Medições de corrente induzida por feixe de raios x para microscopia de raios X multi-modal de células solares

Raios-X induzem uma corrente em muitos dispositivos eletrônicos. Muito parecido com fótons visíveis em células solares fotovoltaicas. O sinal é chamado de corrente induzida pelo raio-x.

Em outras palavras, os dispositivos de teste são operados como detectores de raios-X e o XBIC produz o desempenho do dispositivo local. XBIC combina a alta resolução especial da corrente induzida pelo feixe de elétrons com uma alta profundidade de penetração da corrente induzida pelo raio laser. Essa combinação produz o desempenho local mesmo em estruturas variadas como em células solares encapsuladas com alta resolução.

A partir do sinal XBIC, podemos determinar a eficiência espacialmente resolvida da coleta de carga, que é fundamental para o desempenho elétrico de dispositivos semicondutores. Assim, em princípio, medições XBIC podem ser realizadas em todos os sistemas que mostram resposta elétrica em seu espaço, como células solares, detectores de raios-X, em nanofios de semicondutores. Tomar medições XBIC é realmente surpreendentemente simples se você seguir o caminho do sinal do dispositivo para os amplificadores e a aquisição de dados.

Comece projetando um suporte de amostra para fornecer a máxima liberdade para a colocação de diferentes detectores nas proximidades. Coloque o suporte da amostra em uma base cinemática para permitir o reposicionamento fácil das amostras com posição de micrômetro. Use uma placa de circuito impressa que foi projetada para que possa ser usada como suporte para o dispositivo eletrônico para medições XBIC.

Em seguida, cole o dispositivo eletrônico para ser testado na placa de circuito impresso. Preste atenção para evitar curtos-circuitos usando fita poliimida. Fixar os fios de contato também com fita adesiva.

Conecte o contato a montante que está voltado para o raio-x incidente com o escudo do cabo coaxial. Em seguida, conecte o contato a jusante com o núcleo do cabo coaxial. Em seguida, monte a placa de circuito impresso no suporte de amostra.

Em seguida, monte o suporte de amostra no estágio da amostra. Conecte a amostra através do conector BNC no suporte da amostra. Posicione a fiação de tal forma que nenhuma peça de montagem ou fiação bloqueie o raio-x incidente ou qualquer detector.

Certifique-se de que a fiação da amostra está aliviada por tensão para que não restrinja os movimentos da amostra. Verifique se a amostra está bem aterrada. Agora gire o estágio de tal forma que o plano de interesse é perpendicular ao feixe de incidentes.

Isso minimizará a pegada do feixe e maximizará a resolução espacial. Se você estiver realizando medições multimodal, coloque os detectores ao redor da amostra, por exemplo, para medições de fluorescência de raios-X. Em seguida, meça a amplitude de sinal do dispositivo de teste para testar o alcance do sinal em diferentes condições.

Coloque um pré-amplificador nas proximidades da amostra e conecte-a a uma unidade de controle fora da cabana. Isso permitirá modificações de configuração remota sem precisar reentrar na cabana e salvará automaticamente as configurações de amplificação. Conecte o pré-amplificador a um circuito de energia limpa e ligue-o.

Certifique-se de que a amplitude do sinal do dispositivo de teste corresponde à faixa de entrada do pré-amplificador. É uma boa prática manter a amplificação do pré-amplificador na sensibilidade mínima sempre que nenhuma medição está acontecendo para evitar a saturação acidental. Agora conecte o dispositivo de teste ao pré-amplificador.

Dada a pequena amplitude do sinal, é fundamental manter a fiação curta e a uma distância das fontes de ruído. Em seguida, divida o sinal pré-amplificado em três ramos de sinal paralelos. Estes são usados para registrar separadamente os valores DC positivos e negativos, juntamente com os componentes AC modulados.

Conecte o amplificador de travamento a uma unidade de controle fora da cabana. Energize-o de um circuito de energia limpa. Certifique-se de que a saída do pré-amplificador corresponda à entrada do amplificador de travamento em todas as condições.

Aqui a saída máxima do pré-amplificador é de 10 volts, mas a faixa máxima de entrada do amplificador de travamento é de 1,5 volts. Portanto, teste a amplitude do sinal após o pré-amplificador e certifique-se de que a faixa de entrada do amplificador de travamento esteja no máximo. Em seguida, conecte a saída do pré-amplificador à entrada do amplificador de travamento.

