Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
Click here for the English version

Engineering

Atom לימודי Probe טומוגרפיה על Cu (ב, GA) Se doi: 10.3791/50376 Published: April 22, 2013

Summary

בעבודה זו, אנו מתארים את השימוש בטכניקת טומוגרפיה אטום החללית לחקר גבולות הגרעין של שכבת בולם בתא סולרי סיגריות. גישה חדשנית כדי להכין את הטיפים הבדיקה אטום המכילים דגן גבול הרצוי עם מבנה ידוע מוצגת גם כאן.

Abstract

בהשוואה לטכניקות הקיימות, הבדיקה האטום טומוגרפיה היא טכניקה ייחודית מסוגלת לאפיין את הממשקים הפנימיים כימי בקנה המידה ננומטרי, ובשלושה ממדים. ואכן, APT בעל רגישות גבוהה (לפי סדר עמודים לדקה) וברזולוציה מרחבית גבוהה (תת ימי).

מאמצים רבים נעשו כאן כדי להכין את הטיפ APT שמכיל את גבול התבואה הרצויה עם מבנה ידוע. ואכן, באתר ספציפית הכנת מדגם באמצעות שילוב התמקד יון קורה, דיפרקציה backscatter אלקטרון, ומיקרוסקופ אלקטרונים הילוכים מוצג בעבודה זו. שיטה זו מאפשרת לגבולות גרעין נבחרים עם מבנה ידוע ומיקום בCu (ב, GA) Se 2 דקי סרטים להיחקר על ידי בדיקה טומוגרפיה אטום.

לבסוף, אנו דנים ביתרונות ובחסרונות של שימוש בטכניקת הבדיקה האטום טומוגרפיה כדי ללמוד את גבולות התבואה בCu (ב, GA) 2 תאים סולריים בשכבות דקות SE.

Introduction

תאי סרט דק סולאריים המבוססים על המוליכים למחצה תרכובת Cu כלקופיריט מובנה (ב, GA) Se 2 (סיגריות) כחומר בולם היו בפיתוח במשך יותר משני עשורים, בגלל היעילות שלהם הגבוהה, קשיות קרינה, יציב לטווח ארוך ביצועים, ועלויות ייצור נמוך 1-3. יכולים להיות מפוברקים תאים סולריים אלה רק עם צריכת חומרים מעט בשל תכונות החיוביות האופטיות של שכבת בולם סיגריות, כלומר, bandgap ישירה ו1,2 מקדם ספיגה גבוהה. סרטי בולם של רק כמה מיקרומטרים בעובי מספיקים כדי להפיק פוטונים גבוהים. מאז את נתיבי דיפוזיה של נושאי מטען photogenerated לאלקטרודות הם קצרים יחסית, ניתן לייצר בולמי סיגריות בצורת polycrystalline. היעילות מקסימלית של Cu (ב, GA) Se 2 תא (סיגריות) שמש שהושג עד כה הוא 20.4% 4, המהווה את הערך הגבוה ביותר מבין כל תאי סרט דק השמש.

ove_content "> כדי לבסס עוד יותר את טכנולוגית פוטו סרט דק סיגריות, הן ההפחתה של עלויות ייצור והשיפור של יעילות תאים סולרית הם חיוניים. האחרון הוא מאוד תלוי במייקר ובהרכב הכימי של שכבת בולם סיגריות. ממשקים פנימיים, בגבולות גרעין מסוימים (GBS) בתוך בולם, למלא תפקיד מרכזי, כפי שהם יכולים להשפיע על ההובלה של נושאי מטען photogenerated.

אחת הסוגיות לא פתורות העיקריות ביחס לתאים סולריים סיגריות הוא האופי השפיר של סיגריות GBS, סרטי בולם סיגריות polycrystalline כלומר להניב ניצולת תא מצטיין למרות צפיפות גבוהה של מומי GBS וסריג.

מספר חוקרים חקרו GBs בסרטי סיגריות שמש בדרגה ביחס לתכונותיהם החשמליות 5,6, אופי וmisorientation 7-9, כמו גם הפרדת טומאת 10-13. עם זאת, אין קשר ברור בין אלה properties ניתן להקים עד כה. בפרט, קיים מחסור משמעותי של מידע בנוגע להרכב הכימי המקומי ותוכן טומאה של GBS.

