High-resolution Micro-imagem térmica Usando európio quelato luminescentes Coatings

Resumo

thenoyltrifluoroacetonate európio (EuTFC) tem uma linha de luminescência óptica a 612 nm, cuja eficiência de activação diminui fortemente com a temperatura. Se uma amostra revestida com uma película fina desse material é micro-fotografada, a 612 nm, a intensidade da resposta luminescente pode ser convertido em um mapa directa da temperatura da superfície da amostra.

Resumo

dispositivos micro-electrónicos frequentemente sofrem significativa auto-aquecimento, quando pressionado para as suas condições de funcionamento típicas. Este documento descreve uma técnica de micro-imagem óptica conveniente que pode ser utilizado para mapear e quantificar tal comportamento. Thenoyltrifluoroacetonate európio (EuTFC) tem uma linha de luminescência 612 nm cuja activação eficiência cai fortemente com o aumento da temperatura, devido a interacções dependentes de T entre a ^{Eu3 +} de iões e o composto quelante orgânico. Este material pode ser facilmente revestida sobre a superfície de uma amostra por sublimação térmica em vácuo. Quando o revestimento é animado com luz ultravioleta (337 nm) de um micro-imagem óptica da resposta luminescente nm 612 pode ser convertido directamente num mapa da temperatura da superfície da amostra. Esta técnica oferece resolução espacial limitada apenas pelo sistema óptico do microscópio (cerca de 1 mron) e resolução de tempo limitado pela velocidade da câmara empregue. Ele oferece as vantagens adicionais de únicaque requer equipamento relativamente simples e não-especializado, e que dá uma sonda quantitativa da temperatura da amostra.

Introdução

Muitos dispositivos eletrônicos sofrem forte auto-aquecimento quando eletricamente inclinado às suas condições normais de operação. Isto é geralmente devido a uma combinação de baixa condutividade térmica (tal como em semicondutores) e de densidade elevada dissipação de energia. Além disso, em dispositivos com uma resistividade eléctrica semicondutora do tipo (isto é, com ∂ρ / ∂ t <0) que tem sido conhecido que existe a possibilidade de instabilidade térmica localizada sob certas condições de polarização ^{1, 2,} em que os fluxos de corrente de polarização não uniformemente através do dispositivo, mas sim em filamentos estreitas que são associados com a auto-aquecimento altamente localizado, tipicamente numa escala de microns.

Compreender tais física auto-aquecimento podem, em alguns casos, ser essencial para optimizar a concepção de um dispositivo em particular, o que significa que as técnicas para a temperatura de imagem em escalas são micronmuito útil. Tem havido um ressurgimento recente de interesse em tais técnicas de duas áreas de desenvolvimento de tecnologia. O primeiro destes é o efeito de atenuação para processos de imagiologia em fitas supercondutoras de alta temperatura em que a micro-imagem térmica permite extinguir locais de nucleação para serem identificados e estudados ^{3, 4.} A segunda aplicação é para se compreender o auto-aquecimento em fontes empilhados intrínsecas Josephson junção terahertz, que são fabricados a partir de Bi ₂ Sr ₂ Cacu ₂ O _8. Estes têm a combinação de baixa condutividade térmica e condutividade eléctrica semicondutor semelhante ao longo da direcção em causa do fluxo de corrente (isto é, o seu cristalino c -axis) descrito acima. Não só eles experimentalmente mostrar complexo comportamento não homogêneo auto-aquecimento ^{5, 6, 7, 8} >, ^{9, 10, 11,} tem sido teoricamente previsto que este possa ser benéfico para a emissão de energia THz ^{12, 13.}