Monte o helicóptero de raios-X em um estágio motorizado com a capacidade de entrar e sair do raio-x e energizá-lo através do controlador de helicóptero. Conecte o helicóptero à unidade de controle, neste caso através do amplificador de travamento. Em seguida, dirija o helicóptero óptico com a frequência de desmodulação do amplificador lock-in.

Em seguida, conecte a saída do amplificador de travamento a um conversor de tensão para frequência. Em seguida, desça a amplitude R do sinal amplificado de bloqueio como o sinal CA analógico do dispositivo. Certifique-se de que o dispositivo em teste esteja protegido de todas as luzes da cabana.

Procure na cabana. Por favor, deixe a área. Atenção, por favor, observe ligar.

E ligue o raio-X. Se tudo estiver configurado corretamente, e o raio-X atingir a amostra, um sinal XBIC modulado será visível. Adapte a amplificação do pré-amplificador e a faixa de entrada do amplificador de travamento para que eles coinvam.

Certifique-se de que a resposta do pré-amplificador é rápida o suficiente para a frequência do helicóptero escolhido. Deve-se observar um sinal XBIC retangular. Se um forte atraso for visível, a frequência do helicóptero precisa ser reduzida ou o tempo de elevação do filtro do pré-amplificador precisa ser ajustado.

Defina a frequência do filtro de passagem baixa do amplificador de travamento ao mínimo compatível com a velocidade de digitalização. Em seguida, maximize o sinal amplificado em relação à relação feixe ligado e feixe desligado e com relação à relação sinal/ruído. A configuração está agora pronta para medições XBIC.

Vá para um local impecável na amostra e inicie a medição. A principal vantagem do uso da amplificação lock-in para medições XBIC é o aumento dramático da relação sinal/ruído em comparação com as medidas com amplificação padrão. Aqui, o dispositivo pré-amplificado sob resposta de teste é mostrado como medido por um escopo sem e com uma luz de viés acesa.

Apesar da presença de fortes componentes de ruído ou engano induzidos por luz de viés ou tensão, é possível extrair o sinal de corrente induzido pelo feixe de raios-X modulado do sinal de fundo, mesmo que sejam ordens de magnitude menor. Comparando estas duas imagens, observe um sinal de deslocamento na ordem de oito milivolts que é deslocado para menos 65 milvolts ligando a luz de viés de tubos fluorescentes. Além disso, a variação do sinal em escalas de curto prazo é significativamente aumentada pela luz do viés.

Com as configurações apropriadas, tanto o deslocamento quanto a modulação de alta frequência podem ser mitigados. No entanto, todas as fontes de viés não intencional, como iluminação ambiente e ruído eletromagnético, devem ser eliminadas para a maior relação sinal/ruído. Estes gráficos destacam o efeito da luz de viés e diferentes configurações de filtro de passagem baixa na amplitude RMS amplificada de bloqueio.

Para alta frequência de varredura, a frequência de corte do filtro de passagem baixa deve ser o mais alto possível, mas o sinal mais alto para ruídos obtidos com frequências de corte baixo. Neste caso, um filtro de passagem baixa com uma frequência de corte igual a 10,27 Hertz ofereceu o melhor compromisso para a digitalização em dois Hertz moderados. Aqui, você pode ver o impacto da amplificação de bloqueio no sinal para a relação ruído nas medidas de corrente induzidas pelo feixe de raios-X.

A noz do sinal direto é aparente e o sinal amplificado de travamento mostra características finas em bom detalhe. Para análise quantitativa, a forma do sinal XBIC modulado deve representar a forma da intensidade modulada do raio-X. Por isso, é importante otimizar a frequência do helicóptero e os filtros de passagem baixa em relação a isso.

A amplificação de lock-in nos permite medir dispositivos em diferentes condições. Por exemplo, podemos aplicar tensão de viés ou luz de viés. Em última análise, isso nos permite medir toda a curva IV com alta resolução espacial na nanopacagem.

XBIC é particularmente útil quando combinamos com outras técnicas. Por exemplo, com difusão de fluorescência de raios-X, tachografia ou luminescência óptica excitada por raios-X. Se combinarmos tudo isso, podemos resolver e desconvoluir a estrutura de composição e o desempenho.

Além das precauções gerais a serem tomadas ao lidar com energia elétrica e raios-X intensos, não há risco específico na realização de medições XBIC para operar pelo menos a amostra, no entanto, pode morrer por causa de danos causados por radiação. Com fontes limitadas de difração, como petra quatro, o fluxo de raios-X nanofoco aumentará por ordens de magnitude. Isso aumentará a relação de velocidade de medição para a relação ruído e permitirá experimentos totalmente novos in situ e operando.