חשמליים ואנרגטיים במהלך אפיון מיקרוסקופי אופראנדו.

גילויים

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

למחברים אין מה לחשוף.

תודות

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

אנו מודים לד"ר וסנה סרוט על המשוב הבונה על כתב היד. D.A.M. מכירה במימון מבית הספר הבינלאומי למחקר מקס פלאנק למטלורגיה בת-קיימא (IMPRS SusMet). סי.ג'יי. מכיר בתוכנית המחקר המשותפת הגלובלית הממומנת על ידי אוניברסיטת פוקיונג הלאומית (202506170001). C.S. ו-S.Z. מודים לקרן המחקר הגרמנית (DFG) על מימון במרכז המחקר השיתופי SFB 1394 "מורכבות אטומית מבנית וכימית — מדיאגרמות פאזה של פגמים ועד תכונות חומרים" (מזהה פרויקט 409476157, קבוצת פרויקט B01).

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
Gas Injection System (FIB)Thermo Fisher Scientific1346158מספר קטלוג המשמש להזמנה ישירה מ- Thermo Fisher Scientific 
יחידת בקרת חימוםDENSsolutions180200304עם כבלים
יחידת חיבורDENSsolutions160800114עם כבלים
מחזיק מערכת ברקDENSsolutions-
MEMS chipsDENSsolutions4 אנשי חימום ו-2 אנשי שיפוט, אפשרי גם ל-4 אנשי שיפוט ו-2 אנשי חימום
תוכנה: אימפולסDENSsolutionsגרסה 1.2.0.0תוכנה במחשב נייד המסופקת על ידי DENSsolutions