Um número de técnicas existentes para imagiologia da temperatura de uma amostra em escalas de comprimento microscópicas. A técnica de termoluminescência descrito aqui foi originalmente empregue para dispositivos semicondutores próxima da temperatura ambiente ^{14, 15, 16,} mas mais recentemente tem sido aplicada a temperaturas de banho criogénico para as fitas supercondutoras e fontes THz descritos acima ^{3, 4, 10, 11.} Melhorias no desempenho resolução e relação sinal-ruído de câmeras CCD permitiram desempenho considerávelmelhorias nesta técnica ao longo das últimas décadas. A UE-coordenação thenoyltrifluoroacetonate európio complexo (EuTFC) tem uma luminescência óptica que é fortemente dependente da temperatura. Os ligandos orgânicos neste complexo absorvem luz UV eficazmente numa ampla banda em torno de 345 nm. A energia é transferida radiação-menos através excitações intra-moleculares para o ião de ^{Eu3 +,} o que devolve o complexo ao seu estado fundamental, através da emissão de um fotão a 612 nm luminescência. A forte dependência da temperatura surge a partir do processo de transferência de energia ¹⁷ para fazer uma sonda térmica sensível de um objecto revestido com este material. Quando o revestimento é animado com uma fonte de ultravioleta próximo - tais como uma lâmpada de arco de Hg de curto - regiões com menor intensidade de luminescência correspondem à temperatura mais elevada local. As imagens resultantes estão limitados na resolução espacial pela resolução do sistema óptico do microscópio e o comprimento de onda da luminescence (na prática, a cerca de 1 mícron). Dependendo da relação de sinal-para-ruído necessário, resolução de tempo é limitado apenas pela velocidade do obturador da câmara, e mais fundamentalmente pelo tempo de decaimento da luminescência (não mais de 500 mS) ^15. Estas características fazem a técnica de uma sonda muito rápido da temperatura do dispositivo, o qual produz medições de temperatura directos, utilizando equipamento relativamente simples e económico.

Variações desta técnica publicada no passado por outros grupos têm empregado pequenas concentrações de Eu-quelatos dissolvidos em películas de polímeros e spin-revestidas sobre a superfície da amostra ^{3, 4.} Isto resulta num revestimento que é altamente uniforme localmente, mas que tem as variações de espessura significativas nos passos na topografia da amostra - tais como ocorrem geralmente em microdispositivos - resultando em fortes variações espaciais na resposta luminescente which pode dar artefatos nas imagens. A variação técnica que descrevemos aqui emprega sublimação térmica em vácuo. Isto não só evitar o problema de espessura de filme variação macroscópica, mas a concentração superior EuTFC conseguida por unidade de área, melhora significativamente a sensibilidade e reduz o tempo de aquisição de imagem. Uma técnica relacionada emprega um revestimento de grânulos de SiC na superfície, em vez do EuTFC ^{7, 8, 9.} SiC oferece uma sensibilidade temperatura comparável aos revestimentos EuTFC descritos aqui, mas o tamanho dos grânulos limita a suavidade e a resolução das imagens resultantes.

Várias outras técnicas existentes, que oferecem diferentes combinações de vantagens e desvantagens. imagiologia de infravermelhos directa da radiação de corpo negro a partir da amostra é simples e tem resolução espacial de poucos microns, mas só é eficaz quando a amostra é significativaly temperatura ambiente acima. sonda digitalização técnicas de microscopia térmica (tais como microscopia de varredura termopar ou microscopia sonda Kelvin) oferecem excelente sensibilidade e resolução espacial, mas têm tempos de aquisição de imagem lentas, necessariamente limitada pela velocidade de varredura da ponta, bem como exigindo que os equipamentos de alta complexidade. De laser de varrimento ou de feixe electrónico de varrimento de microscopia medidas térmico a perturbação de tensão quando um feixe modulado é rastered em toda a superfície de um dispositivo de corrente polarizada ^{6, 7, 18.} Isto oferece excelente sensibilidade, e é um pouco mais rápido do que a digitalização de técnicas de sonda, mas mais uma vez requer equipamentos de alta complexidade, e também dá um mapa indireta, qualitativa da temperatura da amostra.

