Pomiary prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego do multimodalnej mikroskopii rentgenowskiej ogniw słonecznych

Podsumowanie

Opisano konfigurację do pomiarów prądu indukowanego promieniowaniem rentgenowskim na liniach synchrotronowych. Przedstawiono w nim wyniki badań nad ogniwami słonecznymi w nanoskali i rozszerzono zestaw technik multimodalnej mikroskopii rentgenowskiej. Od okablowania po optymalizację sygnału do szumu, pokazano, jak wykonywać najnowocześniejsze pomiary XBIC na twardej mikrosondzie rentgenowskiej.

Streszczenie

Pomiary prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIC) pozwalają na mapowanie wydajności urządzeń elektronicznych w nanoskali, takich jak ogniwa słoneczne. Idealnie byłoby, gdyby XBIC był stosowany jednocześnie z innymi technikami w ramach multimodalnej mikroskopii rentgenowskiej. Podano tutaj przykład połączenia XBIC z fluorescencją rentgenowską, aby umożliwić korelacje punkt po punkcie wydajności elektrycznej ze składem chemicznym. Aby uzyskać najwyższy stosunek sygnału do szumu w pomiarach XBIC, kluczową rolę odgrywa wzmocnienie typu lock-in. Dzięki takiemu podejściu wiązka promieniowania rentgenowskiego jest modulowana przez rozdrabniacz optyczny umieszczony przed próbką. Modulowany sygnał elektryczny indukowany wiązką promieniowania rentgenowskiego jest wzmacniany i demodulowany do częstotliwości choppera za pomocą wzmacniacza typu lock-in. Optymalizując ustawienia filtra dolnoprzepustowego, częstotliwość modulacji i amplitudy wzmocnienia, szumy mogą być skutecznie tłumione w celu wydobycia czystego sygnału XBIC. Podobną konfigurację można zastosować do pomiaru napięcia indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIV). Poza standardowymi pomiarami XBIC/XBIV, XBIC może być mierzony za pomocą światła polaryzacyjnego lub napięcia polaryzacji, tak aby warunki pracy ogniw słonecznych na zewnątrz mogły być odtworzone podczas pomiarów in-situ i operando. Ostatecznie, multimodalna i wielowymiarowa ocena urządzeń elektronicznych w nanoskali umożliwia nowy wgląd w złożone zależności między składem, strukturą i wydajnością, co jest ważnym krokiem w kierunku rozwiązania paradygmatu materiałów.

Wprowadzenie

W świecie, w którym zapotrzebowanie na energię elektryczną stale rośnie, coraz bardziej potrzebne jest czyste i zrównoważone źródło energii. Jedną z możliwości sprostania tym wymaganiom są systemy fotowoltaiczne (PV)^1,2,3. Aby uzyskać ukierunkowany i efektywny sposób opracowywania ogniw słonecznych nowej generacji, konieczne jest zrozumienie, w jaki sposób skład i struktura ogniw słonecznych wpływają na ich wydajność⁴. Typowe pytania dotyczące rozwoju ogniw słonecznych obejmują: Które rodzaje defektów są najbardziej szkodliwe i gdzie się znajdują^5,6? Czy występują niejednorodności w rozkładzie pierwiastków i jaki jest ich wpływ^7,8,9? Jak zmieniają się ogniwa słoneczne po montażu i starzeniu się modułu^10,11?

Ponieważ ogniwo słoneczne jest tak dobre, jak jego najsłabsza część, szczególnie ważne jest zrozumienie wpływu różnic składowych i strukturalnych na wydajność polikrystalicznych ogniw słonecznych, które z natury cierpią z powodu niejednorodności7^,8. Jest to szczególnie prawdziwe w przypadku cienkowarstwowych ogniw słonecznych (TF), które zawierają warstwy absorbera o rozmiarach krystalitów w zakresie mikrometrów. W tym przypadku wpływ granic ziaren ziarna na wydajność jest najbardziej interesujący, ale ich niewielkie rozmiary i fakt, że są zakopane w całym stosie warstw, stanowią wyjątkowe wyzwanie w charakterystyce. Co więcej, złożona chemia wieloskładnikowych warstw absorbera ze współistniejącymi fazami i wewnętrznymi gradientami wymaga zaawansowanych metod charakteryzacji¹².

Mikroskopy rentgenowskie oparte na synchrotronie są w stanie sprostać wyzwaniom związanym z charakteryzacją ogniw słonecznych TF: dostarczają plamki rentgenowskiej o rozmiarach aż do skali nanometrów^13,14,15,16 a głębokość penetracji twardego promieniowania rentgenowskiego pozwala na badanie różnych warstw urządzenia¹⁷, w tym zakopane warstwy absorbera. Dzięki bogactwu różnych technik pomiarowych w skaningowym mikroskopie rentgenowskim, możliwe staje się jednoczesne badanie nie jednego, ale wielu różnych aspektów ogniw słonecznych w ramach pomiarów multimodalnych i korelowanie obserwowanych cech. Na przykład pomiary prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIC) zostały z powodzeniem połączone z fluorescencją rentgenowską (XRF)^7,18,19, luminescencją optyczną wzbudzoną promieniowaniem rentgenowskim (XEOL)^20,21, oraz dyfrakcją promieniowania rentgenowskiego (XRD)²², aby skorelować parametry elektryczne ze składem, wydajnością optyczną i strukturą, odpowiednio²³.

Podczas pomiarów XBIC ogniw słonecznych lub innych testowanych urządzeń (DUT)^24,25, padające fotony rentgenowskie wywołują deszcze cząstek składające się z elektronów i fotonów, co skutkuje mnóstwem wzbudzonych par elektron-na padający foton promieniowania rentgenowskiego w półprzewodnikowym materiale absorbera. Na koniec pary elektron-termalizują się do krawędzi pasma absorbera ogniw słonecznych. Dlatego te nośniki ładunku wzbudzone promieniowaniem rentgenowskim mogą być traktowane jak nośniki ładunku, które są generowane przez absorpcję fotonów o energiach tuż nad pasmem wzbronionym podczas normalnej pracy ogniwa słonecznego, a wynikowy prąd lub napięcie można zmierzyć jako prąd indukowany wiązką promieniowania rentgenowskiego^23,26,27 lub napięcie (XBIV)^28,29 podobne do bardziej powszechnych pomiarów, takich jak prąd indukowany wiązką elektronów (EBIC) lub prąd indukowany wiązką laserową (LBIC). W związku z tym sygnał XBIC/XBIV zależy nie tylko od grubości warstwy absorbera, ale także od parametrów elektrycznych testowanego urządzenia, zarówno na poziomie mikroskopowym, jak i makroskopowym, w tym od lokalnej przerwy energetycznej, rozszczepienia na poziomie Fermiego i rekombinacji. W ten sposób jesteśmy w stanie odwzorować lokalne zmiany wydajności zbierania nośnika ładunku, która jest definiowana jako prawdopodobieństwo, że zewnętrznie wzbudzona para elektron-w warstwie absorbera zostanie zebrana na stykach elektrycznych testowanego urządzenia.

Zauważ, że tylko pary elektron-, które są generowane w warstwie absorbera testowanego urządzenia, przyczyniają się do sygnału XBIC/XBIV. Nośniki ładunku wytworzone w innych warstwach, takich jak metalowe styki lub podłoże, natychmiast ulegną rekombinacji, ponieważ nie mają możliwości rozdzielenia się przez złącze. W związku z tym inne warstwy wpływają na pomiary XBIC/XBIV tylko poprzez efekty wtórne, takie jak pasożytnicza absorpcja promieniowania rentgenowskiego lub emisja wtórnych fotonów i elektronów, które mogą zostać ponownie wchłonięte w warstwie absorbera. W przeciwieństwie do tego, wszystkie warstwy potencjalnie przyczyniają się do sygnału XRF.

Biorąc pod uwagę, że sygnały XBIC i XBIV mogą być małe (często interesujące są różnice w zakresie sub-pikoamperów i nanowoltów), sygnały te są łatwo zakopywane w szumie. Dlatego zasugerowaliśmy wykorzystanie wzmocnienia typu lock-in do wyodrębnienia sygnałów XBIC i XBIV ³⁰. W tym celu przychodząca wiązka promieniowania rentgenowskiego jest modulowana przez przerywacz optyczny, jak pokazano na rysunku 1. Modulacja ta przenosi się na sygnał wytwarzany przez testowane urządzenie. Zanim sygnał zostanie wprowadzony do wzmacniacza typu lock-in (LIA), zwykle używa się przedwzmacniacza (PA) w celu dopasowania intensywności surowego sygnału do zakresu przetwornika analogowo-cyfrowego na wejściu cyfrowego LIA. LIA miesza modulowany sygnał pomiarowy z sygnałem odniesienia. Dzięki zastosowaniu filtra dolnoprzepustowego, tylko częstotliwości bliskie sygnałowi referencyjnemu są przepuszczane i wzmacniane³¹. Pozwala to na skuteczne wydobycie sygnału XBIC lub XBIV z zaszumionego tła.

W protokole wprowadzamy warunki wstępne i ruchy niezbędne do przeprowadzenia udanych pomiarów XBIC, w tym sygnał surowy (prąd stały, DC) i sygnał modulowany (prąd przemienny, AC). Poza opisem szczegółów technicznych, omawiamy konfigurację XBIC w kontekście pomiarów multimodalnych na linii badawczej P06 w PETRA III¹³. Należy pamiętać, że w porównaniu z większością eksperymentów laboratoryjnych, środowisko klatek przy twardych nanosondach rentgenowskich wymaga szczególnego planowania i rozważenia. W szczególności pomiary multimodalne z rozdzielczością w skali nanometrowej stanowią wyzwanie dla eksperymentatorów z różnymi specyficznymi ograniczeniami. Na przykład szum elektroniczny jest często obecny o dużych amplitudach z silników piezonapędowych i innych urządzeń, takich jak zasilacze detektorów. Ponadto mnogość urządzeń i detektorów musi być ustawiona w zoptymalizowanej geometrii bez zakłócania się nawzajem i bez indukowania wibracji. Rysunek 1 przedstawia typową konfigurację dla pomiarów XBIC w połączeniu z pomiarami XRF i rozpraszania promieniowania rentgenowskiego pod małym/szerokim kątem (SAXS/WAXS).

