Атомного зонда томографии Исследования по Cu (In, Ga) Se

Общая цель данной процедуры заключается в определении корреляции между химическим составом и структурой границ зерен CIGS. Для этого сначала вырезается фрагмент материала CIGS, после чего его часть закрепляется на острых молибденовых штифтах полусетки для просвечивающей электронной микроскопии. На втором этапе проводится измерение дифракции обратно рассеянных электронов на поперечном срезе фрагмента CIGS, который был предварительно очищен с помощью сфокусированного ионного пучка.

Далее выполняется кольцевое фрезерование в области выбранной границы зерен. Целью этого этапа является получение в итоге очень острого острия диаметром около 50 nanometers. Заключительный этап заключается в локализации точного положения границы зерен внутри острия с помощью просвечивающего электронного микроскопа и перемещении этой границы зерен ближе к вершине острия с использованием сфокусированного ионного пучка.

В конечном итоге, исследования методом атомно-зондовой томографии, проведенные на подготовленном образце-игле, позволили определить химический состав выбранной границы зерен на наноуровне. Основным преимуществом данной методики по сравнению с существующим стандартным методом вырезания (lift-out) является возможность прямой корреляции химического состава со структурной информацией, такой как тип границы зерен и разориентировка. Данный метод может помочь в решении ключевых вопросов, касающихся дайков CHS vol, например, в снижении производственных затрат при одновременном повышении эффективности.

Действительно, внутренние границы раздела, такие как границы зерен, могут играть ключевую роль, поскольку они способны влиять на рекомбинацию и транспорт зарядов. Таким образом, данный подход в принципе применим ко всем материалам с размером зерен более 500 nanometers, которые могут быть охарактеризованы с помощью томографии APRO. В целом, настоящий метод представляет сложность для начинающих специалистов, так как он требует владения методами фокусированного ионного пучка, дифракции обратно рассеянных электронов и просвечивающей электронной микроскопии.

Идея разработки данного метода возникла у нас после того, как мы обнаружили, что концентрация примесей натрия варьируется от одной границы зерен CIGS к другой. Начните с создания источника материала CIGS для исследования. В данной демонстрации слой молибдена толщиной 500 nanometers был нанесен методом магнетронного распыления на подложку из содово-известкового стекла толщиной three millimeter, а затем на молибден методом совместного испарения был нанесен слой CIGS толщиной two micrometers. Далее создайте структуру, которая будет использоваться в качестве опоры для образца.

Разрежьте сетку для просвечивающей электронной микроскопии maum на две части, установите половину сетки в специально разработанный держатель и проведите электрополировку штифтов maum в 5% растворе гидроксида натрия для получения острых столбиков диаметром менее 2 µm, используя сфокусированный пучок ионного распылителя Dion Beam Mill. Вырежьте в пленке CIGS две траншеи, создав подрез в области размером примерно 25 µm на 2 µm. Затем с помощью пучка полностью отделите левую сторону этой области.

Теперь нанесите платиновую сварку на этот участок и закрепите микromanипулятор в этом месте. Выполните окончательный разрез с правой стороны участка, чтобы получить свободный сегмент материала. Отрежьте кончики острых штифтов полусетки, чтобы создать поверхности диаметром от двух до трех микрометров, которые послужат надежной платформой и соединением для извлеченного сегмента.

Закрепите извлеченный участок материала CIGS на штифтах с помощью платиновой сварки. После закрепления образца сделайте свободный рез, чтобы на вершине штифта остался фрагмент CIGS толщиной около 2 µm. В завершение заполните зазор между штифтом и закрепленным фрагментом платиной.

Расположите сетку так, чтобы штифты были направлены вверх. Установите ускоряющее напряжение пучка ионов Dion на пять киловольт, а ток пучка — на значение менее 50 picoamps. Используйте пучок для очистки поперечного сечения образца в конце.

Выполните измерения методом дифракции обратно рассеянных электронов на очищенном поперечном срезе. На основании полученных данных выберите интересующую границу зерен. Желательно выбрать границу зерен, расположенную перпендикулярно направлению анализа в атомно-зондовом томе.

Здесь выбор показан схематичным расположением иглы для атомно-зондовой томографии. Настройте фокусированный ионный пучок для выполнения кольцевого фрезерования с целью формирования острой иглы вблизи выбранной границы зерен. Выполните кольцевое фрезерование в конце.