Protocolo

1. Preparação da Amostra para Revestimento

NOTA: Se possível, remover toda a contaminação orgânica a partir da superfície da amostra a ser termicamente fotografada. Qualquer tal contaminação pode reagir com o filme depositado EuTFC e alterar a sua resposta luminescente, causando artefactos dependente da posição nas imagens térmicas resultantes. Isto é de particular importância com amostras com eléctrodos de superfície Au, que tendem a atrair a contaminação orgânica a partir da atmosfera. Remover quaisquer partículas ou poeira sentam-se na superfície da amostra, ao mesmo tempo, uma vez que estas podem resultar em artefactos também. Os autores recomendam o seguinte procedimento:

1. Fazer ligações de corrente e tensão para os dispositivos da amostra, tais como pontes supercondutores ou dispositivos resistivos (por exemplo, ligações de arame, pintou-em conexões que utilizam epóxi condutora, etc.) antes de o limpar em preparação para o revestimento de filme fino, uma vez que estes passos podem introduzir contaminação Which deve ser removido antes do revestimento. Use Au fios, se possível, uma vez que irá tornar mais fácil para se conectar a amostra para o criostato depois que o filme foi depositado. (Ver passo 4.6 abaixo).
2. Limpar a amostra em acetona a 100% em um banho de ultra-sons durante 15 s.
3. Sem permitir que a secagem da amostra, limpá-lo em álcool isopropílico 100% em um banho de ultra-sons durante 5 s.
4. Funda o da amostra seca utilizando uma pistola de azoto.
5. Se possível, limpar quaisquer restantes resíduos orgânicos fora da superfície da amostra, utilizando pulverizao com plasma de oxigio. Para fazer isso, usar plasma potência de 100 W, _O2 caudal de 22 ^cm3 / s, e a pressão do gás de 160 mTorr, durante 60 s. Para evitar a re-contaminação da amostra, depositar o revestimento EuTFC o mais rapidamente possível após este passo.

2. Preparação do sistema de revestimento para EuTFC Deposition

1. Utilizar uma fonte de sublimação que consiste de um barco construído para o efeito de 20 x 10 x 10 mm ³ de tamanho (CxLxA) feita a partir de aço inoxidávefolha de aço s, encerrando uma bobina de fio de resistência Manganin 10, para a operação a aproximadamente 100-200 ° C. Dissolve-quaisquer resíduos fundidos de EuTFC do barco por imersão em acetona, uma vez que estes irão afectar adversamente as propriedades do novo filme.
2. Lave o barco em álcool isopropílico.
3. Permitir que o barco para secar completamente no ar antes de prosseguir para carregar EuTFC nele.
4. Proteja EuTFC pó de vapor de água e luz, enquanto ele está sendo armazenado. Completamente moer EuTFC em pó utilizando um almofariz de ágata e pilão para remover todas as protuberâncias visíveis.
   NOTA: Mesmo quando o pó é protegido a partir de vapor de água, que pode ainda cristalizam-se em pedaços grandes de 100 microns de diâmetro ou mais. Estes devem ser removidos à medida que vai resultar num filme grosseiramente não uniforme quando sublimada, causando artefactos em imagens térmicas.
5. Instalar o suporte da amostra e fonte de sublimação no sistema de revestimento de vácuo de tal modo que a amostra fica aproximadamente 10 mm acima do barco fonte(Sensor de espessura cristal orientado adequadamente para monitorar a taxa de deposição). Ligar o aquecedor barco fonte conduz aos seus orifícios de passagem de vácuo associadas.
6. Encher o barco fonte aproximadamente 2/3 cheio com cerca de 0,2 g de solo EuTFC pó.
7. Montar a amostra de cabeça para baixo directamente por cima do barco fonte (para assegurar a uniformidade do filme depositado), de preferência usando fita ou pegajosas pontos de dupla face, em vez de graxa de vácuo que possa contaminar a película.
8. Para minimizar a exposição da superfície da amostra e o pó EuTFC para a atmosfera (especialmente o vapor de água) começam a evacuação da câmara de deposição utilizando uma bomba rotativa o mais rapidamente possível.