Protokół

1. Konfiguracja środowiska pomiarowego

1. Wymagania dotyczące pomiarów XBIC ze wzmocnieniem typu lock-in
   1. Upewnij się, że masz do dyspozycji: linię promieniowania rentgenowskiego z nano- lub mikroogniskowaniem, rozdrabniacz promieniowania rentgenowskiego, który okresowo pochłania większość promieniowania rentgenowskiego, PA, LIA, moduły do zdalnego sterowania rozdrabniaczem, PA i LIA, system akwizycji danych (DAQ), testowane urządzenie.
2. Produkcja uchwytu na próbki
   1. Użyj podstawy kinematycznej jako uchwytu próbki. Umożliwia to repozycjonowanie próbek z dokładnością do mikrometra i oszczędza cenny czas wiązki. Ponadto pozwala na pozycjonowanie próbek na różnych platformach pomiarowych z różnymi systemami mocowania.
   2. Zaprojektuj uchwyt próbki w taki sposób, aby zapewniał maksymalną swobodę umieszczania różnych detektorów w pobliżu próbki, a jednocześnie był kompatybilny z przezroczystymi próbkami rentgenowskimi i technikami pomiarowymi, takimi jak SAXS lub WAXS. Zazwyczaj przekłada się to na minimalny rozmiar uchwytu na próbkę, sztywność do skali nanometrowej i lekkość.
   3. Zaprojektuj płytkę drukowaną (PCB), która będzie używana jako uchwyt dla urządzenia elektronicznego do pomiarów XBIC. Chociaż dedykowana płytka drukowana z bezpośrednim podłączeniem do koncentrycznego nie jest ściśle rzecz biorąc, może odegrać znaczącą rolę w redukcji szumów w porównaniu z luźnym okablowaniem, w którym przewody działają jak anteny.
      UWAGA: Idealnie byłoby, gdyby klatka Faradaya chroniła próbkę przed polami elektromagnetycznymi. Jednak w większości przypadków nie jest to zgodne z geometriami pomiarowymi.
3. Przykładowy kontakt
   1. Przyklej elektroniczne testowane urządzenie do płytki drukowanej. W zależności od materiałów i wymagań dotyczących późniejszego usunięcia testowanego urządzenia zaleca się stosowanie lakieru do paznokci, kleju błyskawicznego, kleju kompozytowego lub kleju silikonowego.
   2. Upewnij się, że żadna część montażowa ani okablowanie nie blokuje padającej wiązki promieniowania rentgenowskiego ani nie zasłania linii wzroku innych detektorów, takich jak pomiary XRF.
   3. Skontaktuj się z obydwoma zaciskami DUT.
      UWAGA: Istnieją różne sposoby kontaktu z urządzeniami elektronicznymi, a najlepszy wybór zależy od konkretnych właściwości próbki, gdzie przyczepność, odporność chemiczna lub mechaniczna oraz dostępna przestrzeń są argumentami za jedną lub drugą metodą kontaktu.
   4. Połącz styk przedni (styk górny skierowany w stronę padającej wiązki promieniowania rentgenowskiego) z ekranem koncentrycznego.
   5. Połącz styk tylny (styk wylotowy) z rdzeniem koncentrycznego.
   6. Uziemić przedni styk (ekran koncentrycznego).
      UWAGA: Przychodząca wiązka prowadzi do wyrzucania elektronów z testowanego urządzenia, co prowadzi do prądu kompensacyjnego w obwodzie pomiarowym, który łatwo jest błędnie zinterpretowany jako XBIC. W związku z tym styk przedni powinien być zawsze uziemiony²³. Może być konieczne przetestowanie różnych metod uziemienia, aby zminimalizować potencjalne różnice.
   7. Rozważ Rysunek 2 jako przykład uchwytu na próbkę składającego się z podstawy kinematycznej, aluminiowego uchwytu i płytki drukowanej z ogniwem słonecznym podłączonym do jednego z dwóch koncentrycznych złączy.
4. Rozmieszczenie próbki i detektorów
   1. Zamontuj próbkę na uchwycie.
   2. Zamontuj uchwyt na próbkę na stoliku na próbkę.
   3. Umieść środek obrotu stolika w ognisku wiązki promieniowania rentgenowskiego.
   4. Umieść próbkę w środku obrotu stolika rotacyjnego.
   5. Obróć stolik tak, aby płaszczyzna zainteresowania była prostopadła do padającej wiązki, aby zminimalizować ślad wiązki i zmaksymalizować rozdzielczość przestrzenną.
   6. W przypadku pomiarów multimodalnych należy umieścić detektor(y) wokół próbki.
      UWAGA: W zależności od optyki rentgenowskiej jest mało miejsca na umieszczenie detektorów przed próbką. W przypadku próbek nieprzezroczystych dla promieniowania rentgenowskiego detektor fluorescencji powinien patrzeć na punkt skupienia promieniowania rentgenowskiego pod kątem 10-20° do płaszczyzny próbki, tak aby zminimalizować samoabsorpcję pierwiastków będących przedmiotem zainteresowania i zliczenia z rozpraszania.
5. Instalacja rozdrabniacza
   1. Zamontuj zmotoryzowany stolik z możliwością poruszania się prostopadle do wiązki promieniowania rentgenowskiego, przed próbką.
      UWAGA: Chociaż ten zmotoryzowany stopień nie jest konieczny, pozwala na wsuwanie i wyjmowanie rozdrabniacza z wiązki promieniowania rentgenowskiego bez wchodzenia do budki, zapewniając w ten sposób większą przepustowość i większą stabilność.
   2. Zainstaluj chopper optyczny na zmotoryzowanym stopniu, aby modulować przychodzący sygnał.
      UWAGA: Idealnie byłoby, gdyby rozdrabniacz był umieszczony daleko przed próbką, tak aby nie indukował żadnych wibracji na optyce rentgenowskiej lub próbce odpowiednio przez silnik lub turbulencje powietrza. Niemniej jednak dobre wyniki uzyskano przy amplitudach drgań poniżej 100 nm, gdy koło rozdrabniające znajdowało się tak blisko jak 10 mm od próbki, podczas rozdrabniania z częstotliwością > 6 kHz.
6. Redukcja światła tła
   1. Jeśli to możliwe, wyłącz źródła światła w klatce i osłoń wszelkie inne, w tym wszelkie małe lampki na LIA i kontrolerze koła rozdrabniacza. Na niektórych liniach badawczych znajduje się światło, które włącza się, gdy klatka jest przeszukiwana. Jednak to światło nie powinno pozostać włączone podczas pomiaru.

2. Ustawianie pomiarów XBIC

1. Zobacz Rysunek 1 dla schematycznego przedstawienia niezbędnych komponentów sprzętowych i okablowania.
2. Konfiguracja przedwzmacniacza
   1. Umieść PA w pobliżu próbki.
      UWAGA: Niektóre LIA są wyposażone w zintegrowany PA. W takim przypadku ustawienia PA są stosowane w podobny sposób, jak ustawienia LIA.
   2. Podłącz PA do jednostki sterującej na zewnątrz budki, aby umożliwić zdalną zmianę ampustawienia amplifikacja bez wchodzenia do kabiny. Idealnie byłoby, gdyby jednostka sterująca była podłączona do sterowania linią badawczą, a ustawienia PA były automatycznie rejestrowane.
   3. Zasilanie PA z czystego obwodu zasilania.
      UWAGA: Urządzenia takie jak pompy próżniowe mogą zanieczyszczać obwód zasilania i dlatego powinny być zasilane oddzielnie od precyzyjnych urządzeń elektronicznych, takich jak PA i LIA, które mogą przenosić zmiany zasilania na sygnał pomiarowy. Z tego powodu linie badawcze zwykle mają czyste i zanieczyszczone obwody zasilania. Wiele wzmacniaczy może być nawet zasilanych z baterii.
   4. Podłącz próbkę przez złącze BNC na uchwycie próbki.
   5. Upewnij się, że sample okablowanie jest odciążone, aby nie ograniczało ruchów próbki.
   6. Przyłóż napięcie polaryzacji przez PA, jeśli sygnał XBIC nie ma być mierzony w warunkach zwarcia. Nie należy stosować żadnej objętości polaryzacji, jeśli sygnał XBIV ma być mierzony w warunkach obwodu otwartego.
   7. Zmierz amplitudę sygnału testowanego urządzenia w warunkach pomiarowych (tj. zwykle w ciemności) i w warunkach pracy (np. przy włączonym świetle w pomieszczeniu i świetle mikroskopu linii badawczej) w celu przetestowania zakresu sygnału.
   8. Upewnij się, że amplituda sygnału testowanego urządzenia odpowiada zakresowi wejściowemu PA i podejmij środki ostrożności, aby uniknąć przesycenia w warunkach wysokiego sygnału (np. przy włączonym świetle w pomieszczeniu), ponieważ przesycenie może zniszczyć PA.
   9. Upewnij się, że czułość PA odpowiada jego zakresowi wyjściowemu i zakresowi wejściowemu LIA. Dobrą praktyką jest utrzymywanie wzmocnienia PA na minimalnej czułości, gdy nie odbywa się żaden pomiar, aby uniknąć przypadkowego przesycenia.
   10. Podłącz testowane urządzenie do PA. Biorąc pod uwagę małą amplitudę sygnału, bardzo ważne jest, aby okablowanie było krótkie.
       UWAGA: przenoszące sygnał XBIC nie powinny być przeplatane z innymi, ponieważ mogą one powodować zakłócenia. Źródłami hałasu są stopnie skanujące i detektory, ponieważ są one używane do XRF. Można testować różne pozycje przewodów w celu zminimalizowania hałasu. W celu dalszej redukcji szumów drut można owinąć uziemioną folią aluminiową lub można użyć trójosiowych.
   11. Podziel wstępnie wzmocniony sygnał na trzy równoległe gałęzie sygnału, aby oddzielnie rejestrować DC (dodatnie i ujemne) i modulowane składowe AC.
       Uwaga: Alternatywne ścieżki sygnału są wymienione w części (a) sekcji dyskusji.
   12. Podłącz dwie gałęzie sygnału do przetwornic napięcie-częstotliwość (V2F), z których jedna ma odwrócony zakres sygnału wejściowego, aby zaakceptować ujemny sygnał DC.
3. Konfiguracja elektryczna wzmacniacza typu lock-in
   1. Podłącz LIA do jednostki sterującej na zewnątrz budki, aby umożliwić zdalną zmianę ampustawienia amplifikacja bez wchodzenia do kabiny. Idealnie byłoby, gdyby jednostka sterująca była podłączona do sterowania linią badawczą, a ustawienia LIA były automatycznie rejestrowane.
   2. Zasilaj LIA z czystego obwodu zasilania i trzymaj go z dala od potencjalnie hałaśliwych instrumentów.
   3. Upewnij się, że wyjście PA pasuje do wejścia LIA w każdych warunkach, ponieważ przesycenie może uszkodzić LIA. Dobrą praktyką jest utrzymywanie maksymalnego zakresu wejściowego LIA zawsze, gdy nie odbywa się żaden pomiar, aby uniknąć przypadkowego przesycenia.
   4. Wprowadź częstotliwość modulacji z rozdrabniacza optycznego jako sygnał odniesienia do LIA.
      UWAGA: Częstotliwość referencyjna może być dostarczana przez oscylator LIA, napędzający chopper, a tym samym umożliwiający zdalne sterowanie nim, lub być wprowadzana ze sterownika choppera jako odniesienie do LIA. Możliwe jest również połączenie obu.
   5. Podłącz trzecią gałąź wstępnie amplifikowanego sygnału XBIC do wejścia LIA.
   6. Wyprowadź amplitudę średniokwadratową (RMS) wzmocnionego blokady jako analogowy sygnał AC DUT.
      UWAGA: Ponieważ jest zawsze dodatnie, podział sygnału i odwrócenie jednej gałęzi nie jest konieczne, o ile sygnał wejściowy na konwerterze V2F nie jest ujemny. Jeśli informacje o fazie mają być również rejestrowane, zaleca się wyprowadzenie fazy oprócz , lub składowej fazowej i składowej kwadraturowej .
   7. Podłącz wyjście LIA do trzeciego kanału V2F.
   8. Podłącz konwertery V2F do jednostek DAQ i oprogramowania linii badawczej, aby przechowywać trzy składowe sygnału XBIC wraz z odpowiednimi informacjami o czasie i pikselach.
      UWAGA: Istnieją alternatywne metody dla konwerterów V2F dla XBIC DAQ. Na przykład, napięcie wyjściowe z PA i LIA może być bezpośrednio zdigitalizowane lub cyfrowy odczyt wzmacniaczy może być zintegrowany z systemem sterowania linią badawczą. Przedstawione podejście jest jednak kompatybilne z większością linii synchrotronowych, ponieważ konwertery V2F są ogólnie dostępne.