בשני העשורים האחרונים, הבדיקה האטום טומוגרפיה (APT) התפתחה כאחת טכניקות אנליטיות ננו 14-17 המבטיחות. עד לאחרונה מחקרים המתאימים של תאים סולריים היו מוגבלים במידה רבה על ידי קשיים בתהליך הכנת המדגם ואת היכולת המוגבלת של חומרים מוליכים למחצה באמצעות ניתוח בדיקות אטומי פעם מתח קונבנציונליות. הגבלות אלה היו להתגבר במידה רבה על ידי הפיתוח של 'שיטת מעלית החוצה "המבוסס על קרן אור ממוקד כרסום יון (FIB) 18 ואת ההקדמה של לייזר פעם APT 16. כמה עיתונים על אפיון של תאים סולריים APT סיגריות פורסמו 19-23, שהם מאוד מעודדים עבור חקירות נוספות.

מאמר זה נותן קווים מנחים של איך ללמוד הפנימיתאים סולריים בשכבות דקות nterfaces בסיגריות על ידי טכניקת הבדיקה האטום טומוגרפיה.

Protocol

1. שכבת הפקדת סיגריות

  1. ננומטר גמגום להפקדה 500 של מוליבדן (חזרה שכבת מגע) על גבי מצע 3 מ"מ עובי סודה לימון זכוכית (SLG).
  2. שיתוף להתאדות 2 מיקרומטר של סיגריות בתהליך רב שלבי סיגריות מוטבע 24. את סיגריות מתקבלות שכבה שהופקדו על קשר אחורי מו מוצגת באיור 1.
  3. למדוד את ההרכב נפרד משכבת ​​סיגריות על ידי הקרינה רנטגן ספקטרומטריית (XRF). הרכב סיגריות שהושג מוצג בטבלה 1.

