Przygotowanie i testowanie zgodnie z powyższym opisem powinno doprowadzić do uzyskania próbki, która pęka w obszarze pomiarowym, podobnie jak próbka miedzi monokrystalicznej (SCC) przedstawiona na Ryc. 6a. Awaria mechaniczna powinna być spowodowana dużym wzrostem rezystancji, co potwierdzi, że próbka SCC jest izolowana elektrycznie za pomocą izolacyjnych podkładek i ramy krzemowej pokrytej tlenkiem. Dyslokacje płaszczyznowe w próbce należy obserwować przy użyciu trybu jasnego pola TEM, ustawiając ostrość w pobliżu osi strefowej. Poprzez stopniowe zwiększanie odkształcenia aż do osiągnięcia naprężenia płynięcia (stanu równowagi po granicy plastyczności), ruchy dyslokacji powinny być widoczne (Ryc. 6b). Przy dodatkowym odkształceniu i/lub przyłożonym prądzie, odpowiadające im ruchy dyslokacji mogą być stale monitorowane.
Rysunek 7 przedstawia reprezentatywne obrazy uzyskane podczas eksperymentu EAD na próbce SCC13. Po odkształceniu próbki do stanu równowagi po granicy plastyczności, zastosowano dodatkowe odkształcenie bez przykładania prądu (patrz Rysunek 7b1). Doprowadziło to do powstania nowej pętli dyslokacyjnej (lub prawdopodobnie poślizgu drugiej dyslokacji), co wskazano strzałką na Rysunku 7b2. Bez zmiany odkształcenia przyłożono gęstość prądu 500 A/mm2, co nie spowodowało jednak zauważalnego ruchu żadnej z dyslokacji (Rysunek 7b3). Po odłączeniu prądu próbkę utrzymywano w stałym stanie przez jedną minutę, a następnie ponownie zwiększono odkształcenie, co raz jeszcze wywołało zauważalne zmiany w pętli dyslokacyjnej wskazanej strzałką na Rysunku 7b4. Wynik ten ilustruje potencjał tej procedury w izolowaniu efektów termicznych i elektrycznych uczestniczących w odkształceniu wspomaganym elektrycznie. Za pomocą tej techniki przeprowadzono również eksperymenty z zastosowaniem wyższych gęstości prądu (do 5 kA/mm2), które dały podobne rezultaty – brak obserwowalnego dodatkowego ruchu dyslokacji w przypadku braku dodatkowego odkształcenia. Stosowanie wyższych gęstości prądu podkreśla zdolność tej techniki do eliminowania naprężeń termicznych wywołanych efektowym ciepłem Joule'a, które komplikowały wcześniejsze zbiory danych EAD.
Biorąc pod uwagę niewielki rozmiar sekcji pomiarowej próbki, wybór wysokiej jakości materiału ma kluczowe znaczenie. Na przykład defekty materiałowe w skali mikro, np. pustki w pobliżu sekcji pomiarowej, doprowadziłyby do katastrofalnego uszkodzenia próbki podczas przygotowania materiału (Rycina 4g). Jest to szczególnie problematyczne, ponieważ bez przeprowadzenia dodatkowych badań nieniszczących, takich jak topografia dyfrakcyjna promieni rentgenowskich, trudno jest stwierdzić, czy w sekcji pomiarowej występują niewidoczne defekty materiałowe.
Kolejnym kluczowym wyzwaniem są możliwe uszkodzenia powierzchni podczas trawienia laserowego lub skupioną wiązką jonów, w tym implantacja jonów Ga, dyslokacje indukowane wiązką jonową oraz tworzenie struktur amorficznych w wyniku nagrzewania laserowego. Większość artefaktów powierzchniowych można usunąć, stosując łagodny proces trawienia FIB (Krok 3.3). Jednakże stosowanie tych technik mikrowytwarzania nadal wymaga ostrożności, ponieważ defekty powierzchniowe mogą zmienić mikrostrukturę próbki i znacząco wpłynąć na wyniki eksperymentów EAD. W naszej pracy wykorzystaliśmy obrazy TEM o wysokiej rozdzielczości oraz wzory dyfrakcyjne, aby potwierdzić, że nasze próbki były rzeczywiście nieskazitelnymi monokryształami miedzi Rysunek 6c.
Warto zauważyć, że maksymalny wzrost temperatury w centrum sekcji pomiarowej można obliczyć za pomocą następującego równania13:
gdzie
to gęstość prądu,
to długość sekcji pomiarowej,
to oporność elektryczna, a
to przewodność cieplna. Równanie to wskazuje, że wzrost temperatury w sekcji pomiarowej jest bardzo wrażliwy na
, ponieważ maksymalny wzrost temperatury próbki jest bezpośrednio powiązany z kwadratem długości sekcji pomiarowej. Na przykład zwiększenie długości sekcji pomiarowej o rząd wielkości, z 10 µm (użytego w niniejszym badaniu) do 100 µm, spowodowałoby wzrost temperatury o dwa rzędy wielkości. Zamiast wzrostu temperatury o ~0.02 °C, temperatura wzrosłaby o ~2 °C, co prawdopodobnie miałoby istotny wpływ na wyniki tego badania. Ponadto na wzrost temperatury wpływa również wybór materiału. Miedź użyta w tym badaniu posiada stosunkowo niski współczynnik oporności elektrycznej i wysoki współczynnik przewodności cieplnej, w związku z czym dla danej gęstości prądu oczekiwany wzrost temperatury w próbce miedzi byłby znacznie mniejszy w porównaniu do próbek z innych materiałów. Przykładowo, platyna ma 6-krotnie większą oporność i 5-krotnie mniejszą przewodność17 niż miedź, w rezultacie czego w przypadku platyny, przy tej samej długości sekcji pomiarowej i danej gęstości prądu, oczekiwany jest znacznie większy wzrost temperatury (około 30-krotnie).