3. Pomiary XBIC

1. Wybór dobrze dopasowanych warunków pomiaru XBIC
   1. Uważaj na kompromis między szybkością skanowania, częstotliwością rozdrabniacza i ustawieniami filtra dolnoprzepustowego, jak omówiono w dalszej części rękopisu.
2. Optymalizacja parametrów pomiarowych XBIC
   1. Upewnij się, że testowane urządzenie jest osłonięte przed wszystkimi światłami w budce.
   2. Ustaw wszystkie amplifikacje PA i LIA na minimum, a zakresy wejściowe na maksimum, aby uniknąć przesycenia.
   3. Ustaw częstotliwość rozdrabniacza, która jest częstotliwością modulacji sygnału i częstotliwością odniesienia dla jego demodulacji.
      UWAGA: Z reguły wybrana częstotliwość powinna być jak najwyższa przy ograniczeniach (a) wystarczająco szybkiej reakcji testowanego urządzenia, (b) wystarczająco szybkiego łańcucha amplifikacji, (c) akceptowalnego poziomu drgań indukowanych przez rozdrabniacz. Ponadto należy unikać częstotliwości, które są wielokrotnościami typowych częstotliwości hałasu, takich jak 50/60 Hz lub 45 kHz.
   4. Ustaw amplifikacja PA tak, aby (a) maksymalna amplituda wyjściowa mieściła się w maksymalnym zakresie wejściowym LIA i (b) odpowiedź PA była wystarczająco szybka dla wybranej częstotliwości choppera. W celu optymalizacji ustawień wzmacniacza w tym kompromisie, odnosimy się do podrozdziału (b) sekcji dyskusji.
      UWAGA: Przed wpuszczeniem większej liczby fotonów do testowanego urządzenia (np. podczas wchodzenia do budki), należy ponownie ustawić amplifiers na maksymalny zakres wejściowy i na minimalne amplifikacja, aby uniknąć przeciążenia. Idealnie byłoby, gdyby było to zaimplementowane bezpośrednio w poleceniach skanowania.
   5. Ustaw zakres wejściowy LIA tak, aby odpowiadał amplitudzie sygnału po wstępnym amplifikacji dla obszaru zainteresowania z najsilniejszym sygnałem.
   6. W LIA rozdzielić i zmiksować sygnał z testowanego urządzenia z sygnałem odniesienia z rozdrabniacza i sygnałem odniesienia z przesunięciem fazowym o 90°, jak omówiono w podsekcji c) reprezentatywnych wyników.
   7. Ustaw częstotliwość filtra dolnoprzepustowego LIA na minimum, które jest zgodne z prędkością skanowania.
      UWAGA: Z reguły należy ustawić ją na co najmniej rząd wielkości poniżej częstotliwości siekania i rząd wielkości powyżej częstotliwości próbkowania. Idealnie byłoby, gdyby częstotliwość filtra dolnoprzepustowego była tak dobrana, aby nie przepuszczano typowych częstotliwości szumów, w szczególności poniżej 50/60 Hz, aby odciąć częstotliwość siatki. Szczegółowe informacje można znaleźć w podsekcji (e) reprezentatywnych wyników.
   8. Ustaw skalę wzmocnienia dla wyjścia analogowego wzmocnionego sygnału typu lock-in tak, aby odpowiadała zakresowi wejściowemu V2F i go nie przekraczała.
   9. Ustaw limity programowe lub sprzętowe dla amplifier wyjścia zgodnie z zakresem wejściowym następujących urządzeń, aby zapobiec nasyceniu.
3. Wykonywanie pomiarów XBIC
   UWAGA: Przy odpowiednich parametrach amplifikacji ustawionych dla pomiarów XBIC oraz zaimplementowanym automatycznym sterowaniu i odczytaniu, nie są wymagane żadne dalsze działania w celu wykonania pomiarów XBIC poza rozpoczęciem skanowania.
4. Przetwarzanie końcowe danych XBIC
   1. Przejdź wzdłuż łańcucha sygnałowego od testowanego urządzenia do jednostki akwizycji danych, gdzie sygnał jest zapisywany jako szybkość zliczania (Hz), aby przekonwertować szybkość zliczania z powrotem na prąd.
      1. Pobierz współczynnik wzmocnienia (V/A) w PA, gdzie sygnał (mierzony w amperach) jest wzmacniany i przekształcany na napięcie.
      2. Pobierz współczynnik wzmocnienia (V/V) w LIA.
      3. Uzyskaj zakres akceptacji napięcia (V) konwertera V2F, który jest rzutowany na zakres częstotliwości (Hz).
      4. Rozważ dodatkowe współczynniki kształtu fali: sygnał wyjściowy LIA to amplituda RMS, ale sygnałem będącym przedmiotem zainteresowania jest wartość międzyszczytowa modulowanego sygnału wejściowego.
   2. Pomnóż szybkość zliczania każdego piksela przez składnik konwersji w poniższym równaniu, aby uzyskać wartości XBIC w amperach z wartości częstotliwości posortowanych według DAQ:
      (1) with ,
      gdzie jest współczynnikiem zależnym od przebiegu modulacji³².
      UWAGA: Dla przychodzącej fali sinusoidalnej, ; dla fali trójkątnej, ; a dla fali prostokątnej, . Typowe wartości pomiaru cienkowarstwowych ogniw słonecznych przy twardych nanosondach rentgenowskich to: , , , .
   3. Do ewentualnej korekty surowego sygnału XBIC dla zmian topologicznych użyj²⁸:
      (2) ,
      z oznacza współczynnik tłumienia promieniowania rentgenowskiego³³ i gęstość masy elementu absorbera , które można zmierzyć za pomocą jednoczesnych pomiarów XRF¹⁷.
   4. Aby ostatecznie przekształcić sygnał XBIC w wydajność zbierania ładunku, , use²³:
      (3) ,
      gdzie i są szybkością generowania i zbierania par elektron-, to szybkość padających fotonów, to ładunek elementarny, oraz jest stałą materialną.
   5. Do ostatecznego obliczenia stałej materialnej , użyj:
      (4) ,
      gdzie to energia zdeponowana w warstwie absorberowej testowanego urządzenia na padający foton promieniowania rentgenowskiego, jest pasmem wzbronionym materiału absorbera, a jest stałą.
      UWAGA: Współczynnik odpowiada za efektywność energetyczną generacji par elektron-. Często jest przybliżony^23,34 jako .
   6. Do ostatecznego oszacowania poziomu wtrysku należy użyć , z sygnału XBIC użyj:
      (5) ,
      gdzie jest interpretowane jako liczba odpowiedników słońca, jest przekrojem poprzecznym wiązki promieniowania rentgenowskiego, a jest gęstością prądu zwarciowego w standardowych warunkach pomiaru³⁵.

Wyniki

Kluczową zaletą korzystania ze wzmocnienia typu lock-in dla pomiarów XBIC jest radykalny wzrost stosunku sygnału do szumu w porównaniu do pomiarów ze standardowym wzmocnieniem. Ustawienia pomiarowe, które są szczególnie krytyczne dla udanych pomiarów XBIC ze wzmocnieniem lock-in, zostaną omówione w pierwszych pięciu sekcjach. Są to: (a) modulacja sygnału; b) wstępne wzmocnienie; c) mieszanie sygnałów w LIA; d) częstotliwość filtra dolnoprzepustowego LIA; e) wybrzuszenie filtra dolnoprzepustowego LIA.

Ilustracje wpływu tych ustawień są pokazane w Rysunek 3, Rysunek 4, Rysunek 6. Do pomiarów w laboratorium użyto czerwonego lasera () zamiast wiązki promieniowania rentgenowskiego, modulowanej na 2177,7 Hz za pomocą śmigłowca optycznego. Lampy fluorescencyjne służyły jako źródło światła polaryzacyjnego. DUT było cienkowarstwowym ogniwem słonecznym z absorberem Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS). Chociaż dla innych testowanych urządzeń wybrano by różne ustawienia pomiaru, ogólne wytyczne opisane tutaj w celu znalezienia odpowiednich ustawień dotyczą różnych testowanych urządzeń, takich jak ogniwa słoneczne z różnymi warstwami absorbera lub nanodrutami. PA został użyty ze współczynnikiem wzmocnienia . Omawiane tu efekty odnoszą się w równym stopniu do innych przedwzmacniaczy. Jeśli nic innego nie jest określone, spadek filtra dolnoprzepustowego LIA wynosił 48 dB/okt.

Poniższe sekcje (f)-(i) pokazują przykładowe wyniki, aby pokazać możliwości i wyzwania związane z pomiarami XBIC w połączeniu z innymi trybami pomiaru. W (f) omówiono konkretne wyzwania związane z pomiarami XBIC w trybie skanowania w locie. W (g) połączono pomiary XBIC i XRF ogniwa słonecznego CIGS, a efekt wzmocnienia typu lock-in omówiono przy przyłożonym napięciu polaryzacji. W (h) XBIV jest dodawany jako tryb pomiaru dla ogniwa słonecznego CIGS. W (i) pokazano XBIC i dane dotyczące składu z XRF nanodrutu CdS. Do wszystkich pomiarów XBIC w sekcjach od (f) do (i) użyliśmy PA i LIA zgodnie z Tabelą Materiałów i Odczynników.

(a) Modulacja sygnału przychodzącego

Rysunek 3 pokazuje wstępnie wzmocnioną odpowiedź DUT zmierzoną przez lunetę bez (górny rząd) i z włączonym (dolny rząd) światłem polaryzacji. Ponieważ PA przekształca prądy na napięcia, wyświetlany sygnał jest w woltach. Jest ujemny ze względu na styk ogniwa słonecznego, przy czym styki typu p i n są podłączone odpowiednio do ekranu i rdzenia wejścia PA. W pomiarach XBIC styk ogniwa słonecznego jest regulowany przez niezbędne uziemienie styku czołowego, jak omówiono w sekcji 1.3.6. protokołu.

Porównując Rysunek 3A i Rysunek 3D, zauważamy sygnał przesunięcia rzędu 8 mV, który jest przesuwany do -65 mV poprzez włączenie światła polaryzacyjnego z lamp fluorescencyjnych. Co więcej, zmienność sygnału w krótkich skalach czasowych jest znacznie zwiększona przez światło polaryzacji. Takie przesunięcie polaryzacji o około 70 mV może okazać się problematyczne ze względu na ograniczenia w zakresie akceptacji PA i LIA. Ponieważ chcielibyśmy użyć pełnego zakresu PA, preferowane jest małe przesunięcie, jak w Rysunek 3A-C. Dlatego należy wyeliminować wszystkie źródła niezamierzonych uprzedzeń, takie jak oświetlenie otoczenia.

Dodanie źródła pociętych fotonów, jak pokazano w Rysunek 3B,C,E,F, zwiększa indukowany sygnał o tę samą wartość - około 66 mV - zarówno dla światła polaryzacyjnego, jak i bez niego, gdy wiązka przechodzi przez ostrze rozdrabniacza; gdy wiązka jest blokowana przez ostrze, sygnał pozostaje na poziomie odpowiedniego przesunięcia, zgodnie z oczekiwaniami. Częstotliwość choppera jest wyraźna w sygnale Rysunek 3B i 3E z okresem ms.