2. אתר ספציפי, ייצור דוגמאות לניתוח APT

  1. חותכים TEM מו רשת לשתי חצאים על מנת לקבל שורה של כמה סיכות, להיות התמיכה בדגימות המאוחרות יותר. הר חצי רשת TEM על בעל ולהתחדד קצוות של הפינים ידי electropolishing ב5 WT. % ועד לקוטר קצה <2 מיקרומטר NaOH. התהליך יכול להיות סביר נשלט באמצעות stereoscope. ואז לעלות על רשת electropolished לא בעל אחרכובע הוא מותאם לFIB הרציף, TEM, EBSD, ואפיון APT.
  2. טחנת שתי תעלות לסרט דק סיגריות באמצעות FIB לקבל לערער (איור 2 א). ביצוע חתך חופשי הראשון בצד השמאל של הנתח.
  3. צרף micromanipulator לנתח על ידי ההפקדה לרתך Pt ידי יון קורה מושרה שיקוע כימי. ואז, לעשות Final Cut-בחינם באתר ההפוך ומעלית החוצה הנתח שעמד חופשי (איור 2b).
  4. עכשיו לחתוך את הסיכות החדות של חצי רשת מו TEM לטריז (2-3 מיקרומטר קוטר) שיש משותף טובה לנתח חילוץ. הר הנתח על הפינים באמצעות תצהיר Pt (איור 2 ג). ביצוע חתך חופשי סוף סוף לקבל רק חלק קטן מהנתח (סביב 2 מיקרומטר) בחלק העליון של סיכת מו. לאחר מכן לעלות לבעל הרשת במהופך ולמלא את הפער בין הפינים מו והחתיכה רכוב עם Pt. להמשיך את אותו תהליך עם הנתח הנותר. לפרטים נוספים על מתיחה החוצההליך, הקורא יכול להתייעץ בהערות הבאות 18,25.
  5. הנח את הרשת זקופה ולנקות את החתך של הנתח (לבחור את האתר עם ריתוך Pt דק יותר) על ידי שימוש במתח וקרן נוכחית (5 ק ו< 50 PA) נמוכים מואץ בלבלף. כך מתקבל משטח חלק ופחות זיהום עקב GA + השתלה, אשר נדרש למדידות EBSD.
  6. ממדידת EBSD מבוצעת על החתך לבחור GB של ריבית. אורינטציה של GB עדיפה להיות ניצב ביחס לכיוון הניתוח בבדיקת אטום (Z-ציר) כדי להפחית את ההשפעה המקומית הגדלה 26, אשר תאר יותר בפירוט בחלקו דיון. אזור מתאים עם GB מודגש באיור 2.
  7. לבצע כרסום טבעתי באזור GB בחר בשלב 2.6) ליצירת קצה חד. רדיוס עקמומיות צריך להיות מספיק קטן (<100 ננומטר) לעוד יותר TEM investigatיונים. כדי להגיע למטרה זו, להקטין את הקוטר הפנימי של תבנית טחינת הצעד אחרת צעד טבעתי (2E איור) ובמקביל לדמיין את קצה עיצוב על ידי אלקטרונים המשני (SE). כך אפשר לתקן משמרות הקורה או להתאים את דפוס הטחינה כדי להסיר אי סדרים בקצה כמו אדווה או redeposition של חומר שמקורו שונה גמגום תשואות, הצללה וכו 'אפקטים.
  8. למקם את המיקום המדויק של GBs ביחס לשיא של הקצה על ידי שימוש בכלי TEM (ראה תרשים 2F), ביודעו כי בהשוואה לחומרים אחרים (כמו superalloys) GBs סיגריות אינם גלוי לעין בSEM.
  9. לדעת בדיוק היכן GB ממוקם בתוך קצה APT, להעביר את הדגימה חזרה לFIB ולהמשיך טחנת המדגם למקם GB ב 200 ננומטר המרבי מתחת לשיא של הקצה. בשלב זה, הטחינה נעשית בkV נמוך מאוד (5 קילו וולט) וזרם נמוך (<50 הרשות הפלסטינית). ואכן, המטרה היא לא רק למקם GB קרוב לאo השיא של הקצה, אלא גם כדי למזער את נזק של GA + טיפ APT במהלך הליך זה. במקביל לכרסום נמוך KV, לדמיין את הצורה של קצה APT בSEM ולשלוט בכמות החומר שיש להסיר מהשיא של הקצה (איור 2G).
  10. להעביר שוב את הדגימה לTEM ולבדוק את המיקום של GB ביחס לשיא של הקצה. הפוך את תמונת סקירה של הדגימה (איור 2H) כדי להשיג ידיעה מדויקת על מיקום GB, האבולוציה של קוטר הדגימה וזווית שוק חצי. זה הכרחי כדי להשיג שחזור אופטימלי של הנתונים המתאימים. יתר על כן, להשתמש בהגדלה נמוכה וזמני חשיפה מופחתים למזעור נזקים קרן אלקטרונים מושרה וזיהום C אשר יכול להוביל לשיעור כישלון גבוה יותר במדידות המתאימות.

3. ניתוח APT במערכת CAMECA LEAP 3000X משאבי אנוש

  1. הר את הדגימה בהמתנת APTאה. ואז, לעגן את הדיסקית דגימה באחד מארבע הקרוסלות הזמינות.
  2. הכנס את הקרוסלה המכילה את הדיסקית הדגימה בתוך מנעול העומס ולהתחיל לשאוב את מנעול העומס. כאשר הוואקום בתוך מנעול העומס הוא ~ 10 -7 טור, הכנס את הקרוסלה בתוך חדר החיץ.
  3. אחרי המתנה של CA. שעה 1 כדי לשחזר את הוואקום בתא החיץ (~ 7x10 -9 טור), להעביר את הדגימה מהתא לתא חיץ הניתוח העיקרי. זה נעשה עם מוט העברה אופקי, שהוא מכשיר מופעל באופן ידני.
  4. לפני שמתחיל את המדידה בתוך APT, להתקרר לטמפרטורה עד 60 ק טמפרטורה נמוכה זה תמנע את הדיפוזיה של האטומים על פני השטח של הדגימה במהלך הניתוח. נציין כאן כי 60 K הוא טמפרטורת הסט ולא את הטמפרטורה האמיתית נמדדת על קצה APT, שאמורה להיות גבוה יותר עקב חום לייזר של הדגימה. כפי שהוצעה על ידי קלוג et al. 27, טמפרה זומכשור יכול להיות מוערך על ידי לקיחה בחשבון את תשלום המדינה-היחס יחסית. למרבה הצער, בעבודה זו הטמפרטורה האמיתית של הטיפים לא יכולה להיות מחושבת בעיקר בגלל התאדות תחום סיגריות החומר אינה ידועה.
  5. ניסויי APT מתבצעים במצב לייזר באמצעות לייזר ירוק באורך גל של כ 532 ננומטר ואורך 12 psec דופק.

