Atom לימודי Probe טומוגרפיה על Cu (ב, GA) Se

המטרה הכללית של פרוצדורה זו היא לקבוע את המתאם בין ההרכב הכימי למבנה של גבולות הגרעינים ב-CIGS. זאת מושג תחילה על ידי הוצאה של פיסה מחומר ה-CIGS והצמדת חלק ממנה על גבי פיני מוליבדן חדים של חצי-סריג למיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM). השלב השני הוא ביצוע מדידת עקיפה של אלקטרונים מפוזרים לאחור (EBSD) על חתך הרוחב של פיסת ה-CIGS, אשר נוקתה קודם לכן באמצעות קרן יונים ממוקדת (FIB).

בשלב הבא מבוצע כרסום טבעתי (annular milling) באזור של גבול גרעין נבחר. מטרת שלב זה היא להשיג בסופו חוד חד מאוד בקוטר של כ-50 nanometers. השלב הסופי הוא מיקום מדויק של גבול הגרעין בתוך החוד באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (transmission electron microscope), והצבת גבול גרעין זה קרוב לקודקודו של החוד באמצעות כלי קרן יונים ממוקדת (focused ion beam).

בסופו של דבר, מחקרי טומוגרפיה של חיישן אטומי (atom probe tomography) שבוצעו על החוד שהוכן הראו את ההרכב הכימי של גבול הגרעין הנבחר בקנה מידה ננומטרי. היתרון העיקרי של טכניקה זו על פני שיטת ה-lift out הסטנדרטית הקיימת הוא היכולת להקרין באופן ישיר את ההרכב הכימי עם מידע מבני, כגון סוג גבול הגרעין והזווית של חוסר ההתאמה (misorientation). שיטה זו עשויה לסייע במתן מענה לשאלות מפתח הנוגעות ל-CHS vol dykes, כגון הפחתת עלויות הייצור תוך הגברת היעילות.

אכן, ממשקים פנימיים כגון גבולות גרעין יכולים למלא תפקיד מכריע כיוון שהם עשויים להשפיע על הרקומבינציה ועל הובלת המטען. גישה זו ישימה באופן עקרוני לכל החומרים עם גדלי גרעין מעל 500 nanometers שניתן לאפיין באמצעות טומוגרפיה של APRO. באופן כללי, השיטה הנוכחית מהווה אתגר עבור אנשים חדשים בתחום, כיוון שהם נדרשים למיומנות בטכניקות של קרן אלקטרונים ממוקדת, EBSD ומיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM).

העלנו לראשונה את הרעיון לפיתוח שיטה זו כאשר גילינו כי ריכוז הזיהומים בנתרן ספציפי משתנה מגבול גרעין אחד של CIGS למשנהו. התחילו ביצירת מקור של חומר CIGS למחקר. בהדגמה זו, 500 nanometers של מוליבדן הוטמעו בשיטת sputtering על מצע של זכוכית soda-lime בעובי של ثلاثة millimeter, ושני micrometers של CIGS הועלו בשיטת co-evaporation על המוליבדן. לאחר מכן, צרו את המבנה שישמש לתמיכה בדגימה.

חתוך רשת של מיקרוסקופ אלקטרונים חודר (TEM) לשני חלקים, רכּב את חצי הרשת על מחזיק שתוכנן במיוחד, ובצע ליטוש חשמלי לפיני הרשת ב-5% sodium hydroxide כדי לקבל עמודי תמיכה חדים בעוביים קטנים משני מיקרומטרים, תוך עבודה עם מכשיר Dion Beam Mill ממוקד. צור שתי תעלות בסרט ה-CIGS המגבים אזור של כ-25 מיקרומטרים על שני מיקרומטרים. לאחר מכן, השתמש בקרן כדי להפריד את הצד השמאלי של האזור.

