Atom Probe Tomografie Studies over de Cu (In, Ga) Se

Het algemene doel van deze procedure is om de correlatie tussen de chemische samenstelling en de structuur van CIGS-korrelgrenzen te bepalen. Dit wordt bereikt door eerst een stuk van het CIGS-materiaal uit te snijden en een deel daarvan te monteren op de scherpe molybdeenpinnen van een halfgrid voor transmissie-elektronenmicroscopie. De tweede stap is het uitvoeren van een elektronen-backscatter-diffractiemeting op de dwarsdoorsnede van het CIGS-stuk, dat vooraf is gereinigd in een gefocuste ionenbundel.

Vervolgens wordt ringvormig frezen uitgevoerd in het gebied van een geselecteerde korrelgrens. Het doel van deze stap is om uiteindelijk een zeer scherpe punt te verkrijgen met een diameter van ongeveer 50 nanometer. De laatste stap is om de precieze positie van de korrelgrens binnen de punt te lokaliseren met behulp van de transmissie-elektronenmicroscoop en deze korrelgrens dicht bij de apex van de punt te plaatsen met behulp van de gefocuste ionenbundel-tool.

Uiteindelijk toonden atoomsondetomografie-onderzoeken, uitgevoerd op de geprepareerde tip, de chemische samenstelling van de geselecteerde korrelgrens op nanoschaal aan. Het belangrijkste voordeel van deze techniek ten opzichte van de bestaande standaard lift-out-methode is dat we de chemische samenstelling direct kunnen correleren met structurele informatie, zoals het type korrelgrens en de desoriëntatie. Deze methode kan helpen bij het beantwoorden van kernvragen met betrekking tot de CHS vol dykes, zoals de verlaging van de productiekosten bij een gelijktijdige verhoging van de efficiëntie.

Inderdaad kunnen interne interfaces, zoals korrelgrenzen, een cruciale rol spelen aangezien ze de recombinatie en het transport van lading kunnen beïnvloeden. Deze benadering is in principe toepasbaar op alle materialen met korrelgroottes boven de 500 nanometers die gekarakteriseerd kunnen worden met APRO-tomografie. Over het algemeen is de huidige methode uitdagend voor personen die nieuw zijn in dit vakgebied, omdat ze bekwaam moeten zijn in technieken voor gefocuste ionenbundels, elektronenbackscatterdiffractie en transmissie-elektronenmicroscopie.

We kwamen voor het eerst op het idee om deze methode te ontwikkelen toen we ontdekten dat de onzuiverheidsconcentratie van met name natrium varieert van de ene CIGS-korrelgrens naar de andere. Begin met het creëren van een bron van CIGS-materiaal voor onderzoek. In deze demonstratie werd 500 nanometers molybdeen gesputterd op een drie millimeter dik soda-lime glassubstraat, en werd twee micrometers CIGS co-geëvaporeerd op het molybdeen. Creëer vervolgens de structuur die gebruikt zal worden om een specimen te ondersteunen.

Snijd een maum-rooster voor transmissie-elektronenmicroscopie in twee stukken, monteer het halve rooster op een speciaal ontworpen houder en elektropolijst de maum-pinnen in 5% natriumhydroxide om scherpe posts met diameters kleiner dan twee micrometer te verkrijgen, werkend met een gefocuste Dion Beam Mill. Maak twee geulen in de CIGS-film die een gebied van ongeveer 25 micrometer bij twee micrometer ondermijnen. Gebruik vervolgens de bundel om de linkerkant van het gebied vrij te snijden.

Breng nu een platina las aan op het gebied en bevestig een micromanipulator terwijl dit op zijn plaats blijft. Maak de definitieve snede aan de rechterkant van het gebied om een vrijstaand sectie materiaal te verkrijgen. Snijd de uiteinden van de scherpe pinnen van het halve rooster af om oppervlakken van twee tot drie micrometer in diameter te creëren als een geschikt platform en verbinding voor de geëxtraheerde sectie.

Bevestig het geëxtraheerde gedeelte van het CIGS-materiaal op de pinnen met een platinalas. Zodra het monster is bevestigd, wordt er een vrije snede gemaakt zodat er slechts een stukje CIGS van ongeveer twee micrometer bovenop de pin achterblijft. Vul ten slotte de opening tussen de pin en het bevestigde stukje op met platina.

Plaats het rooster zo dat de pinnen naar boven wijzen. Stel de focus Dion Beam in op een versnellingsspanning van 5 kV en een bundelstroom van minder dan 50 pA. Gebruik de bundel om aan het einde het dwarsvlak van het monster te reinigen.

Voer elektronenstraal-backscatter-diffractiemetingen uit op het gereinigde dwarsvlak. Kies op basis van de gegevens een korrelgrens van belang. Kies idealiter een korrelgrens die loodrecht staat op de analyserichting van de atoomsonde.

Hier wordt de keuze getoond door de geschematiseerde positie van de atom probe tomography-tip. Stel de gefocuste ionenbundel in om ringvormig etsen uit te voeren om een scherpe tip te vormen nabij de gekozen korrelgrens. Voer het ringvormig etsen aan het einde uit.