4. שחזור של נתונים APT

  1. פתח את קובץ RHIT (הנתונים גולמיים המתקבלים ישירות לאחר מדידות APT) עם ויזואליזציה של CAMECA המשולבת ותוכנת ניתוח (IVAs 3.6.2) 28 משמשים בדרך כלל כדי לשחזר את מפת 3D.
  2. לבצע שחזור של מפת 3D באמצעות שמונת השלבים הבאים 28:
    1. שלב 1 - הגדרה שהיא חלונית קריאה בלבד נותנת את כל פרטים על האופי והתוכן של המחקר שנבחר.
    2. שלב 2 - מגוון רצף יון בחר. צעד זה מגדיר את טווח יון הרצף ביחס לדגימהמתח להיבחר בנתונים משחזרים.
    3. שלב 3 - החזר על השקעה גלאי נבחרת. צעד זה נותן את ההזדמנות כדי להסיר את היונים שנמצאים מחוץ לגלאי החזר על ההשקעה (אליפסה שחורה על ההיסטוגרמה אירוע הגלאי).
    4. שלב 4 - תיקוני TOF. צעד זה מחשב את המתח, את הזמן של הטיסה (TOF), וplanarity של הגלאי ("תיקון קערה ') תיקונים לניתוח.
    5. שלב 5 - כיול המוני. מיקום השיא נמדד בספקטרום ההמוני ניתחו הוא מכויל עם מדינות איזוטופ / תשלום ידוע.
    6. שלב 6 - בין תאריכים הקצאת יון. בשלב זה את הפסגות בספקטרום ההמוני מוקצות לטווחי אלמנט איזוטופ.
    7. שלב 7 - שיקום. צעד זה חל אחת משלוש שיטות שיחזור לנתונים שנרכשו: שיטה, שיטת זווית שוק מתח או שיטת קצה-פרופיל. האחרון משמש במחקר הנוכחי לשחזר-3D המפה שלנו. שיטה זו דורשת תמונת SEM או TEM של TIעמ ', כפי שמוצג באיור 2G ו2h דמות. רדיוס הקצה בכל נקודה בשחזור מוגדר על ידי אינטרפולציה ליניארית בין סדרה של נקודות שהוגדרו בתמונה SEM.
    8. שלב 8 - אישור. בשלב זה, יצר את התצוגה המקדימה בכרטיסיית השחזור מומרת לניתוח הציל.

Representative Results

איור 3 מציג מבט מצד (פרוסת XZ) מפה בסיסית של GB הזווית הגבוהה האקראי (HAGB) 28.5 ° - <511> הגור נבחר באיור 2 בשיטת הכנה ספציפית באתר. שיתוף הפרדה של Na, K, ו-O בHAGB סיגריות ממופית ישירות באמצעות APT. זיהומים אלה ככל הנראה מתפזר מתוך מצע SLG לתוך שכבת בולם בתצהיר של שכבת סיגריות ב ~ 600 ° C.

איור 4 א מציג Cu, ב, GA, ופרופילי ריכוז Se פני GB מוצג באיור 3. Cu, ב, GA, וריכוזי מז ב GB שונים לאלו בגרגרי הפנים (GIS). ניתן לראות בבירור כי Cu וGa מתרוקנים בGB זה, ואילו במועשר. זה בהסכם למה שהניח על ידי פרסון et al. 29 על בסיס צפיפות AB-initio תאוריה (DFT) חישובים פונקציונליים, כלומר שהשורות הפנויות Cuנוצר מחדש באופן מועדף GBs סיגריות. בהעשרה ודלדול Cu יכול להיות מוסבר על ידי האנרגיה הנמוכה היווצרותו של המטען ניטראלי פגם הזוג 2V Cu - + בCu 2 + 30. יש לציין כי חישובי DFT על ידי פרסון et al. -29 נעשו לGB סימטרי (Σ 3 (112) שחפת), ואילו הנתונים המתאימים באיור 3 התקבלו לHAGB אקראי. יתר על כן, Cu-מועשר ובמדולדל HAGBs נצפו גם עבורו החומר כאמור בעבודה הקודמת שלנו 21.