כעת יש להניח ריתוך פלטינה על האזור ולהצמיד מיקרו-מניפולטור כאשר זה במקומו. בצעו את החיתוך הסופי בצד ימין של האזור כדי לקבל מקטע חומר עומד באופן עצמאי. חתכו את הקצוות של הפינים החדים של חצי הרשת כדי ליצור משטחים בקוטר שני עד שלושה מיקרומטרים שישמשו כפלטפורמה וחיבור טובים עבור המקטע שהוצא.

חברו את חלק ה-CIGS שהוצא מהדגם אל הפינים באמצעות ריתוך פלטינה. לאחר הצמדת הדגימה, בצעו חיתוך חופשי כך שיישאר רק נתח CIGS של כ-2 µm מעל הפין. לבסוף, מלאו את הרווח שבין הפין לבין החלק המחובר בפלטינה.

כוון את הרשת כך שהפינים פונים כלפי מעלה. הגדר את קרן ה-Dion Beam כך שמתח ההאצה יהיה 5 kV וזרם הקרן יהיה פחות מ-50 pA. השתמש בקרן כדי לנקות את חתך הרוחב של הדגימה בסיום.

בצע מדידות עקיפת אלומת אלקטרונים במפזור אחורי (EBSD) על חתך הרוחב שנוקה. בהתבסס על הנתונים, בחר גבול גרעין רלוונטי. רצוי לבחור גבול גרעין שמאונך לכיוון הניתוח של מיקרוסקופ גש probes של אטומים.

כאן הבחירה מוצגת על ידי המיקום הסכימטי של קצה מחט ה-atom probe tomography. הגדירו את קרן היונים הממוקדת (focused ion beam) לביצוע שחירה טבעתית (annular milling) כדי ליצור קצה חד בסמוך לגבול הגרעין שנבחר. בצעו את השחירה הטבעתית בסוף.

החוד החד צריך להיות מתאים להמשך בדיקה במיקרוסקופיה אלקטרונית בשימור (TEM). לאחר יצירת החוד, השתמש במיקרוסקופיה אלקטרונית בשימור כדי לאתר את המיקום המדויק של גבול הגרעין ביחס לקודקודו. לאחר איתור גבול הגרעין, החזר את הדגימה למקרן היונים הממוקד (FIB) הפועל במתח של 5 kV ובזרם של פחות מ-50 pA.

המשך בטחינת הדגימה כדי למקם את גבול הגרעין במרחק מקסימלי של 200 nanometers. תחת קודקוד החוד, נטר את התהליך באמצעות מיקרוסקופיה של אלקטרונים משניים. כעת, בחזרה במיקרוסקופ האלקטרונים החודר, בדוק את מיקום גבול הגרעין ביחס לחוד באמצעות הגדלות נמוכות וזמני חשיפה קצרים כדי להגביל את הנזק.

צור תמונת סקירה כללית של הדגימה כדי להשיג מידע על גבול הגרעין. הגדר את קוטר הדגימה ואת זווית חצי הגזע. כדי להתחיל בתהליך, רכב את הדגימה שאופיינה מראש במחזיק של ה-atom probe tomography.

לאחר מכן, התקינו את התומך באחד משלושת הקרוסלות הזמינות. הכניסו את הקרוסלה למנעול הטעינה (load lock) והפעילו את משאבת הוואקום. כאשר הלחץ במנעול הטעינה מגיע לכ-100 nano tour, הכניסו את הקרוסלה לתא הבאפר (buffer chamber).

בשלב הבא, קררו את המערכת לטמפרטורה נמוכה מ-60 kelvin כדי למנוע דיפוזיה של האטומים על פני השטח של הדגימה במהלך האנליזה. לאחר קירור המערכת, התחילו את המדידה לאחר הגדרת המכשיר למצב לייזר, תוך שימוש בלייזר ירוק עם אורך גל של 532 nanometers ואורך פולס של 12 picoseconds. לסיום, הגדירו את המכשיר למצב אוטומטי לצורך ניתוח הנתונים.