W Rysunek 3D-F, zauważamy dodatkową modulację na częstotliwości 90 kHz. Źródłem tej modulacji wysokiej częstotliwości jest statecznik elektroniczny lampy fluorescencyjnej, która jest napędzana częstotliwością 45 kHz. Chociaż wzmocnienie typu lock-in jest w stanie różnicować wkłady z różnych częstotliwości modulacji, jak pokazano na Rysunek 6, redukcja sygnału szumu ma kluczowe znaczenie dla dobrego pomiaru. Światło otoczenia jest tylko jednym z możliwych źródeł, ale inne urządzenia elektroniczne mogą również wywoływać szumy, które następnie zostaną nałożone na sygnał. Należy pamiętać, że światło polaryzacyjne nie zawsze jest niepożądanym szumem, ale często światło polaryzacyjne jest stosowane celowo, aby ustawić testowane urządzenie w warunkach pracy.

W Rysunek 3B,C,E,F, zauważamy ponadto, że reakcja testowanego urządzenia na zmianę intensywności napromieniowania jest opóźniona. Te efekty narastania czasu zostaną omówione bardziej szczegółowo w następnej sekcji i pochodzą tutaj z dwóch odrębnych efektów: po pierwsze, gwałtowny wzrost i spadek odpowiedzi testowanego urządzenia na modulację 2177,7 Hz jest opóźniony przez filtr dolnoprzepustowy w PA. Po drugie, sygnał kontynuuje wzrost/spadek w wolniejszych skalach czasowych (np. widoczny między 0,68 a 0,80 ms w Rysunek 3C), co przypisujemy kinetyce zajętości stanów defektu w ogniwie słonecznym.

(b) Wstępne wzmocnienie

PA nie tylko wzmacnia modulowany sygnał testowanego urządzenia, ale może znacząco zmienić jego kształt fali. Jak opisano powyżej, styki ogniwa słonecznego są takie, że po oświetleniu mierzone jest napięcie ujemne. Nie dodano światła polaryzacji dla pomiarów pokazanych na Rysunek 4.

Pomiary zostały wykonane z rosnącym czasem narastania filtra, aby zademonstrować ich efekty, gdy siła wzmocnienia jest utrzymywana na stałym poziomie. W wielu przypadkach czasy narastania filtra są sprzężone sprzętowo ze wzmacniaczem. Im silniejsze wzmocnienie, tym dłuższy jest czas odpowiedzi i tym mniejsza jest częstotliwość odcięcia filtra dolnoprzepustowego w klasie PA^36,37.

Przy czasie narastania filtra wynoszącym 10 μs, jak w górnym panelu Rysunek 4, sygnał jest ledwo opóźniony, rozciąga się od nominalnego zakresu między szczytami od około 10 mV do -65 mV i osiąga plateau przy wartościach szczytowych. Przy czasie narastania filtra 100 μs efekty opóźnienia są widoczne w modulowanym sygnale, ale modulacja jest nadal wyraźna, a amplituda mieści się w podobnym zakresie jak dla 10 μs. Czas narastania filtra wynoszący 1 ms jest dłuższy niż okres modulacji (0,46 ms). W związku z tym modulacja jest tłumiona do amplitudy poniżej 10 mV, a kształt odzwierciedla tylko początek krawędzi narastającej i opadającej, co oczywiście nie nadaje się do ilościowych pomiarów XBIC. Ten związek między wzmocnieniem a czasem narastania filtra musi być brany pod uwagę szczególnie w przypadku kombinacji szybkich częstotliwości modulacji, , z silnym wzmocnieniem.

(c) Mieszanie sygnałów

Kluczową różnicą między standardowym wzmocnieniem sygnału a wzmocnieniem typu lock-in jest mieszanie sygnału DUT z sygnałem referencyjnym i późniejsze tłumienie wysokich częstotliwości przez filtr dolnoprzepustowy.

Ścieżka sygnału do mieszania jest przedstawiona w Rysunek 5. Na potrzeby omówienia miksowania sygnałów dokonano kilku uproszczeń. Sygnał odniesienia można opisać jako sygnał sinusoidalny

(6) ,

where to amplituda, a to częstotliwość modulacji sygnału odniesienia. Modulowany sygnał testowanego urządzenia wprowadzany do LIA może być reprezentowany w podobny sposób, jak

(7) ,

where to amplituda, a to częstotliwość modulacji sygnału DUT, a to przesunięcie fazowe sygnału testowanego urządzenia do sygnału odniesienia.

Podążając za (1) i (2), sygnał mieszany to:

(8) .

Częstotliwość modulacji testowanego urządzenia to częstotliwość referencyjna, . Dlatego zasada trygonometryczna

(9)

może być użyte do przepisania jako suma dwóch wyrazów o różnych częstotliwościach:

(10) .

Filtr dolnoprzepustowy łagodzi szybki sygnał tak, że wzmocniony sygnał blokady może być przybliżony^38,39 as

(11) .

Sygnał DUT zmieszany z sygnałem odniesienia nazywany jest składową w fazie , a sygnał DUT zmieszany z odniesieniem przesuniętym fazowo o 90 ° nazywany jest składową kwadraturową :

(12)

(13) .

Z równania (12) i (13), amplituda RMS

(14)

jak również faza

(15)

sygnału mieszanego można uzyskać za pomocą dwuargumentowej funkcji tangensa arcus. Wiele LIA ma wewnętrzną regulację fazy, aby ustawić na zero podczas pomiarów.

(d) Częstotliwość filtra dolnoprzepustowego

Rysunek 6 pokazuje wpływ światła polaryzacyjnego i różnych ustawień filtra dolnoprzepustowego na amplitudę RMS wzmocnioną blokadą, . Zastosowaliśmy LIA, który pozwolił nam na jednoczesną rejestrację sygnału wynikającego z różnych parametrów filtra.

Częstotliwość odcięcia filtra dolnoprzepustowego określa częstotliwość, przy której sygnał jest tłumiony do 50%. Podczas gdy niższe częstotliwości są transmitowane, wyższe częstotliwości są tłumione. Rysunek 6A,E pokazuje bezpośredni sygnał za pomocą = 466,7 kHz, co skutecznie nie eliminuje szumów ani modulacji o niższej częstotliwości, ale pozwala im przejść wraz z surowym sygnałem. Konwersja surowego, wstępnie wzmocnionego sygnału na amplitudę RMS prowadzi do dodatkowego czynnika dla częstotliwości wystarczająco poniżej . Na przykład, stałe napięcie wejściowe jest wyprowadzane jako .

Podczas gdy średni offset w Rysunek 6E jest pomijalny bez światła polaryzacji (średnio 2 mV), wzrasta do średnio około 75 mV przy świetle polaryzacji (Rysunek 6A). Różnica jest porównywalna jako między Rysunek 3A i Rysunek 3D, ale należy pamiętać, że były to osobne pomiary. W obu przypadkach włączenie źródła siekania prowadzi do znacznego wzrostu , a zmienność między szczytami odpowiada zmienności między szczytami surowego sygnału pokazanego w Rysunek 3B i Rysunek 3E.

W Rysunek 6B,F, amplituda RMS jest wyświetlana po użyciu filtra dolnoprzepustowego z 1000 Hz. Ponownie można zaobserwować przesunięcie w Rysunek 6B ze względu na światło polaryzacyjne, ale przesunięcie jest mniejsze i wynosi średnio około 18 mV. Przesunięcie to jest spowodowane modulacją 100 Hz światła fluorescencyjnego, podczas gdy modulacja 90 kHz jest blokowana przez filtr dolnoprzepustowy. Co więcej, poziom szumów w stanie "wiązka włączona" jest nadal znaczący, z wahaniami między szczytami wynoszącymi około 46 mV, podczas gdy średnia wartość sygnału wynosi 32 mV. Bez światła polaryzacyjnego (Rysunek 6F) różnica między szczytami wynosi około 17 mV podczas "włączonej wiązki" przy średniej wartości 23,5 mV. Średnie przesunięcie podczas "wyłączenia wiązki" jest mniejsze niż 0,5 mV. Pomiary te pokazują, że połączenie filtra dolnoprzepustowego z 1000 Hz i częstotliwością cięcia 2177,7 Hz nie jest idealne: sygnał przenoszący częstotliwość modulacji jest tylko częściowo usuwany, ale nie całkowicie tłumiony przez filtr dolnoprzepustowy. Pozostała część prowadzi do znacznych różnic między szczytami w stanie "wiązka włączona". Gdy obecne jest światło polaryzacyjne, modulacja 100 Hz spowodowana częstotliwością netto lamp fluorescencyjnych dodatkowo zwiększa wartości międzyszczytowe.

W Rysunek 6C,G, wpływ światła polaryzacyjnego może być postrzegany jako minimalny: filtr dolnoprzepustowy 10,27 Hz odcina większość szumów i modulacji światła fluorescencyjnego, a sygnał indukowany wiązką może zostać wyodrębniony. Chociaż jest to tutaj prawie niewidoczne, przesunięcie i rozrzut szumu są nadal nieco większe w przypadku światła polaryzacyjnego. Może to być spowodowane światłem rozproszonym przechodzącym przez koło rozdrabniacza na testowane urządzenie. Dlatego zaleca się umieszczenie rozdrabniacza daleko przed prądem, aby uniknąć modulacji światła rozproszonego.

Rysunek 6D,H to przybliżenie zmiany z 'beam on' na 'beam off' po 6 s w Rysunek 6B,C,F,G, odpowiednio. Nałożona modulacja przy 100 Hz (częstotliwość lamp fluorescencyjnych) jest widoczna w Rysunek 6D dla filtra dolnoprzepustowego z 1000 Hz. Zwróć również uwagę na opóźnienie sygnału po filtrze z 10.27 Hz w porównaniu do sygnału po filtrze z 1000 Hz, gdy wiązka jest wyłączona. Podobnie jak w przypadku powolnych czasów narastania PA, niskie filtra dolnoprzepustowego w LIA powodują wolniejszą adaptację do zmian sygnału.

Podsumowując, odkryliśmy, że filtr dolnoprzepustowy z wartościami 10,27 Hz i spadkiem 48 dB/okt (patrz następna sekcja) oferuje w tym przypadku najlepszy kompromis między dużą prędkością skanowania (na korzyść wysokich wartości ) a tłumieniem światła lub szumu polaryzacji (na korzyść niskiej wartości, przede wszystkim poniżej częstotliwości siatki 50 Hz).

(e) Roll-off filtra dolnoprzepustowego

Podobnie jak wiele cyfrowych wzmacniaczy typu lock-in, model, który został tutaj użyty, wykorzystuje tak zwane dyskretne filtry RC lub wykładnicze filtry średniej bieżącej, których charakterystyka jest bardzo zbliżona do analogowej filtra RC rezystor-kondensator⁴⁰. Oprócz częstotliwości odcięcia filtra, która została omówiona w poprzednim rozdziale, istnieje tylko jeden wolny parametr, kolejność filtrów , który definiuje nachylenie odcięcia jako dB/oct.

Rysunek 7A pokazuje wpływ kolejności filtrów na tłumienie zależne od częstotliwości dla różnych częstotliwości odcięcia, które odpowiadają stałym czasowym ms i Ms. Stałe czasowe pomiędzy tymi dwoma skrajnościami są odpowiednie dla większości pomiarów XBIC. Tłumienie filtra zostało obliczone⁴⁰ w dziedzinie częstotliwości jako wartość bezwzględna podniesiona do kwadratu zespolonej funkcji przenoszenia

(16)

jako funkcja częstotliwości i filtrem rzędu ze stałą czasową . Funkcje przenoszenia filtrów wyższego rzędu uzyskuje się przez zwielokrotnienie funkcji przenoszenia szeregowo połączonych poszczególnych filtrów. Podobnie jak w przypadku , definiujemy i jako częstotliwości, przy których tłumienie wynosi odpowiednio 5% i 95%. Iloczyn tych częstotliwości i jest stały i podany w tabeli 1 dla konwersji między częstotliwościami odcięcia a stałą czasową filtra.