איור 4 מציג את הריכוזים של Na, K, וזיהומים O בHAGB זה, שהם 1.7%, ב0.035% וב0.4 ב%, בהתאמה (ראה טבלה 2). חריגות interfacial המקבילות (Γ) ערכים עבור Na (Na Γ), K K), ו-O O) מחושביםמנתוני APT גם מוצגים בטבלה 2. הפרזות interfacial אלו חושבו באמצעות גישת כאהן 31.

הקומפוזיציות של GI 1 ומערכת העיכול (GI הממוצע 2: פנים תבואה, ראה טבלה 2) מראות וריאציה קלה של Cu, ב, SE, וריכוזי Ga מגרגיר אחד למשנהו. ערכי ריכוז אלה בהסכם טוב עם פרופילי הריכוז באיור 4 א. יתר על כן, ריכוז O הוא שונה מאחד למשנהו תבואה (170 עמודים לדקה לעיכול ו1 0 עמודים לדקה לעיכול 2) ואילו, בהרכב Na הוא כמעט קבוע (50 עמודים לדקה ל1 GI ו60 עמודים לדקה לעיכול 2, ראה טבלת מס '1) . K הריכוז פנימה את הגרגרים הוא מתחת לרמת הרעש של מדידת APT זה (רמת רעש = 45 ± 5 עמודים לדקה / האמו) ובכך מתחת לסף הגילוי.

איור 1 אוהל-width = "4in" עבור: src = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1highres.jpg" src = "/ files/ftp_upload/50376/50376fig1.jpg" />
איור 1. תמונת SEM של שכבת סיגריות על מו מצע זכוכית מצופה סיד סודה.

איור 2
איור 2. א) כרסום של נתח ללהרים החוצה, ב) חיבור של micromanipulator ידי Pt תצהיר, ג) הרכבה של חתיכת נתח על רשת חצי מו TEM, ד) מדידת EBSD על ניקה חתך, ה) טבעתי הטחינה של קצות מחודדים מראש, ו) תמונת TEM של G GB) טחינה נמוך ק סופי, H) תמונת TEM של GB בקצה APT לאחר הטחינה נמוך ק. לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

איור 3 "עבור: תוכן-width =" 5IN "עבור: src =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3highres.jpg "src =" / files/ftp_upload/50376/50376fig3.jpg "/>
איור 3. מפות 3D הולמת של Cu (כחול), ב( ורוד), GA (צהוב), SE (אדום), NA (ירוק), O וOH (אור הכחול), ו-K (חאקי). מפות 3D אלה ישירות להראות Na, הפרדה K ו-O בHAGB (28 ° - <511> גור), שנותח על ידי EBSD וTEM לפני ניתוח APT.

איור 4
איור 4. () Cu, Se, ג'ורג'יה, וב( ב) Na, K, פרופילי עומק ריכוז O באמצעות GB מוצג באיור 3. תיבת הדגימה משמשת לבניית פרופילים אלה הוא 32 x 32 x 0.3 ננומטר 3. ברים נותנים את השגיאות הסטטיסטיות (2σ).לקבל = "_blank"> לחץ כאן לצפייה בדמות גדולה.

אלמנט מ"ק בתוך Ga Se
קונצרט כלשהו. (ב%) 22.3 18.6 7.2 51.9

טבלת מס '1. הרכב אינטגרלי של שכבת סיגריות שנמדדה על ידי XRF.