מקורות

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Ying, P., et al. Performance degradation and protective effects of atomic layer deposition for Mg-based thermoelectric modules. Adv Funct Mater. 34, 2406473 (2024).
  2. Al-Mamun, N. S., et al. Synergistic effects of heating and biasing of AlGaN/GaN high electron mobility transistors an in-situ. transmission electron microscopy study. Microelectron Reliab. 160, 115470 (2024).
  3. Kamaladasa, R. J., et al. In situ TEM imaging of defect dynamics under electrical bias in resistive switching rutile-TiO2. Microsc Microanal. 21 (1), 140-153 (2015).
  4. Abdellaoui, L., et al. Parallel dislocation networks and Cottrell atmospheres reduce thermal conductivity of PbTe thermoelectrics. Adv Funct Mater. 31, 2101214 (2021).
  5. Yu, Y., et al. Dynamic doping and Cottrell atmosphere optimize the thermoelectric performance of n-type PbTe over a broad temperature interval. Nano Energy. 101, 107576 (2022).
  6. Smeaton, M. A., Abellan, P., Spurgeon, S. R., Unocic, R. R., Jungjohann, K. L. Tutorial on in situ and operando scanning transmission electron microscopy for analysis of nanoscale structure–property relationships. ACS Nano. 18 (48), 35091-35103 (2024).
  7. Ngo, D., Hung, L. T., Van Nong, N. In situ. TEM studies of nanostructured thermoelectric materials an application to Mg-doped Zn4Sb3 alloy. ChemPhysChem. 19 (1), 108-115 (2018).
  8. Zhang, C., et al. Recent progress of in situ transmission electron microscopy for energy materials. Adv Mater. 32, 1904094 (2020).
  9. Yang, Z., et al. Direct visualization of Li dendrite effect on LiCoO2 cathode by in situ TEM. Small. 14, 1803108 (2018).
  10. Huang, J. Y., et al. In situ. observation of the electrochemical lithiation of a single SnO2 nanowire electrode. Science. 330 (6010), 1515-1520 (2010).
  11. Fan, Z., et al. Layer-by-layer degradation of methylammonium lead tri-iodide perovskite microplates. Joule. 1 (3), 548-562 (2017).
  12. Yoshida, H., et al. Visualizing gas molecules interacting with supported nanoparticulate catalysts at reaction conditions. Science. 335 (6066), 317-319 (2012).
  13. Chee, S. W., Lunkenbein, T., Schlögl, R., Roldán Cuenya, B. Operando electron microscopy of catalysts the missing cornerstone in heterogeneous catalysis research. Chem Rev. 123 (22), 13374-13418 (2023).
  14. Yaguchi, T., Gabriel, M. L. S., Hashimoto, A., Howe, J. Y. In situ. TEM study from the perspective of holders. Microscopy (Oxf). 73 (2), 117-132 (2024).
  15. Adabifiroozjaei, E., et al. In situ. scanning transmission electron microscopy study of Al-amorphous SiO2 layer-SiC interface. J Mater Sci. 58 (4), 2456-2468 (2023).
  16. Allard, L. F., et al. Novel MEMS-based gas-cell heating specimen holder provides advanced imaging capabilities for in situ. reaction studies. Microsc Microanal. 18 (4), 656-666 (2012).
  17. Srot, V., Straubinger, R., Predel, F., Van Aken, P. A. Preparation of high-quality samples for MEMS-based in situ STEM experiments. Microsc Microanal. 29 (3), 596-605 (2023).
  18. Mangum, J. S., Garten, L. M., Ginley, D. S., Gorman, B. P. Utilizing TiO2 amorphous precursors for polymorph selection an in situ. TEM study of phase formation and kinetics. J Am Ceram Soc. 103 (5), 2899-2907 (2020).
  19. Krisper, R., Lammer, J., Pivak, Y., Fisslthaler, E., Grogger, W. The performance of EDXS at elevated sample temperatures using a MEMS-based in situ TEM heating system. Ultramicroscopy. 234, 113461 (2022).
  20. Garza, H. H. P., et al. MEMS-based sample carriers for simultaneous heating and biasing experiments a platform for in situ TEM analysis. , 2155-2158 (2017).
  21. Tyukalova, E., et al. Challenges and applications to operando and in situ TEM imaging and spectroscopic capabilities in a cryogenic temperature range. Acc Chem Res. 54 (16), 3125-3135 (2021).
  22. Zhong, X., et al. Novel hybrid sample preparation method for in situ. liquid cell TEM analysis. Microsc Microanal. 20 (S3), 1514-1515 (2014).
  23. Wang, H., Xiao, S. G., Xu, Q., Zhang, T., Zandbergen, H. Fast preparation of ultrathin FIB lamellas for MEMS-based in situ .TEM experiments. Mater Sci Forum. 850, 722-727 (2016).
  24. Recalde-Benitez, O., et al. Weld-free mounting of lamellae for electrical biasing operando TEM. Ultramicroscopy. 260, 113939 (2024).