W dziedzinie czasu odpowiedź filtra dla jest rekurencyjnie obliczana na podstawie sygnału wejściowego , który jest zdefiniowany w dyskretnych czasach , , , itd., z odstępem czasu próbkowania :

(17)

Odpowiedź filtrów z jest obliczana przez wielokrotną iterację równania 17 z obliczane na podstawie i . Odpowiedź filtra na funkcję kroku rosnącego (w czasie 0) i malejącego (w czasie ) jest pokazana w Rysunek 7B dla rzędów filtrów od 1 do 8, jako funkcja czasu w jednostkach . Zauważ, że odpowiedź jest opóźniona w stosunku do sygnału wejściowego i że opóźnienie to wzrasta wraz z . Opóźnienie jest określone ilościowo w Tabeli 1 jako czasy , , oraz , w obrębie których nadawany sygnał osiąga odpowiednio 5%, 50% lub 95%.

Wybór odpowiedniego filtra jest tak samo ważny, jak częstotliwość odcięcia podczas projektowania eksperymentu. W aplikacji 1 przedstawionej w sekcji (g) uzyskano wysokiej jakości pomiary XBIC przy częstotliwości rozdrabniacza 1177 Hz, czasie przebywania 100 ms i częstotliwości odcięcia 40 Hz przy rzędzie filtra 8. Z liczbami z Tabeli 1 przekłada się to na , oraz . Czas ten jest znacznie krótszy niż czas przebywania, dzięki czemu nie są wprowadzane żadne artefakty opóźniające.

(f) Korekta czasu przebywania

W klasycznych pomiarach w trybie krokowym, etap skanowania przesuwa się do pozycji nominalnej, a rozpoczęcie pomiaru w tej pozycji piksela jest uruchamiane po osiągnięciu dokładnej pozycji. W przypadku krótkich czasów przebywania czas ustalania staje się ograniczony dla całkowitego czasu skanowania, co motywuje tak zwane tryby fly-scan lub ciągłego pomiaru: tam stolik skanowania porusza się w sposób ciągły, a dane pomiarowe są przypisywane do pikseli z zakodowaną pozycją stolika w post-processingu. Może to jednak prowadzić do dodatkowych problemów, jak pokazano na Rysunek 8. W tym przypadku silniki stolika próbki nie poruszały się jednostajnie w kierunku , co skutkowało różnymi czasami przebywania na piksel (patrz Rysunek 8A). Różnice w czasie przebywania bezpośrednio przekładają się na różnice w pomiarach XBIC, co widać na rysunku Rysunek 8C. W związku z tym sygnał XBIC musi zostać znormalizowany do czasu przebywania, którego wyniki są pokazane w Rysunek 8D. Podobnie, różnice w intensywności wiązki (wyświetlane w Rysunek 8B) często muszą być uwzględniane przez normalizację strumienia fotonów. Sygnał XBIC znormalizowany do strumienia fotonów można zobaczyć w Rysunek 8E; dla minimalnego błędu bezwzględnej kwantyfikacji XBIC, sam strumień fotonów został znormalizowany do jego wartości mediany. Rysunek 8F pokazuje mapę XBIC znormalizowaną do czasu przebywania, jak również do strumienia fotonów, co zmniejszyło wpływ większości artefaktów pomiarowych. Na koniec, Rysunek 8G pokazuje dane XBIC po konwersji z szybkości zliczania na bieżącą za pomocą równania (1).

(g) Zastosowanie 1: XBIC ogniwa słonecznego z napięciem polaryzacji i XRF

Rysunek 9A-B pokazuje wpływ wzmocnienia typu lock-in na stosunek sygnału do szumu w pomiarach prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego. Zakłócenia sygnału bezpośredniego są widoczne w Rysunek 9A: silne kontrasty intensywności między liniami wskazują na artefakty pomiaru, a drobne zmiany XBIC z testowanego urządzenia są zakopywane w arbitralnie zmieniającym się sygnale. Z drugiej strony, te drobne cechy są wyraźnie widoczne w Rysunek 9B. Zauważ, że poziom hałasu w Rysunek 9A jest niezwykle wysoki z nieznanych przyczyn, pomimo optymalizacji konfiguracji przed pomiarami. W takich przypadkach poprawa stosunku sygnału do szumu przez wzmocnienie typu lock-in jest znacznie wyższa niż w przypadkach już wysokiego stosunku sygnału do szumu przy standardowym wzmocnieniu (np. zastosowanie 3 w sekcji (i)), gdzie wzmocnienie uzależnione od jednego dostawcy doprowadziłoby jedynie do marginalnej poprawy.

Z PA, do przodu (Rysunek 9C) i do tyłu (Rysunek 9D) zastosowano napięcia polaryzacji odpowiednio -50 mV i +50 mV, a obszar Rysunek 9A-B ponownie zeskanowany. Dominujące cechy widoczne w Rysunek 9B są nadal widoczne w Rysunek 9C i Rysunek 9D, ale są one mniej wyraźne, ponieważ mapy są bardziej hałaśliwe. Dzieje się tak, ponieważ zastosowanie napięcia polaryzacji lub światła polaryzacji indukuje prąd stały, który jest często o rzędy wielkości większy niż modulowany sygnał XBIC. Ostatecznie stosunek sygnału bezpośredniego do modulowanego ogranicza możliwość zastosowania wzmocnienia typu lock-in. Pomimo słabego stosunku sygnału do szumu, warto zwrócić uwagę, że wzmocnienie typu lock-in umożliwia odwzorowanie wydajności ogniwa słonecznego w nanoskali z zastosowaniem napięcia polaryzacji i światła polaryzacji, co w przeciwnym razie byłoby prawie niemożliwe³⁰.

Ponieważ wydajność ogniwa słonecznego CIGS jest skorelowana ze składem warstwy absorbera^7,41, zmierzyliśmy sygnał XRF jednocześnie z XBIC. W Rysunek 9E-F, przedstawione są stężenia Ga i In. Oba pierwiastki są częścią warstwy absorbera i uważa się, że ich stosunek ma duży wpływ na wydajność ogniwa słonecznego⁷. Statystyki Ga są znacznie większe niż dla In, co wynika z wyższego współczynnika absorpcji i mniejszej absorpcji własnej przy energii wzbudzenia 10,4 keV. Ze względu na niskie statystyki, obiekty na mapie In są prawie niewidoczne, podczas gdy stężenie Ga jest na tyle wyraźne, że można je skorelować z wydajnością elektryczną w Rysunek 9B. Aby uzyskać wyższy sygnał In, można wybrać dłuższy czas przebywania lub wybrać energię absorpcji o większym przekroju absorpcji. Obrazuje to, jak ważny jest odpowiednio długi czas przebywania, a także dostosowanie energii wiązki do interesujących nas elementów.

Przy długim czasie przebywania i dużych mapach, należy pamiętać o jeszcze jednej kwestii: podczas pomiarów trwających wiele godzin, dryf próbki może stać się krytycznym problemem. Fluktuacje termiczne (szczególnie po zmianie próbki lub dużych ruchach silnika ze słabym rozpraszaniem ciepła) i niestabilność elementów mechanicznego stopnia często prowadzą do dryfu próbki, co można zobaczyć, porównując pozycje pionowe Rysunek 9D i Rysunek 9B.

(h) Aplikacja 2: XBIC ogniwa słonecznego z XBIV i XRF

Rysunek 10 pokazuje multimodalny skan ogniwa słonecznego CIGS, gdzie ogniwo jest eksploatowane w warunkach zwarcia mierzącego XBIC w Rysunek 10A, oraz w warunkach otwartego obwodu mierzącego XBIV w Rysunek 10B. Pomiar XRF pokazany w Rysunek 10C został wykonany jednocześnie z pomiarem XBIV. Aby zebrać wystarczającą liczbę zliczeń XRF, czas przebywania na piksel wynosił 0,5 s dla Rysunek 10B-C w porównaniu do 0,01 s w Rysunek 10A. W związku z tym można zastosować niższą częstotliwość odcięcia w filtrze dolnoprzepustowym do pomiaru XBIV w porównaniu z pomiarem XBIC (10,27 Hz vs. 501,1 Hz, w obu przypadkach z roll-off 48 dB/okt). Tylko dla pomiarów XBIV mogliśmy użyć tych samych ustawień czasu przebywania i filtra dolnoprzepustowego, co w przypadku pomiaru XBIC z podobnym stosunkiem sygnału do szumu. Jednak ogólnie rzecz biorąc, bardziej efektywne czasowo było połączenie pomiarów XBIV z XRF, przy czym pomiar XRF regulujący czas przebywania był bardziej efektywny czasowo, niż wykonywanie oddzielnych pomiarów XBIV i XRF.

Porównując Rysunek 10A, oraz Rysunek 10B, zauważamy, że prąd zwarciowy , mierzony jako XBIC, oraz napięcie obwodu otwartego , mierzone jako XBIV, są skorelowane: duże obszary o wysokiej i niskiej wydajności są widoczne w obu trybach pomiaru. Wskazuje to, że lokalne zmiany grubości i/lub rekombinacja dominują tutaj w wydajności, a nie zmiany pasma wzbronionego, co prowadziłoby do przeciwnych trendów w XBIC i XBIV²⁸.

Ponadto, biorąc pod uwagę Rysunek 10C, można zauważyć, że niektóre obszary o niskiej wydajności, takie jak na korelują z niskim wskaźnikiem zliczania Cu, podczas gdy wydajność nie jest skorelowana ze wskaźnikiem zliczania Cu w innych obszarach.

(i) Aplikacja 3: XBIC i XRF nanoprzewodu

Poza ogniwami słonecznymi, nanoprzewody, z którymi się skontaktowaliśmy²⁴ lub nano-arkusze, a także kropki kwantowe, to inne przykłady testowanego urządzenia, które mogą czerpać korzyści z wzmocnionych pomiarów XBIC. Dla demonstracji, Rysunek 11A pokazuje rozkład pierwiastków z pomiarów XRF, a Rysunek 11B odpowiednią mapę XBIC nanodrutu CdS. Dwa styki wykonane z Pt i przewodu CdS są wyraźnie rozróżnialne, a sygnał XBIC wykazuje pasującą odpowiedź elektryczną. Na szczególną uwagę zasługuje fakt, że XBIC może ujawnić parametry elektryczne nanodrutu pod stykiem Pt, które są unikalne dla nanosond rentgenowskich i można je przypisać dużej głębokości penetracji twardego promieniowania rentgenowskiego. Uzupełnienie składu materiałowego i właściwości elektrycznych nanodrutu w przykładowy sposób demonstruje zalety multimodalnych pomiarów rentgenowskich.