3. Deposição de EuTFC Thin Film por sublimação térmica

1. Bombear a câmara de deposição até 3 x 10 ^{~ 5} mbar ou menos, de preferência utilizando uma bomba de turbo-molecular.
2. Programa do monitor espessura de cristal para leitura para uma densidade do filme de 1,50 g / cm ^3.
3. Aplicar 0,5 W de energia para o aquecedor de barco fonte, para aquecer suavemente a fonte até o EuTFC começa a sublimar. Vai levar 2 - 3 minutos para que o monitor de espessura para começar a ler uma taxa de deposição apreciável.
4. Ajustar a potência de aquecimento para manter uma velocidade de deposição de 6-7 nm / minuto. Fazer apenas pequenos ajustes, lentas, como a taxa de deposição normalmente leva 1 - 2 minutos para responder às mudanças na entrada de energia.
   NOTA: As temperaturas de barco suficientes para depositar mais do que 10 nm / minuto nesta configuração pode fazer com que o pó para derreter no barco, reduzindo drasticamente a sua área superficial e, portanto, a taxa de sublimação. Mais importante ainda, as temperaturas excessivas barco pode alterar quimicamente a EuTFC e, assim, reduzir fortemente a sensibilidade térmica da sua luminesccia.
5. Depois de 200 nm (lido pelo monitor de espessura) de deposição de película, desligar a energia para a fonte. (± 20 nm é aceitável aqui, embora espessuras significativamente fora deste intervalo resultará em menora sensibilidade da película.)
6. Após a leitura no monitor espessura chega a zero, ventilar a câmara, com gás de azoto seco. Após a remoção, a proteger a amostra da luz e vapor de água o mais rapidamente possível, por armazenamento num recipiente à prova de luz em um excicador de vácuo.
   NOTA: Este vai evitar respectivamente branqueamento e degradação química da película fina EuTFC.

4. Instalação de Amostra de Medição Cryostat

1. Colocar uma gota de lubrificante sobre a fase de vácuo amostra centro criostato aproximadamente 1-2 mm em diâmetro. Usar uma fase de amostra compreendendo um dedo frio de cobre com uma superfície de topo circular de 15 mm de diâmetro.
   NOTA: Este é um tamanho suficiente para assegurar uma forte contacto térmico entre a fase e a amostra quando a amostra é pressionado para baixo horizontalmente em cima dela.
2. Se o substrato da amostra é electricamente condutor, isolá-lo a partir da fase de colocação por uma folha de Mylar 10 micron na parte superior da massa lubrificante, e um segundo tamanho semelhanted bolha no topo do Mylar.
   NOTA: Os autores constatam que é melhor usar gordura com uma comparativamente alta viscosidade (por exemplo, alta graxa vácuo à base de silicone) de compostos de poços de calor especializados, como o último contêm tipicamente componentes de baixa viscosidade que pode fluir para a superfície de topo da amostra e contaminar o seu revestimento EuTFC.
3. Pressionar a amostra para baixo na parte superior da massa, usando uma pinça para aplicar a força de dois cantos diagonalmente opostos ao mesmo tempo, e, em seguida, fixar no lugar, pelo menos, dois cantos, utilizando parafusos de latão e BeCu braçadeiras.
   NOTA: Se a amostra não está solidamente mantidos em posição, então ele pode flutuar significativamente em relação ao microscópio quando a energia é aplicada a ele, tornando as imagens resultantes difícil de analisar.
4. Fazer todas as ligações eléctricas necessárias, tais como para a corrente e tensão conduz a partir da amostra para a fiação crióstato, tendo o cuidado de não permitir que a contaminação (por exemplo, gotas de fluxo de solda) para pousar na Efilme uTFC.
   NOTA: Faça isso usando apenas a menor quantidade de fluxo que irá fazer o trabalho, e de preferência evitar o uso de fluxo para este passo em tudo. Flux não deve ser necessário se Au fios são usados ​​para as conexões com a amostra.
5. Montar o criostato amostra sobre a sua xyz fase de tradução sob o microscópio, instalar a sua protecção contra o calor e a janela óptica, e retirar o seu espaço de amostra com uma bomba turbomolecular.
6. Cobrir a janela óptica do criostato com uma peça de folha de alumínio (ou semelhante) para impedir o branqueamento da EuTFC por iluminação ambiente na sala. Tome cuidado para não danificar ou contaminar a lente do microscópio quando está fazendo isso.
7. Arrefece-se o criostato para a temperatura do banho de interesse. Para as amostras descritas no presente documento, este é, tipicamente, entre 5 K e 100 K.
   NOTA: Não permita que o estágio da amostra para se sentar por longos períodos de tempo a temperaturas entre 125 K e 175 K, uma vez que neste intervalo o filme EuTFC acabará por se cristalizar empara um estado polygranular com propriedades de luminescência não homogéneos que também pode variar ao longo do tempo. Arrefecimento através desta gama de temperatura a 2 K / minuto ou mais rápida irá garantir que este problema não ocorre. Se o criostato é deixado acidentalmente nesta gama de temperatura durante demasiado tempo, o filme EuTFC podem ser reprodutivelmente de 'RESET' por simplesmente aquecendo o criostato para, pelo menos, 190 K durante 5 minutos.