Rycina 1: Elektromechaniczny system testowy oparty na mikrourządzeniu (MEMTS). Ten obraz to trójwymiarowy (3D) schemat przedstawiający kluczowe komponenty oraz sposób dopasowania próbek do uchwytu TEM. Pominięto jedynie przewody łączące próbkę z pinami w uchwycie TEM. Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 2: Proces wytwarzania ramki krzemowej. Na goły wafel Si (a) nanosi się metodą spin-coatingu fotorezyst (b), który następnie jest wzorowany za pomocą fotolitografii. Naświetlony fotorezyst jest wywoływany w celu odsłonięcia znajdującego się pod nim wafla Si (c). Wafel jest tymczasowo łączony z grubszym waflem wspierającym, a następnie stosuje się reaktywne trawienie jonowe (RIE), aby wytrawić cieńszy wafel górny (d-e). Do usunięcia fotorezystu i oddzielenia wafla wspierającego używa się acetonu (f). Następnie na wszystkich powierzchniach wytrawionego wafla osadza się warstwę tlenku krzemu (g). Na koniec poszczególne ramki są oddzielane od wafla poprzez ostrożne odrywanie ich od wypustek wspierających (h). Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rycina 3: Fabrykacja metalicznych próbek. Zdjęcia optyczne (a) matrycy próbek miedzianych, (b) pojedynczej próbki oraz (c) powiększonego widoku sekcji pomiarowej. Etapy procesu fabrykacji przedstawiono na (d), który jest przekrojem wzdłuż linii A---A na (b). Obie strony cienkiej folii są pokryte fotorezystem w celu ochrony próbki podczas wycinania laserowego (d, góra). Struktury są obrabiane laserowo (d, drugi etap), a następnie trawione w celu uzyskania gładkich krawędzi (d, trzeci etap). W jednym cyklu fabrykacji można wytworzyć wiele próbek, jak pokazano na (a). Na koniec fotorezyst jest usuwany, a poszczególne próbki są ostrożnie oddzielane od arkusza próbek (d, dół). Kliknij tutaj, aby zobaczyć powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 4: Obrazy z frezowania wiązką skupionych jonów (FIB). Obraz (a) przedstawia próbkę przymocowaną do ramki z Si oraz zbliżenie (wstawka) podpory próbki po wycięciu laserowym. Obrazy (b)-(e) pokazują sekcję pomiarową, która staje się stopniowo cieńsza podczas kolejnych przejść FIB. Każde przejście usuwa mniej materiału, aby poprawić wykończenie powierzchni i zmniejszyć zmiany właściwości materiałowych wynikające z procesu frezowania. Jednakże możliwe jest wystąpienie defektów sekcji pomiarowej (f), co może prowadzić do uszkodzenia materiału jeszcze przed przyłożeniem jakiegokolwiek odkształcenia (g). Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tej ryciny.

Rycina 5: Próbka zamontowana w uchwycie TEM. (a) i (b) przedstawiają zmontowaną próbkę w uchwycie TEM oraz końcowy wymiar sekcji pomiarowej z gładkimi powierzchniami uzyskanymi dzięki delikatnemu trawieniu FIB. Po przyklejeniu próbki do ramki Si i przymocowaniu srebrnych drutów za pomocą przewodzącej żywicy epoksydowej (c), dwa okrągłe otwory w ramce Si służą do zamontowania próbki w uchwycie TEM. Do izolacji próbki od uchwytu TEM użyto nieprzewodzących podkładek. Na koniec srebrne druty zostają przymocowane do pinów uchwytu TEM za pomocą przewodzącej żywicy epoksydowej. Zmodyfikowano13, za zgodą AIP Publishing. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tej ryciny.

Rysunek 6: Reprezentatywna próbka miedzi monokrystalicznej (SSC). (a) przedstawia sekcję pomiarową (miejsce A z rysunku 1) pobraną po zniszczeniu sekcji pomiarowej. (b) to obraz w jasnym polu sekcji pomiarowej, ukazujący dyslokacje płaszczyznowe. (c) przedstawia obraz dyfrakcyjny w sekcji pomiarowej. Zmodyfikowano13, za zgodą AIP Publishing. Kliknij tutaj, aby wyświetlić większą wersję tego rysunku.

Rysunek 7: Obrazy TEM z eksperymentu EAD in situ. Obrazy te ujawniają wpływ obciążeń mechanicznych i elektrycznych na ruch dyslokacji. (b1)–(b4) przedstawiają powiększony widok obszaru (b) z rysunku (a). (b1) przedstawia próbkę w stanie równowagi po przekroczeniu granicy plastyczności. (b2) wskazuje tworzenie się pętli dyslokacyjnych w wyniku dodatkowego odkształcenia poza stanem pokazanym w (b1). Nie zaobserwowano zmian po przyłożeniu prądu (b3). Po ponownym zwiększeniu odkształcenia ponownie zauważono dalsze zmiany dyslokacji (b4). Przedruk13, za zgodą AIP Publishing. Kliknij tutaj, aby wyświetlić powiększoną wersję tego rysunku.