Rysunek 1: Konfiguracja do pomiarów prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIC) na testowanym urządzeniu (DUT). Ścieżka wiązki jest pokazana na czerwono. Zielone formularze oznaczają opcjonalną fluorescencję rentgenowską (XRF) i detektory obszaru do pomiarów multimodalnych, żółte oznaczają opcjonalne światło polaryzacyjne. Komponenty sprzętowe do pomiarów XBIC są oznaczone kolorem czarnym, podczas gdy ścieżki sygnału XBIC są oznaczone kolorem niebieskim, a wyjścia i wejścia sygnału są wyświetlane odpowiednio jako wypełnione i puste okręgi. Przed akwizycją danych (DAQ) sygnał DC (prąd stały) i AC (prąd przemienny) jest przekształcany z napięcia na częstotliwość (V2F). W przypadku alternatywnych ścieżek sygnałowych odsyłamy do części (a) sekcji poświęconej dyskusji. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 2: Przykład kinematycznego uchwytu na próbkę zoptymalizowanego pod kątem pomiarów multimodalnej mikroskopii rentgenowskiej, w tym prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego. Cienkie druty miedziane są zamontowane na przednich i tylnych stykach ogniwa słonecznego Cu(In,Ga)Se₂ (CIGS) za pomocą srebrnej farby i podłączone do styków PCB. Taśma poliamidowa służy do oddzielania przewodów, unikając zwarcia próbki. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 3: Wstępnie wzmocniona reakcja ogniwa słonecznego na napromieniowanie światłem polaryzacyjnym i modulowaną wiązką. Górny rząd bez światła polaryzacyjnego, dolny rząd ze światłem polaryzacyjnym: A i D - wiązka wyłączona; B & E - belka włączona; C & F - powiększ czerwony prostokąt B & E. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 4: Odpowiedź ogniwa słonecznego po wstępnym wzmocnieniu z trzema różnymi czasami narastania filtra (10 μs - niebieski, 100 μs - czerwony, 1 ms - zielony) w przedwzmacniaczu. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 5: Przetwarzanie sygnału przez wzmacniacz blokujący³¹. to sygnał wejściowy z testowanego urządzenia, a to sygnał referencyjny z urządzenia do śmigłowania.Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku. 

Rysunek 6: Amplituda RMS ze wzmocnionym z częstotliwościami odcięcia filtra dolnoprzepustowego 466,7 kHz (niebieski), 1 kHz (fioletowy), 10.27 Hz (czerwony), a stały spadek filtra 48 dB/okt. Testowane urządzenie było ogniwem słonecznym Cu(In,Ga)Se₂ z (A, B, C, D) i bez (E, F, G, H) światła polaryzacyjnego. Czasy, w których pocięta wiązka fotonów była włączana i wyłączana, są oznaczone na rysunkach jako pionowe linie przerywane. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.  

Rysunek 7: Wpływ ustawień filtra dolnoprzepustowego we wzmacniaczu lock-in. A - Tłumienie przez filtr dolnoprzepustowy w dziedzinie częstotliwości dla dwóch stałych czasowych ( ms i ms) oraz dla rzędów filtrów od 1 do 8. B - Odpowiedź nadawanego sygnału filtra dolnoprzepustowego w dziedzinie czasu, w jednostkach stałej czasowej , dla rzędów filtrów od 1 do 8 przy skokowej zmianie sygnału wejściowego z 0 na 1 w czasie 0 i z 1 na 0 w czasie . Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.  

Rysunek 8: Pomiar w locie ogniwa słonecznego Cu(In,Ga)Se₂ na linii P06 w PETRA III, wykonany przy energii fotonów 15,25 keV i strumieniu skupienia około ph/s. PA był używany z = 10⁶ V/A, a LIA z Hz (48 dB/okt). A - czas przebywania, B - strumień fotonów, C - prąd indukowany wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIC); Mapa XBIC znormalizowana do: D - czas przebywania, E - strumień fotonów znormalizowany do wartości mediany, F - czas przebywania i znormalizowany strumień fotonów. G - znormalizowany sygnał XBIC po konwersji z szybkości zliczania na prąd przy użyciu równania (1). Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.

Rysunek 9: Pomiary prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIC) i fluorescencji rentgenowskiej (XRF) ogniwa słonecznego Cu(In,Ga)Se₂, wykonane na linii badawczej ID16B w Europejskim Ośrodku Promieniowania Synchrotronowego ze strumieniem skupionym rzędu ph/s. PA był używany z V/A, LIA z Hz (48 dB/okt). Energia wiązki wynosiła 10,4 keV, częstotliwość rozdrabniacza 1177 Hz, a filtr dolnoprzepustowy odcinał się przy 40 Hz. Czas przebywania wynosił 100 ms, a rozmiar piksela 40 nm x 40 nm. Mapy A, B, E i F zostały wykonane w tym samym czasie; C i D są powtórki po 50 minutach i 113 minutach, przy przyłożonym napięciu polaryzacji 50 mV odpowiednio do przewodzenia i cofania. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.     

Rysunek 10: Multimodalny pomiar ogniwa słonecznego Cu(In,Ga)Se₂, wykonany na linii badawczej P06 w PETRA III o strumieniu skupienia około ph/s. Energia wiązki wynosiła 15,25 keV, częstotliwość choppera 8015 Hz, a rozmiar piksela 50 nm x 50 nm. A - prąd indukowany wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIC) mierzony z czasem przebywania 0,01 s, PA z = 10⁶ V/A, oraz LIA z Hz (48 dB/okt); B - napięcie indukowane wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIV) obejmujące ten sam obszar co panel A, mierzone przy czasie przebywania 0,5 s i LIA przy Hz (48 dB/okt); C - szybkość zliczania Cu z pomiaru fluorescencji rentgenowskiej (XRF), wykonanego jednocześnie z pomiarem XBIV. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku.         

Rysunek 11: Multimodalny pomiar nanoprzewodu CdS ze stykami Pt, wykonany na linii badawczej 26-ID-C Zaawansowanego Źródła Fotonów o energii wiązki 10,6 keV. A - rozkład Pt i Cd z pomiaru fluorescencji rentgenowskiej. B - pomiar prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIC) wykonywany jednocześnie z pomiarem XRF, bez wzmocnienia typu lock-in. Kliknij tutaj, aby zobaczyć większą wersję tego rysunku. 

Tabela 1: Dla dyskretnych filtrów RC rzędu od 1 do 8, iloczyn stałej czasowej i częstotliwości, przy której sygnał jest tłumiony, wynosi 5% (), 50% () i 95% (), jest stałe i podane w górnej części. W dolnej części podane jest opóźnienie czasowe, w ramach którego sygnał osiąga 5% (), 50% (), oraz 95% (), w jednostkach stałej czasowej i odwrotnej częstotliwości odcięcia . Kliknij tutaj, aby pobrać ten plik Excel.

)

	XBIC (Język XBIC	Przekaźnik EBIC (Międzynarodowa	LBIC (Biblioteka LBIC
Zdolność multimodalna	++	+	+
Rozdzielczość przestrzenna	++	++	-
Głębokość penetracji	++	--	+
dostępność	--	-	+
Uszkodzenie próbki	-	--	++

Tabela 2: Jakościowa ocena prądu indukowanego wiązką promieniowania rentgenowskiego (XBIC), prądu indukowanego wiązką elektronów (EBIC) i prądu indukowanego wiązką laserową (LBIC).

Dyskusja

W tym rozdziale omówimy najpierw znaczenie ogólnych ustawień pomiaru XBIC w odniesieniu do szumu (a) i szybkości skanowania (b). Następnie umieszczamy pomiary XBIC w kontekście pomiarów multimodalnych i omawiamy aspekty uszkodzeń wywołanych wiązką promieniowania rentgenowskiego (c) oraz konkretne wyzwania związane z jednoczesnymi pomiarami wielu parametrów (d). Na koniec porównujemy pomiary XBIC z powiązanymi pomiarami wykorzystującymi wiązki elektronów i lasera jako sondy (e).

a) Hałas i błąd

Chociaż wzmocnienie typu lock-in umożliwia wyższy stosunek sygnału do szumu w porównaniu ze wzmocnieniem bezpośrednim, bardzo ważne jest, aby uniknąć wprowadzania szumów na wszystkich poziomach, co wielokrotnie podkreślano w tym manuskrypcie. W celu dalszego omówienia odsyłamy do literatury omawiającej pomiar małych sygnałów elektrycznych 42,43,44,45. Chociaż najnowocześniejsze wzmacniacze typu lock-in są obecnie oparte na cyfrowym przetwarzaniu sygnału, większość strategii redukcji szumów przy użyciu analogowych wzmacniaczy typu lock-in nadal ma zastosowanie.

Podsumowując, należy pamiętać, że kable mają skłonność do pełnienia funkcji anten, a tym samym wprowadzania szumów do systemu. Jest to szczególnie prawdziwe w środowisku nanosond rentgenowskich, gdzie silne pola elektromagnetyczne są często nieuniknione, a ich źródła mogą nawet pozostać nieznane. W związku z tym kable powinny być jak najkrótsze i ułożone w taki sposób, aby poziom indukowanego hałasu był zminimalizowany. Dodatkowe ekranowanie kabli sygnałowych może jeszcze bardziej obniżyć poziom szumów.

Prawidłowy kontakt testowanego urządzenia jest równie ważny dla minimalizacji hałasu. Czystą i solidną metodą z małymi punktami styku jest łączenie drutowe. W przypadku ogniw słonecznych TF nie zawsze działa to ze względu na problemy z przyczepnością. Alternatywnie, taśma przewodząca na bazie grafitu, miedzi lub aluminium nadaje się do większych próbek. W wielu przypadkach najlepsze efekty uzyskuje się przy ręcznym nałożeniu farby srebrnej w celu zetknięcia cienkich drutów miedzianych, złotych lub platynowych z urządzeniem. Podczas gdy taśma i pasta grafitowa mogą nie zapewniać najlepszego kontaktu, srebrna farba może łatwo spowodować zwarcie urządzenia i musi być osadzana z najwyższą ostrożnością. Taśma poliamidowa może być stosowana w celu zapobieżenia zwarciom styku przedniego i tylnego.

Należy pamiętać, że układ okablowania od kontaktu do transportu sygnału musi być dostosowany do warunków brzegowych specyficznych dla linii badawczej. Na przykład układ przedstawiony na rysunku 1 z wstępnie wzmocnionym sygnałem jest dzielony na LIA i konwertery V2F jest ryzykowny, jeśli konwertery V2F znajdują się na zewnątrz klatki. W takim przypadku długi kabel między przedwzmacniaczem a konwerterem V2F może wyłapywać szumy, które są przenoszone do LIA. W związku z tym wyróżniamy trzy przypadki wspólnych ścieżek sygnałowych dla pomiarów XBIC lub XBIV:

Przypadek A: XBIC jest mierzony za pomocą przedwzmacniacza, a sygnał DC/AC jest dzielony po PA, jak pokazano na rysunku 1. W takim przypadku w PA można zastosować przesunięcie prądowe w taki sposób, że sygnał jest zawsze dodatni, unikając konieczności rejestrowania sygnału dodatniego i ujemnego przez dwa oddzielne konwertery V2F. Wadą byłoby zmniejszenie dostępnego zakresu akceptacji napięcia w LIA i doprowadzenie do zmniejszenia czułości.

Przypadek B: Unikając rozszczepienia wstępnie wzmocnionego sygnału, który jest wprowadzany tylko do LIA, w LIA można zastosować dodatkowy demodulator z filtrem dolnoprzepustowym o maksymalnej wartości (tj. nie blokujący częstotliwości modulacji), tak aby wstępnie wzmocniony sygnał mógł być skutecznie wyprowadzany do jednostki DAQ, jak pokazano na rysunku 6A, E. W takim przypadku przesunięcie napięcia na wyjściu może być zastosowane zarówno do sygnału AC, jak i DC, unikając konieczności nagrywania sygnału dodatniego i ujemnego przez dwie oddzielne przetwornice V2F. Nie ma to żadnych większych wad poza zmniejszeniem dostępnego zakresu częstotliwości V2F, który rzadko jest ograniczający.