5. Recolha de imagem térmica de Dados

1. Instalar um filtro de curto passe com 500 nm de comprimento de onda de corte no caminho de iluminação óptica.
2. Instalar um filtro passa-banda com o centro da banda passante de comprimento de onda = 610 nm, e = 10 nm FWHM, no trajecto de recolha óptica.
   NOTA: uma banda passante estreita é vantajoso aqui, uma vez que minimiza coleção de luz de fundo que contribui para o ruído, mas não para o sinal. Os filtros também devem ser escolhidos para minimizar a interferência espectral entre eles.
3. Permitir que a fonte de luz para aquecer e se estabilizar em its temperatura de funcionamento em estado estacionário, e permitir que a câmara arrefecer até à sua temperatura de funcionamento equilíbrio. Isso deve levar cerca de 30 minutos em ambos os casos.
4. Com todos os filtros ópticos em lugar (desde a posição do foco é dependente do comprimento de onda) iluminar a amostra e alinhar e focar o microscópio para a região de interesse.
   NOTA: Enquanto a amostra não está sendo fotografada, usar um obturador ou semelhante para evitar a iluminação desnecessária da amostra e branqueamento resultante do filme EuTFC.
5. Recolher uma imagem de referência com zero de corrente aplicada à amostra. Ao coletar cada imagem, fazer uma correção para as contagens escuras, que podem variar fortemente de pixel a pixel, bem como dar uma compensação para os verdadeiros contagens de imagem do sinal luminescente significativo.
   NOTA: As condições de exposição utilizados dependerão das exigências do experimento (ver discussão), mas é importante escolher as condições de exposição, tais que a imagem não contém pixels saturadas. oimagem de referência é necessária uma vez que a intensidade luminescente recolhido irá tipicamente variam fortemente, dependendo da reflectividade da superfície da amostra, mesmo quando a sua temperatura é inteiramente uniforme.
6. Aplicar polarização eléctrica para a amostra, recolher uma imagem sob as mesmas condições de exposição como a referência, e calcular o rácio de intensidade destes. Observação: O nível de polarização eléctrica necessária depende fortemente da combinação do comportamento do dispositivo e o auto-aquecimento que estão a ser estudados. Os exemplos aqui apresentados resultam tipicamente a partir de correntes de polarização de amostra da ordem de dezenas de mA, resultando em poucos volts de polarização através do dispositivo.
   NOTA: Se a amostra moveu-se significativamente em relação à imagem de referência, então os dados de pixel deve ser deslocada para compensar. (No entanto, dependendo do desempenho da câmera, essa mudança pode introduzir ruído de variações de pixel a pixel em sua sensibilidade à luz, razão pela qual o movimento da amostra deve ser minimizado se a todos os possível.) Se alta precisão absoluta em medições de temperatura é necessária, pequenos desvios na intensidade da lâmpada pode ser corrigida por normalização da relação da imagem-a-referência para ser 1 numa região apropriada da amostra (isto é. um que seja suficientemente longe a partir do dispositivo de auto-aquecida como não ser afectadas por ele).
7. Repetir o passo de 5,6 para todas as condições de polarização de interesse, mantendo constante a temperatura do banho.
8. Repita os passos de 5,4 até 5,7 para todas as temperaturas de banho de interesse.
   NOTA: Dependendo do criostato, a amostra pode precisar de ser rectificados e recentrar a cada nova temperatura do banho.