  25. Vijayan, S., Jinschek, J. R., Kujawa, S., Greiser, J., Aindow, M. Focused ion beam preparation of specimens for micro-electro-mechanical system-based transmission electron microscopy heating experiments. Microsc Microanal. 23 (4), 708-716 (2017).
  26. Zorro, F., Carbo-Argibay, E., Ferreira, P. J. Novel method for the preparation of lamellas from porous and brittle materials for in situ TEM heating biasing. Microsc Microanal. 30 (1), 41-48 (2024).
  27. Minenkov, A., et al. Advanced preparation of plan-view specimens on a MEMS chip for in situ .TEM heating experiments. MRS Bull. 47 (4), 359-370 (2022).
  28. Zhou, X., et al. Materials design by constructing phase diagrams for defects. Adv Mater. 37, 2402191 (2025).
  29. Zintler, A., et al. FIB based fabrication of an operative Pt/HfO2/TiN device for resistive switching inside a transmission electron microscope. Ultramicroscopy. 181, 144-149 (2017).
  30. Almeida, T. P., et al. Preparation of high-quality planar FeRh thin films for in situ. TEM investigations. J Phys Conf Ser. 903, 012022 (2017).
  31. Hamid Elsheikh, M., et al. A review on thermoelectric renewable energy principle parameters that affect their performance. Renew Sustain Energy Rev. 30, 337-355 (2014).
  32. Sootsman, J. R., Chung, D. Y., Kanatzidis, M. G. New and old concepts in thermoelectric materials. Angew Chem Int Ed Engl. 48 (46), 8616-8639 (2009).
  33. Abdellaoui, L., et al. Density distribution and nature of planar faults in silver antimony telluride for thermoelectric applications. Acta Mater. 178, 135-145 (2019).
  34. Bueno Villoro, R., et al. Fe segregation as a tool to enhance electrical conductivity of grain boundaries in Ti(Co,Fe)Sb half Heusler thermoelectrics. Acta Mater. 249, 118816 (2023).
  35. Zavanelli, D., et al. Identifying insulating to metallic complexion transitions in NbFeSb. Phys Rev Mater. 9, 045402 (2025).
  36. Isotta, E., et al. Heat transport at silicon grain boundaries. Adv Funct Mater. 34, 2405413 (2024).
  37. Zhang, S., Isotta, E., Bueno-Villoro, R., Scheu, C. Probing grain-boundary structure chemistry and transitions. MRS Bull. 51, 168-180 (2026).
  38. Yu, Y., et al. Ostwald ripening of Ag2Te precipitates in thermoelectric PbTe effects of crystallography dislocations and interatomic bonding. Adv Energy Mater. 14, 2304442 (2024).
  39. Jung, C., et al. Effect of heat treatment temperature on the crystallization behavior and microstructural evolution of amorphous NbCo1.1Sn. ACS Appl Mater Interfaces. 15 (40), 46064-46073 (2023).
  40. Condron, C. L., Kauzlarich, S. M., Gascoin, F., Snyder, G. J. Thermoelectric properties and microstructure of Mg3Sb2. J Solid State Chem. 179 (7), 2252-2257 (2006).
  41. Shang, H., et al. N-type Mg3Sb2-Bi with improved thermal stability for thermoelectric power generation. Acta Mater. 201, 572-579 (2020).
  42. Ma, R., et al. Effect of secondary phases on thermoelectric properties of Cu2SnSe3. Ceram Int. 43 (9), 7002-7010 (2017).
  43. Shi, X. L., Zou, J., Chen, Z. G. Advanced thermoelectric design from materials and structures to devices. Chem Rev. 120 (15), 7399-7515 (2020).
  44. Wu, H., et al. Advanced electron microscopy for thermoelectric materials. Nano Energy. 13, 626-650 (2015).
  45. Minnich, A. J., Dresselhaus, M. S., Ren, Z. F., Chen, G. Bulk nanostructured thermoelectric materials current research and future prospects. Energy Environ Sci. 2 (5), 466-479 (2009).
  46. Barako, M. T., Park, W., Marconnet, A. M., Asheghi, M., Goodson, K. E. Thermal cycling mechanical degradation and the effective figure of merit of a thermoelectric module. J Electron Mater. 42 (2), 372-381 (2013).
  47. Hatzikraniotis, E., Zorbas, K. T., Samaras, I., Kyratsi, T., Paraskevopoulos, K. M. Efficiency study of a commercial thermoelectric power generator under thermal cycling. J Electron Mater. 39 (9), 2112-2116 (2010).
  48. Zhang, L. T., Tsutsui, M., Ito, K., Yamaguchi, M. Thermoelectric properties of Zn4Sb3 thin films prepared by magnetron sputtering. Thin Solid Films. 443 (1–2), 84-90 (2003).
  49. Zhong, C., et al. The relationships of microscopic evolution to resistivity variation of a FIB-deposited platinum interconnector. Micromachines (Basel). 11 (6), 588 (2020).

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

232232JoVEIn situIn situoperando
הסרטון יגיע בקרוב

מאמרים קשורים