Przypadek C: XBIV jest mierzony, a sygnał DC/AC jest dzielony między testowane urządzenie a wzmacniacz lock-in. W takim przypadku nie można zastosować przesunięcia napięcia na sygnale DC bez przyłożenia niepożądanego napięcia polaryzacji na testowanym urządzeniu, tak że zawsze wymagane są dwie oddzielne przetwornice V2F dla części sygnału dodatniego i ujemnego.

We wszystkich przypadkach, gdy ujemne i dodatnie części sygnału są rejestrowane przez dwa różne konwertery V2F, całkowity sygnał XBIC lub XBIV uzyskuje się jako różnicę między kanałem dodatnim i ujemnym. Jeśli dostępny jest LIA z dwoma lub więcej demodulatorami, zazwyczaj preferujemy przypadek B, ponieważ minimalizuje on okablowanie surowego sygnału i umożliwia łatwe przełączanie między pomiarami XBIC i XBIV.

Błąd pomiarów XBIC w dużym stopniu zależy od zastosowanego sprzętu i ustawień, tak że nie można tutaj podać kwantyfikacji błędu. Błąd bezwzględny jest wyższy niż można by się spodziewać z powodu błędów eksperymentalnych i systematycznych. Jest to szczególnie ważne, jeśli sygnał XBIC jest konwertowany na wydajność zbierania ładunku poprzez skalowanie ze stałą opisaną w protokole. Na przykład empiryczna zależność między pasmem wzbronionym a energią jonizacji opisana przez α (patrz równanie 4) cierpi z powodu znacznego rozproszenia; pomiary strumienia fotonów są często niedostępne przy błędach bezwzględnych poniżej 10%; a nanoskopowa struktura testowanego urządzenia jest słabo poznana. Podkreślamy jednak, że siła wzmocnionych pomiarów XBIC i XBIV polega na dużej względnej dokładności w obrębie map lub porównywalnych pomiarów.

(b) Szybkość skanowania

W wielu trybach pomiaru, które opierają się na detekcji fotonów, takich jak XRF lub rozpraszanie promieniowania rentgenowskiego, intensywność sygnału wzrasta w pierwszym przybliżeniu liniowo wraz z czasem akwizycji, przy odpowiednio zwiększonym stosunku sygnału do szumu. Nie jest to prawdą w przypadku pomiarów XBIC, gdzie okno możliwych prędkości skanowania nie jest podyktowane statystykami zliczania, ale bardziej złożonymi względami, takimi jak dynamika nośnej i struktura urządzenia.

Niemniej jednak, powolne pomiary z wieloma okresami modulacji sygnału na piksel zazwyczaj prowadzą do najlepszego stosunku sygnału do szumu w amplifikowanych pomiarach XBIC, a nadpróbkowanie z wygładzaniem podczas przetwarzania końcowego (np. przez binning lub stosowanie filtrów) może jeszcze bardziej zmniejszyć poziom szumów, jeśli pozwala na to czas pomiaru. Jednak oprócz kwestii przepustowości, dalsze ograniczenia mogą wyznaczać niższe limity prędkości pomiaru, w tym: (1) degradacja wywołana wiązką promieniowania rentgenowskiego (patrz następna sekcja) lub zmiany próbki spowodowane środowiskiem podczas pomiarów in situ często skracają dopuszczalny czas przebywania. (2) Dryft próbki i odtwarzalność ruchów stolika mogą być ograniczone, szczególnie w przypadku pomiarów w nanoskali. (3) Wahania poziomu hałasu elektromagnetycznego mogą być wyprzedzone przez szybsze pomiary. (4) Podczas gdy pomiary zliczania fotonów można łatwo znormalizować do padającego strumienia fotonów, sygnał XBIC (a tym bardziej sygnał XBIV) jest tylko do pewnego stopnia liniowy w stosunku do padającego strumienia fotonów²⁸. W związku z tym normalizacja strumienia fotonów kompensuje tylko część efektów wynikających ze zmienności strumienia fotonów i należy unikać wykonywania pomiarów XBIC (takich jak mapy lub szeregi czasowe), gdy strumień jest zmienny. Jest to szczególnie problematyczne, gdy pierścień pamięci masowej jest wypełniony podczas mapy XBIC.

Jeżeli prędkość pomiaru XBIC nie jest regulowana przez inne tryby pomiaru (patrz sekcja (d)), pomiary XBIC są zwykle wykonywane z maksymalną prędkością, która zapewnia zadowalający stosunek sygnału do szumu. Górne granice prędkości pomiaru są określone przez następujące ograniczenia: (1) Podstawowym górnym ograniczeniem prędkości pomiaru jest czas odpowiedzi testowanego urządzenia. Ostatecznie czas reakcji jest ograniczony czasem pobierania opłat. W przypadku większości cienkowarstwowych ogniw słonecznych o żywotności nośnika ładunku w zakresie nano- lub mikrosekund nie ma to znaczenia, ale należy o tym pamiętać w przypadku wysokiej jakości ogniw słonecznych z krzemu krystalicznego o żywotności kilku milisekund. Jednak efekty pojemnościowe mogą wydłużyć czas reakcji również ogniw słonecznych TF, co może ograniczyć prędkość pomiaru. (2) Obracające się łopatki rozdrabniacza, które są używane do modulacji wiązki promieniowania rentgenowskiego, mają górne ograniczenia prędkości. W zależności od ich umiejscowienia w wiązce promieniowania rentgenowskiego, rozmiar wiązki może wynosić do 1 mm szerokości, co określa minimalny okres ostrza. Jeśli sieklator pracuje w próżni, częstotliwość rotacji rzadko jest ograniczona, a w niektórych przypadkach odpowiada nawet częstotliwości wiązki elektronów. Jednak praca rozdrabniaczy przy takich prędkościach w próżni jest trudna, tak że większość rozdrabniaczy jest eksploatowana w powietrzu. W tym przypadku prędkość obrotowa jest ograniczona przez drgania mechaniczne, a ostatecznie przez prędkość najbardziej wysuniętej części ostrza, która musi być mniejsza niż prędkość dźwięku. Z naszego doświadczenia wynika, że częstotliwość siekania jest często ograniczona do ~ 7000 Hz w powietrzu. (3) W wielu przypadkach czas reakcji PA wyznacza górną granicę prędkości pomiaru. Jak pokazano na rysunku 4, szybkie czasy narastania PA są wymagane do translacji modulacji sygnału z helikoptera. W przypadku dużego wzmocnienia stosuje się wzmacniacze prądowe o niskim poziomie szumów, które mają czasy narastania do 100 ms. Przy takich czasach narastania częstotliwość siekania może być ograniczona do kilku Hz, co wymagałoby czasu przebywania wynoszącego kilka sekund. Dlatego najlepszą strategią jest często wybór niższego wzmocnienia przez PA z szybszym czasem reakcji, który pasuje do częstotliwości cięcia. Chociaż przekłada się to na mniejsze poziomy sygnału do szumu po wstępnym wzmocnieniu, wzmocnienie typu lock-in często może nadal uzyskiwać modulowany sygnał wysokiej jakości.

Na przykład zastosowany PA zapewnia szerokość pasma ponad 10 kHz dla wzmocnienia w zakresie μA/V, nawet dla ustawienia niskiego szumu³⁷. Umożliwia to cięcie w zakresie kHz i prędkości pomiaru do zakresu 100 Hz z filtrem dolnoprzepustowym z częstotliwością odcięcia między częstotliwością skanowania a przerywaniem. Są to warunki pomiaru, z których często korzystamy.

Aby uniknąć artefaktów pomiarowych, niezwykle ważne jest analizowanie sygnału wzdłuż łańcucha wzmocnienia: podczas gdy ograniczenie przez filtr dolnoprzepustowy LIA może być łatwo wykryte jako artefakty liniowe na mapach (rozmazywanie sygnału XBIC na kilka pikseli), odpowiedź systemu testowanego urządzenia i PA wymaga kontroli sygnału przez lunetę, które można zintegrować z LIA.

(c) Uszkodzenie wiązki

Uszkodzenia wywołane wiązką promieniowania rentgenowskiego są powszechnym problemem i były omawiane w wielu systemach, od próbek biologicznych po krzemowe ogniwa słoneczne i detektory^46,47. Chociaż półprzewodniki nieorganiczne są na ogół bardziej odporne na promieniowanie rentgenowskie w porównaniu z półprzewodnikami organicznymi lub systemami biologicznymi, uszkodzenia wywołane wiązką promieniowania rentgenowskiego są powszechne również w cienkowarstwowych ogniwach słonecznych. W szczególności zaobserwowaliśmy uszkodzenia ogniw słonecznych wywołane wiązką promieniowania rentgenowskiego za pomocą CdTe, CIGS²⁹, perowskitu¹⁸ i organicznych warstw absorberowych. Należy pamiętać, że elektroniczna odpowiedź testowanego urządzenia, takiego jak ogniwa słoneczne, jest wrażliwa na stężenia defektów poniżej poziomu ppm, gdzie rekombinacja ładunek-nośnik wpływa na wydajność bez widocznych uszkodzeń chemicznych.

W związku z tym generalnie wymagane jest przetestowanie wrażliwości testowanego urządzenia na uszkodzenia wiązki. W praktyce oceniamy degradację dowolnego testowanego urządzenia wywołaną wiązką promieniowania rentgenowskiego przed rzeczywistymi pomiarami XBIC i ustalamy warunki, które pozwalają na to, aby na pomiary wpływ miały jak najmniejszy wpływ efekty degradacji.

Istnieją różne strategie radzenia sobie z uszkodzeniami wywołanymi wiązką promieniowania rentgenowskiego, ale to, co je łączy, to to, że mają na celu zmniejszenie dawki promieniowania w miejscu pomiarowym przed oceną jego wydajności. Innymi słowy, celem jest wyprzedzenie degradacji zgodnie z paradygmatem "mierz szybciej niż testowane urządzenie ulega degradacji". Strategie obejmują: (1) Używaj krótkich czasów przebywania. (2) Zwiększ rozmiar kroku, zmniejszając rozdzielczość pomiaru. (3) Zmniejsz intensywność wiązki promieniowania rentgenowskiego za pomocą filtrów tłumiących. W zależności od linii badawczej i testowanego urządzenia można wybrać różne podejścia lub ich kombinację. Na przykład brak szybkich przesłon lub trybów fly-scan wyklucza (1), a szeroko rozpowszechnione profile wiązki promieniowania rentgenowskiego, takie jak te generowane przez płyty strefowe, mogą prowadzić do znacznej degradacji daleko od centralnego położenia wiązki.

Na szczęście większość mechanizmów degradacji prowadzi tylko do lokalnie wzmocnionej rekombinacji nośnika ładunku. Ogranicza to boczny efekt degradacji do długości dyfuzji nośników ładunku, a pomiary XBIC dalej od obszarów zdegradowanych pozostają prawie nienaruszone. Jeśli natomiast mechanizmy degradacji doprowadzą do lokalnego manewrowania testowanego urządzenia, dalsze pomiary XBIC będą poważnie utrudnione. Aby ograniczyć dawkę promieniowania do minimum, krytyczne pomiary powinny być wykonywane najpierw w nowym miejscu, a następnie w tym samym miejscu można zastosować metody głodne fotonów, takie jak XRF, które są bardziej obojętne na uszkodzenia wiązki.

d) Pomiary multimodalne

Kompatybilność XBIC z innymi trybami pomiarowymi umożliwia bezpośrednią korelację parametrów elektrycznych punkt po punkcie z jednocześnie ocenianymi parametrami²³. W tym miejscu pokrótce omówimy połączenie pomiarów XBIC z pomiarami XBIV, XRF, SAXS, WAXS i XEOL. Łatwo można sobie wyobrazić połączenie z innymi trybami pomiaru, takimi jak uzysk elektronów lub holografia, ale tryby te nie są ogólnie kompatybilne z ustawieniami lub trybami pomiarów skanowania.