6. Calibração dos Resultados

1. Recolhe-imagens de referência aplicado-corrente zero suficiente para cobrir toda a gama de temperaturas de interesse. 3 a 4 imagens a cada temperatura será suficiente para estabelecer reprodutibilidade, enquanto que 20 K espaçamento vai dar pontos de dados suficientes para gerar uma curva de calibração precisa. (Ver Figura 1b </ Strong>.)
2. A partir desta curva, converter as imagens de intensidade normalizados em mapas de temperatura. Enquanto a intensidade luminescente absoluta depende fortemente da reflectividade superficiais local da amostra, o seu comportamento normalizado em relação à temperatura é muito fracamente afectado por este.

Armazenamento 7. Amostra and Film Reutilização

1. Como sempre, manter o filme protegido de branqueamento pela luz ambiente. NOTA: Se necessário, o revestimento EuTFC numa amostra pode suportar ciclos térmicos repetida, e as suas propriedades irão permanecer estável ao longo de um período de 2-3 semanas quando conservados em alto vácuo.
   NOTA: No entanto, até mesmo quando armazenado em alto vácuo à temperatura ambiente, a película irá degradar ao longo de 2-3 meses. (Descoloração e rugosidade da película pode ser facilmente visto sob um microscópio óptico.) Se isso ocorrer em uma amostra que requer imagens térmicas adicionais, em seguida, limpar o filme e substituí-lo de acordo com os passos 1 a 3.

Resultados

Um exemplo de uma configuração típica medida para a realização desta experiência, a temperaturas de banho criogénicos é mostrado na Figura 1a, enquanto uma curva típica de 612 nm, a intensidade da resposta luminescente em função da temperatura é representada na Figura 1b.

A Figura 2 mostra um exemplo de imagens térmicas típicos de auto-aquecimento em um ₂ Sr _2<...

Discussão

Como demonstrado pelos nossos resultados, a técnica descrita neste artigo produz imagens de alta resolução térmicas de microdispositivos, com boa sensibilidade e usando equipamento de microscopia óptica única simples. As vantagens desta técnica em relação a métodos alternativos (que será discutido abaixo) são os mais fortes a aproximadamente 250 K e inferior, o que significa que as suas aplicações mais importantes é usado para estudar o auto-aquecimento de dispositivos que são concebidos para funcionarem a temperaturas ...

Materiais

Lista de materiais utilizados neste artigo

Nome	Empresa	Número de catálogo	Comentários
Pó de tenoiltrifluoroacetonato de európio	Sigma-Aldrich	176494-1G	Também conhecido como Európio tris[3-(trifluorometilhidroximetileno)-(+)-cânfora]
Lâmpada de arco curto de mercúrio com guia de luz flexível	Lumen Dynamics	X-Cite Exacte	A fonte de luz inclui íris interna e fotossensor para feedback de intensidade de saída.
Câmera CCD refrigerada por Peltier	Princeton Instruments	PIXIS 1024	1,024 x 1,024 pixels, resolução de 16 bits
Filtro passa-banda de 610 nm	Edmund Optics	65-164	Passband tem CWL 610  nm, FWHM 10 nm
500 nm filtro passa-curto	Edmund Optics	84-706	OD4 em banda de parada
Criostato de fluxo de hélio com janela óptica	Oxford Instruments	MicrostatHe2
graxa de alto vácuo	Dow Corning
Digital Fonte de corrente	Keithley	Modelo 2400	Fonte de corrente e tensão controlável
por computador Digital Voltímetro	Hewlett-Packard	Modelo 34420A	Nanovoltímetro Digital agora disponível como Agilent Modelo 34420A