De scherpe punt moet geschikt zijn voor verdere transmissie-elektronenmicroscopie. Nadat de punt is gevormd, wordt transmissie-elektronenmicroscopie gebruikt om de precieze positie van de korrelgrens ten opzichte van de apex te bepalen. Zodra de korrelgrens is gelokaliseerd, wordt het monster teruggebracht naar de gefocuste ionenbundel die werkt bij 5 kV en minder dan 50 pA.

Ga door met het slijpen van het monster om de korrelgrens op maximaal 200 nanometer te positioneren. Monitor het proces onder de apex van de tip met behulp van secundaire elektronenmicroscopie. Controleer nu, terug bij de transmissie-elektronenmicroscoop, de positie van de korrelgrens ten opzichte van de tip met lage vergrotingen en verkorte belichtingstijden om schade te beperken.

Maak een overzichtsafbeelding van het monster om inzicht te krijgen in de korrelgrens. Bepaal de positie van de monsterdiameter en de halve schachthoek. Om met het proces te beginnen, wordt het vooraf gekarakteriseerde monster in de houder voor atoomsondetomografie geplaatst.

Plaats vervolgens de houder in een van de drie beschikbare carrousels. Plaats de carrousel in de sluisluchtkamer en start de vacuümpomp. Wanneer de druk in de sluisluchtkamer ongeveer 100 nano tour is, schuift u de carrousel in de bufferkamer.

Koel vervolgens het systeem af tot onder de 60 kelvin om diffusie van de atomen aan het oppervlak van het monster tijdens de analyse te voorkomen. Zodra het systeem is afgekoeld, wordt de meting gestart nadat het apparaat is ingesteld op laser-modus met een groene laser met een golflengte van 532 nanometers en een impulslengte van 12 picoseconden. Stel tenslotte het apparaat in op de automatische modus voor data-analyse.

Gebruik de geïntegreerde visualisatie- en analysesoftware. De ruwe gegevens van de metingen zijn opgenomen in een RHIT-bestand. Om de 3D-kaart te reconstrueren, dient u via het instellingenpaneel te controleren of u het juiste bestand heeft.

Voer de standaard installatiestappen uit voor Adam. Zodra de opstelling van de tomografische probedata voltooid is voor reconstructie, kiest u de methode voor het tipprofiel. Hierbij wordt gebruikgemaakt van de eerder verzamelde transmissie-elektronenmicroscopiegegevens.

Zodra de stappen zijn voltooid, bevestigt u het voorbeeld dat is gemaakt in het tabblad reconstructie en slaat u de analyse op. Hier is een driedimensionaal zijaanzicht van een A-C-I-G-S korrelgrens met een hoge hoek, geanalyseerd met de atoomsonde-tomografietechniek. Deze korrelgrens is geselecteerd met behulp van de locatie-specifieke preparatiemethode.

In deze video is te zien dat de misoriëntatiehoek van deze groene korrelgrens 28,5 graden bedraagt. Deze kaarten tonen duidelijk de respectievelijke cosegregatie van natrium, zuurstof en kalium bij de korrelgrens. Deze onzuiverheden zijn hoogstwaarschijnlijk uit het soda-limeglas substraat in de absorberlaag gediffundeerd tijdens de depositie van de CIGS-laag bij 600 graden Celsius.

Voor dezelfde monsterconcentratie zijn de diepteprofielen over de korrelgrens voor selenium, koper, indium en gallium links weergegeven. Vanwege de verschillende schalen zijn de concentratie-diepteprofielen voor natrium, zuurstof en kalium rechts weergegeven. De concentraties bij de grijs gemarkeerde korrelgrens verschillen van die in het groene binnenste.

Zowel koper als gallium zijn uitgeput bij deze groene grens, terwijl indium is verrijkt. Dit is in overeenstemming met ab initio dichtheidsfunctionaaltheorie-berekeningen. Bovendien heeft natrium de hoogste concentratie bij deze grens, 1,7 atoomprocent, gevolgd door zuurstof en kalium met een concentratie van respectievelijk 0,4 atoomprocent en 0,035 atoomprocent.

De locatie-specifieke monstervoorbereiding kan in 20 uur voor zes monsters worden voltooid indien deze correct wordt uitgevoerd. De toepassing van deze techniek vereist ervaring met vier verschillende technieken: gefocust ionenbundel-frezen (FIB-milling), transmissie-elektronenmicroscopie, elektronenbackscatterdiffractie en uiteraard aptotomografie volgens deze methode. Andere technieken, zoals luminantie, kunnen worden uitgevoerd om aanvullende vragen te beantwoorden, zoals recombinatie en de activiteit van de ladingsdragers bij de geselecteerde CHS-korrelgrenzen na de ontwikkeling.

Deze techniek heeft de weg vrijgemaakt voor onderzoekers in het veld van de materiaalkunde om fysische fenomenen op nanoschaal te verkennen en te begrijpen. Na het bekijken van deze video heeft u een goed inzicht in hoe u een locatie-specifiek monster voorbereidt voor de atoomsonde-tomografietechniek, in het bijzonder wanneer interne interfaces, zoals korrelgrenzen, geanalyseerd moeten worden.