Nawet jeśli geometryczny układ detektorów i próbek do jednoczesnego pomiaru XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS i XEOL jest możliwy, istnieją podstawowe i praktyczne aspekty uniemożliwiające jednoczesną ocenę wszystkich modów.

(1) Stan ogniwa słonecznego uniemożliwia jednoczesny pomiar XBIC (zwarcie) i XBIV (obwód otwarty). Ponieważ XEOL ^48,49 mierzy rekombinację radiacyjną par elektron-, zmierzony prąd ogniwa słonecznego (XBIC) byłby procesem konkurencyjnym. W związku z tym pomiary XEOL są zwykle przeprowadzane w warunkach obwodu otwartego, co jest zgodne z jednoczesnymi pomiarami XBIV.

(2) Jeśli uszkodzenie wiązki stanowi problem dla pomiarów XBIC lub XBIV, nie można ich łączyć z technikami wymagającymi dużej ilości fotonów, takimi jak XRF lub XEOL. Z reguły efekty uszkodzenia wiązki są najpierw widoczne w wydajności elektrycznej (XBIC i XBIV) i optycznej (XEOL), będąc wrażliwym na rekombinację ładunku i nośnika poprzez defekty elektroniczne. Po drugie, dochodzi do uszkodzeń strukturalnych (widocznych w SAXS & WAXS), a następnie modyfikacji składu widocznej w XRF.

(3) Chociaż rozdrabnianie wiązki promieniowania rentgenowskiego jest ogólnie kompatybilne ze wszystkimi trybami pomiaru, może prowadzić do artefaktów: po pierwsze, zintegrowany strumień fotonów na piksel zmienia się w zależności od zintegrowanego strumienia przechodzącego przez koło tnące w jednym okresie. Efekt ten staje się większy wraz z mniejszym stosunkiem między docinaniem a częstotliwością skanowania. Po drugie, interakcja między kołem rozdrabniacza a wiązką promieniowania rentgenowskiego może prowadzić do rozproszonych, załamujących się i fluorescencyjnych fotonów. Po trzecie, zintegrowany strumień fotonów jest zmniejszony o 50%, co jest szczególnie ważne w przypadku trybów pomiarowych intensywnie wykorzystujących fotony.

W konsekwencji tych rozważań idealny schemat pomiarowy zależy od danego testowanego urządzenia i priorytetyzacji trybów pomiaru. Jednak często rozsądnie jest zacząć od pomiaru zoptymalizowanego pod kątem XBIC. Jeśli wymagany jest amplifikowany XBIV typu lock-in, jest to zazwyczaj drugie skanowanie. W przeciwnym razie rozdrabniacz można wyjąć, a wszystkie inne pomiary, w tym standardowy XBIV, mogą być wykonywane z dłuższym czasem przebywania, zgodnie z wymaganiami dla najbardziej energochłonnej techniki. Idealnie byłoby, gdyby dane XRF były mierzone podczas wszystkich skanów, co pozwala na rejestrację obrazu w post-processingu w celu uwzględnienia dryfu próbki.

e) Różne sondy do pomiarów indukowanych wiązką

Istnieją alternatywne sondy dla wiązek promieniowania rentgenowskiego do oceny przestrzennie rozdzielczej wydajności elektrycznej testowanego urządzenia o określonych zaletach i wadach. W związku z tym jakościowe porównanie XBIC z prądem indukowanym wiązką elektronów (EBIC) i prądem indukowanym wiązką laserową (LBIC) mierzonym w mikroskopach elektronowych lub za pomocą układów optycznych podano w tabeli 2.

Generowanie par elektron-przez laser jest najbardziej zbliżone do pracy ogniw słonecznych na zewnątrz. Jednak rozdzielczość przestrzenna LBIC jest zasadniczo ograniczona przez długość fali lasera. Pomiary EBIC oferują większą rozdzielczość przestrzenną, która jest zwykle ograniczona przez promień interakcji wiązki elektronów z testowanym urządzeniem. Główną wadą pomiarów EBIC jest ich czułość powierzchniowa, co utrudnia ocenę wydajności warstwy absorbera przez stos warstw lub nawet w urządzeniach zamkniętych. Co więcej, nierówne powierzchnie testowanego urządzenia w połączeniu z nieliniowymi efektami emisji elektronów wtórnych często prowadzą do zniekształconych wyników EBIC. W przeciwieństwie do tego, pomiary XBIC prawie nie cierpią z powodu zmian topologicznych, ponieważ większość sygnału jest generowana głęboko w materiale sypkim, a efekty ładunku powierzchniowego są łagodzone przez odpowiednie uziemienie.

Wszystkie trzy techniki indukowane wiązką mają wspólną cechę polegającą na tym, że wstrzykiwanie ładunku jest wysoce niejednorodne, osiągając szczyt w pozycji wiązki. W konsekwencji nadmierne stężenie nośnika i gęstość prądu są rozłożone niejednorodnie. Na uproszczonym obrazie większość ogniwa słonecznego działa w ciemności, a mały punkt działa przy wysokim poziomie wtrysku, który może osiągnąć setki odpowiedników słonecznych dla skupionych wiązek. Rozkład poziomu wtrysku zależy nie tylko od wielkości i kształtu wiązki, ale także od energii wiązki, stosu urządzeń i struktury czasowej wtrysku. Do tej pory wiązka promieniowania rentgenowskiego była traktowana jako wiązka ciągła, co jest uzasadnione w przypadku procesów zbierania nośnika ładunku, które są wolniejsze niż mikrosekundy. Jednak promieniowanie rentgenowskie pochodzące z synchrotronu składa się z impulsów o prędkości poniżej 100 ps, których intensywność i częstotliwość zależą od wzorca wypełnienia pierścienia akumulacyjnego. Chociaż nie zauważyliśmy żadnego wpływu wzoru wypełnienia na porównywalnie wolne pomiary XBIC, krótkoterminowy poziom wtrysku zależy od niego. W przeciwieństwie do tego, można wykorzystać strukturę czasową promieniowania rentgenowskiego: podobnie jak wykazano w przypadku czasowo-rozdzielczego XEOL²¹, można sobie wyobrazić czasowo-rozdzielcze pomiary XBIC lub XBIV lub blokowanie sygnału XBIC/XBIV w częstotliwości wiązki elektronów.

Właściwa dyskusja na temat konsekwencji niejednorodnych poziomów iniekcji wymaga pełnej symulacji 3D wszystkich istotnych parametrów wiązki i urządzenia, w tym splotu zależnego od czasu poziomu wtrysku z ruchliwością 3D i żywotnością w testowanym urządzeniu, co wykracza poza zakres tego manuskryptu. Jest to jednak koncepcyjnie takie samo dla wszystkich pomiarów prądu i napięcia indukowanych wiązką i odnosimy się do literatury omawiającej zależność pomiarów EBIC⁵⁰ i LBIC⁵¹ od poziomu wtrysku.

Negatywne konsekwencje miejscowego wstrzykiwania ładunku mogą być eksperymentalnie złagodzone przez zastosowanie światła polaryzacyjnego o intensywności 1 ekwiwalentu słońca i wzbudzenia wywołanego wiązką, dodającego tylko znikomą ilość nadmiaru nośników ładunku. W praktyce koncepcja ta jest technologicznie ograniczona przez rezerwę dynamiczną na poziomie 100-120 dB w najnowocześniejszych wzmacniaczach typu lock-in, co odpowiada stosunkowi sygnału do szumu wynoszącemu 10⁵ do 10⁶. O ile jest to wystarczające dla urządzeń o rozmiarach porównywalnych z rozmiarem wiązki, o tyle nie pozwala na zastosowanie światła polaryzacyjnego na odpowiednich poziomach dla urządzeń makroskopowych. Oczywistym rozwiązaniem jest zmniejszenie liczebności próby. Niestety, jest to często ograniczone przez elektryczne efekty graniczne w odległości do kilkuset mikrometrów od granicy próbki lub punktów kontaktowych.

Należy również zauważyć, że można wykorzystać zależność pomiarów XBIC od poziomu iniekcji: podobnie jak w przypadku EBIC i LBIC, wykonywanie serii na poziomie iniekcji poprzez zmianę intensywności wiązki promieniowania rentgenowskiego może ujawnić informacje o dominujących mechanizmach rekombinacji i dyfuzji nośników ładunku^52,53.

Podsumowując, głębokość penetracji promieni rentgenowskich w połączeniu z wysoką rozdzielczością przestrzenną sprawia, że XBIC jest najbardziej odpowiednią techniką do badania DUT z zakopanymi strukturami, takimi jak ogniwa słoneczne TF, w podejściu mikroskopii korelacyjnej. Promień oddziaływania pomiarów XBIC jest zazwyczaj mniejszy niż w przypadku EBIC, a rozdzielczość przestrzenna jest często ograniczona przez długość dyfuzji nośników ładunku. Główną wadą pomiarów XBIC jest ograniczona dostępność nanosond rentgenowskich.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule

Nazwa	Firma	Numer katalogowy	Komentarze
Okablowanie i złącza			Od ogólnych dostawców
Ostrze rozdrabniacza	Thorlabs	MC1F10HP	Oprócz technicznej kompatybilności koła rozdrabniacza z systemem rozdrabniacza, należy sprawdzić, czy ostrze rozdrabniacza w wystarczającym stopniu blokuje wiązkę promieniowania rentgenowskiego.
Przewodząca srebrna farba	Conrad	530042	Alternatywne produkty można uzyskać od Pelco i innych
Druty miedziane			Od dostawców do kontaktu z ogniwem słonecznym
Przedwzmacniacz prądowy	Standford	SR570	Alternatywy obejmują pikoamperomierz Keithley 487 lub 6487.
Urządzenie w trakcie testowania (DUT)			Odpowiednie urządzenie do pomiarów XBIC.
Uchwyt z płytką			Niestandardowy
projekt Kinematic uchwyt do próbki	Thorlabs	KB25/M	Opcjonalnie, umożliwia łatwe pozycjonowanie i wymianę próbki. Alternatywa obejmuje M-BK-1A firmy Newport
Lock-in Amplifier	Zurich Instruments	UHFLI lub MFLI	Podczas gdy MFLI ma dołączone przedwzmacniacze prądowe, UHFLI wymaga zewnętrznego przedwzmacniacza prądowego, ale oferuje więcej opcji. W związku z tym w prezentowanym eksperymencie wykorzystano UHFLI.
		kontroli pomiaru/akwizycji danych	Dostępne w różnych synchrotronach.
Optical Chopper	Thorlabs	MC2000B(-EC)	Alternatywą są śmigłowce SR540 firmy Stanford Research Systems lub model 3502 firmy Newport.
		poliamidowa	Dostępne są rolki o różnych szerokościach i grubościach
Źródło			Dostępne w różnych synchrotronach

BNC drukowaną Jednostka Taśma promieniowania rentgenowskiego