השתמש בתוכנת הוויזואליזציה והניתוח המשולבת. הנתונים הגולמיים מהמדידות מכילים קובץ RHIT. כדי לשחזר את המפה התלת-ממדית, וודא שהקובץ הנכון נבחר באמצעות חלונית ההגדרות (setup pane).

בצע את שלבי ההגדרה הסטנדרטיים עבור Adam. לאחר השלמת ההגדרה, בצע סריקה של נתוני הטומוגרפיה לצורך שחזור, ובחר בשיטת פרופיל הקצה (tip profile method). פעולה זו תשתמש בנתוני מיקרוסקופיה אלקטרונית בשימור (transmission electron microscopy) שנאספו קודם לכן.

בסיום השלבים, יש לאשר את התצוגה המקדימה שנוצרה בלשונית השחזור (reconstruction) ולשמור את הניתוח. להלן מבט צדי תלת-ממדי של גבול גרעין בעל זווית גבוהה של A-C-I-G-S שנותח באמצעות טכניקת טומוגרפיית גשש אטומי (atom probe tomography). גבול גרעין זה נבחר באמצעות שיטת ההכנה לסביבה ספציפית (site-specific preparation).

בסרטון זה מוצג גבול ירוק שזווית אי-ההתאמה שלו היא 28.5 degrees. מפות אלו מראות בבירור הפרשה משותפת של נתרן, חמצן ואשמורת של אשלגן, בהתאמה, בגבול. זיהומים אלו דיפוזו ככל הנראה ממצע זכוכית הסודה-ליימ אל שכבת הבולע במהלך שיקיעת שכבת ה-CIGS בטמפרטורה של 600 degrees Celsius.

בצד שמאל מוצגים פרופילי עומק של ריכוזים עבור סלניום, נחושת, אינדיום וגליום לאותה דגימה לאורך גבול הגרעין. בשל קנה מידה שונה, פרופילי עומק הריכוזים עבור נתרן, חמצן ואשמורת מוצגים בצד ימין. הריכוזים בגבול הגרעין המודגשים באפור שונים מאלו של הפנים המסומן בירוק.

הן הנחושת והן הגליום דלילים בגבול הירוק הזה, בעוד שאינדיום מועשר. הדבר תואם לחישובים של תורת הפונקציונל של צפיפות אלקטרונים (DFT). יתרה מכך, לנתרן יש את הריכוז הגבוה ביותר בגבול זה, 1.7 אחוזים אטומיים, ואחריו החמצן והאשלגן עם ריכוזים של 0.4 אחוזים אטומיים ו-0.035 אחוזים אטומיים בהתאמה.

ניתן לבצע את הכנת הדגימה באתר ספציפי תוך 20 שעות עבור שש דגימות, במידה והתהליך מבוצע כהלכה. יישום טכניקה זו דורש ניסיון בארבע טכניקות שונות: שיוף ב-FIB ממוקד, מיקרוסקופיה אלקטרונית חודרת (TEM), עקיפה של אלקטרונים מפזורים לאחור (EBSD), וכמובן טומוגרפיה, בהתאם לשיטה זו. ניתן לבצע טכניקות נוספות, כגון לומיננס, כדי לענות על שאלות נוספות הנוגעות לרקומבינציה ופעילות של נושאי המטען בגבולות הגרעין של ה-CHS שנבחרו, לאחר פיתוחן.

טכניקה זו סללה את הדרך עבור חוקרים בתחום מדעי החומרים לחקור ולהבין תופעות פיזיקליות בקנה מידה ננומטרי. לאחר צפייה בסרטון זה, תגמרו עם הבנה טובה של אופן הכנת דגימה ספציפית לאתר עבור טכניקת ה-atom probe tomography, במיוחד כאשר יש צורך לנתח ממשקים פנימיים, כגון הגבולות של הגריינים (grain boundaries).