אלמנטים GI 1 (at.%) GI 2 (at.%) GB (at.%) Γ GB (ב / מ 2)
מ"ק 21.5 ± 0.12 22.8 ± 0.12 18.2 ± 0.4 -
בתוך 19.6 ± 0.12 19.4 ± 0.12 21.8 ± 0.4 -
Ga 9.0 ± 0.09 9.6 ± 0.09 8 ± 0.3 -
Se 49.7 ± 0.1 48.1 ± 0.15 49 ± 0.5 -
Na ± 0.005 0.002 ± 0.006 0.002 1.7 ± 0.1 2.9 x 10 18
K - - 0.035 ± 0.01 7.5 x 10 16
O ± 0.017 0.004 - 0.4 ± 0.07 8.4 x 10 17

טבלת 2. מ"ק, ב, GA, Se, Na, K, ו-Oערכים בהרכב הפנים התבואה (GI) ובגבול התבואה (GB) של סיגריות המתקבלות מספקטרום המוני לתשלום APT, לאחר deconvolution של חפיפת פסגות המוניות. Γ GB מייצג את חריגות interfacial (Γ) בג'יגה בייט.

Discussion

בשנת העבודה הנוכחית, יש לנו הציגו תוצאות APT על HAGB אקראי בסיגריות, חומר מוליך למחצה תרכובת המשמש ליישום פוטו. יתר על כן, יש לנו גם הראו כי APT בשילוב עם טכניקות משלימות, כגון EBSD וTEM, הוא כלי רב עוצמה על מנת להבהיר את מערכת היחסים של מאפייני מבנה ההרכב לתאים הסולריים סיגריות. למרבה הצער, את המתאם בין APT וEDX / צלופחים בTEM לא היה אפשרי, כי ראשית, יש EDX / צלופחים לא רזולוציה מספיקה כדי לזהות ריכוזי Na וO נמוכים בגבול התבואה ושנית, EDX / צלופחים אינו רגיש לכל הגורמים, במיוחד לNa וע '

APT הוא טכניקה ייחודית מסוגלת לאפיין את הממשקים כימיים בקנה המידה ננומטרי, ולדמיין אותם בשלושה ממדים 14-17. ריכוזי טומאה מאוד לדלל בעשרות עמודים לדקה ניתן להבחין בגלל יחס אות לרעש הגבוה בספקטרום ההמוני. יתרון נוסף שלטכניקת APT היא שרגישות זיהוי היא לא מרכיב ספציפי אם פרמטרי מידות מתאימים שנבחרו.

אחד צריך להזכיר כאן שכדי למדוד במדויק ערכי הלחנה בסיגריות ובGBs פנים דגנים, חשוב לבחור את התנאים האופטימליים לניתוח APT (טמפרטורה, אנרגיה לייזר, דופק, וכו '). אם לא, חפצים כגון אידוי ואגירה של 32 אלמנטים מועדפים עלולים להתרחש במהלך אידוי שדה פעם של הדגימה. ממצאים אלה עשויים להופיע כאשר יש הבדל גדול באידוי תחום האלמנטים. לפיכך, שיעור שדה האידוי, המתח, והאנרגיה לייזר צריך להיות מוגדר בצורה כזאת שכל האלמנטים יוסרו בהסתברות שווה. כפי שניתן לראות כאן, על ידי בחירת פרמטרים מתאימים בהתאמה לניתוח APT, מצאנו קרוב הרכב סיגריות בהשוואה לזה שמתקבל על ידי XRF (ראה לוחות 1 ו -2). נציין כאן שלאהוא הערכת יתר של ריכוז Se בסיגריות על ידי XRF נובע משכבת ​​2 Mose נוכחת בממשק סיגריות / מו. סיבה שנייה לריכוז Se הנמוך שנמדד על ידי APT (מתחת לערך הנומינלי של 50%) יכולה להיות האידוי המועדף של Se בין פעימות לייזר כSe הוא המין נדיפים ביותר בסיגריות. יתרה מזאת, ההבדל בCu, ובריכוזי Ga בין APT וXRF הוא בשל העובדה כי צעדי APT הרכב סיגריות באופן מקומי, ואילו צעדי XRF הרכב ממוצע של סרט סיגריות. ואכן, זה ידוע היטב כי Cu / בריכוז משתנה מגרגיר אחד למשנו וריכוז GA הוא גבוה יותר בחלקו העליון של הסרט (שבו טיפ APT שלנו היה מוכן) בשל שיפוע Ga נצפה בסרט multistage גדל 33. נציין כאן כי אין יוני Ga מגיעים ממקור FIB נצפו בספקטרום ההמוני (GA מFIB נמצא רק כאיזוטופ 69 האמו) וזה נובע בעיקר מהטחינה נמוכה של קטיפים PT.