Острый кончик должен быть пригоден для последующей просвечивающей электронной микроскопии. После формирования кончика используйте просвечивающую электронную микроскопию, чтобы определить точное положение границы зерен относительно его вершины. После локализации границы зерен верните образец в систему фокусированного ионного пучка, работающую при напряжении 5 kV и силе тока менее 50 pA.

Продолжайте шлифовать образец, чтобы расположить границу зерен на расстоянии не более 200 nanometers. Контролируйте процесс с помощью сканирующей электронной микроскопии в режиме вторичных электронов ниже вершины иглы. Вернувшись к просвечивающему электронному микроскопу, проверьте положение границы зерен относительно иглы, используя малое увеличение и сокращенное время экспозиции для минимизации повреждений.

Сделайте обзорное изображение образца, чтобы получить информацию о границе зерен. Зафиксируйте диаметр образца и угол наклона стержня. Для начала процесса установите предварительно охарактеризованный образец в держатель для атомно-зондовой томографии.

Затем установите держатель в одну из трех доступных каруселей. Поместите карусель в загрузочный шлюз и включите вакуумный насос. Когда давление в загрузочном шлюзе достигнет примерно 100 nano tour, переместите карусель в буферную камеру.

Затем охладите систему до температуры ниже 60 kelvin, чтобы предотвратить диффузию атомов на поверхности образца во время анализа. После охлаждения системы начните измерение, переведя прибор в лазерный режим с использованием зеленого лазера с длиной волны 532 nanometers и длительностью импульса 12 picoseconds. В завершение установите автоматический режим анализа данных на приборе.

Используйте интегрированное программное обеспечение для визуализации и анализа. Необработанные данные измерений содержатся в файле формата RHIT. Для реконструкции 3D-карты убедитесь в правильности выбора файла с помощью панели настроек.

Выполните стандартные этапы настройки системы Adam. После завершения настройки проведите томографию проб для последующей реконструкции, выбрав метод профилирования острия. Это позволит использовать ранее собранные данные просвечивающей электронной микроскопии.

После завершения всех этапов подтвердите предварительный просмотр, созданный во вкладке реконструкции, и сохраните результаты анализа. На данном изображении представлен трехмерный вид сбоку высокоугловой границы зерен A-C-I-G-S, проанализированной методом атомно-зондовой томографии. Эта граница зерен была выбрана с использованием метода локальной подготовки образца.

На данном видео показано, что угол разориентации этой зеленой границы составляет 28.5 градусов. На этих картах отчетливо видна совместная сегрегация натрия, кислорода и калия соответственно на границе. Эти примеси, скорее всего, диффундировали из подложки из содово-известкового стекла в поглощающий слой во время осаждения слоя CIGS при 600 °C.

Слева представлены профили распределения концентрации по глубине через границу зерна для селена, меди, индия и галлия при той же концентрации образца. Из-за разного масштаба профили распределения концентрации по глубине для натрия, кислорода и калия показаны справа. Концентрации на границе зерна, выделенной серым цветом, отличаются от значений в зеленой внутренней области.

Как медь, так и галлий обеднены на этой зеленой границе, в то время как индий обогащен. Это согласуется с расчетами в рамках теории функционала плотности ab initio. Кроме того, на этой границе наблюдается самая высокая концентрация натрия — 1,7 ат.%, за которым следуют кислород и калий с концентрациями 0,4 ат.% и 0,035 ат.% соответственно.

При правильном выполнении подготовка образцов в конкретных точках для шести проб может занять 20 часов. Применение данного метода требует опыта работы с четырьмя различными техниками: фокусированным ионно-лучевым фрезерованием, просвечивающей электронной микроскопией, дифракцией обратно рассеянных электронов и, разумеется, атомно-зондовой томографией при следовании этому протоколу. После его разработки могут быть применены и другие методы, такие как катодолюминесценция, для получения ответов на дополнительные вопросы, касающиеся рекомбинации и активности носителей заряда на выбранных границах зерен CHS.

Данный метод открыл исследователям в области материаловедения путь к изучению и пониманию физических явлений на наноуровне. После просмотра этого видео вы получите четкое представление о том, как подготовить образец с заданной локализацией для метода атомно-зондовой томографии, особенно в случаях, когда необходимо проанализировать внутренние границы разделов, такие как границы зерен.