חסרון עיקרי אחד שבו הוא ציין, כאשר לומדים את הממשקים עם טכניקת APT הוא כי באופן כללי הרוחב של GBS, הם או מוגדלים או מופחתים בהשוואה לרוחב המבני מחושב מתמונות TEM (ננומטר נמוך מ 1). זאת בשל השפעת הגדלה המקומית 26. השפעה זו מתרחשת כאשר יש GB תחום אידוי שונה מהחומר בתפזורת. GB עם שדה אידוי גבוה יותר (ה) מוביל לבליטה על פני השטח הקצה (E ~ V / R, V הוא המתח להחיל ו-R רדיוס עקמומיות). במקרה זה את היונים שמקורם בGB להסיט כלפי חוץ, מה שגורם לירידה ניכרה בצפיפות של יונים. לעומת זאת, כאשר יש לו GB תחום אידוי נמוך פני השטח של הקצה באזור של GB יהיו שטוחים אשר להסיט פנימה מסלולי היונים. במקרה זה, הצפיפות המקומית באזור GB תהיה גבוהה יותר. בנוסף, מסלולי חפיפה נגרמים על ידי הגדלת ההשפעה המקומיתזה גם ידרדר את הרזולוציה המרחבית לרוחב בממשק, אם כי הריכוזים יישארו כמעט ללא שינוי, כפי שמוצגים על ידי דה Geuser et al. 34.

במחקר הנוכחי, את רוחבו של אזור ההפרדה זוהה האקראי HAGB (≈ 3 ננומטר) הוא גדול יותר מאשר 1 ננומטר, הרוחב המבני הטיפוסי של ג'יגה בייט. יתר על כן, הצפיפות אטומית נמדדה על ידי APT היא גבוהה יותר מאשר בGB במטריצת סיגריות המצביעה על כך שאפקט הגדלה המקומי שהתרחש במהלך האידוי. הצפיפות גבוהה יותר בGB מוסברת על ידי אידוי תחום התחתון של GB סיגריות המסוים הזה בהשוואה לדגני סיגריות. ליונים טעונים יחידים, את ערכי אידוי השדה הם F Cu = 30 V / ננומטר, F = F בGa = 15 ננומטר 12 V / ננומטר, V /, ו-F K = 60 V / 35 ננומטר. Se, Na, וערכי אידוי שדה O לא מקבלים בספרות. נציין כאן שהערכים אלה תקפים לעמיור אלמנטים. במוליכי למחצה מתחם, כגון סיגריות, האידוי של כל אחד מגורמים אלה עשוי להיות שונה. עם זאת, באיור 4 א מצאנו כי GB מכיל ריכוז נמוך יותר מאשר Cu נוכח בחללי הפנים התבואה. ואכן, ריכוז Cu נמוך זו עשויה להקטין את האידוי בתחום GB. יתר על כן, Letellier et al. דיווחו 36 לsuperalloys מבוסס ניקל כי השפעת ההגדלה המקומית מגדילה ברציפות כGB מתקרב נטייה מקבילה לציר הקצה (z ציר). זה עשוי להסביר מדוע הרוחב של GB הוא רק מעט מוגדל בהשוואה למחקרים אחרים 37.

לסיכום, מחקרי APT לספק לא רק מפת 3D חלוקה מחדש של היסודות, אלא גם את ההרכב הכימי של הממשקים בקנה המידה ננומטרי. ככלים רבים בביצוע מחקרים בקנה המידה ננומטרי, תשומת לב מיוחדת צריך להיות משולם על איכות הניתוח ופרשנות הנתונים. ואכן,APT בעל כמה מגבלות, כמו גם ולכן חשוב להבין כיצד מגבלות אלו להשפיע על הנתונים שנמדדו על מנת להבטיח נתונים לפרשנות נכונה.

Acknowledgments

עבודה זו נוסדה על ידי קרן המחקר הגרמני (DFG) (חוזה CH 943/2-1). המחברים מבקשים להודות לולפגנג Dittus, וסטפן Paetel מZentrum für Sonnenenergie-und Wasserstoff-Forschung באדן וירטמברג להכנת שכבת בולם סיגריות עבור עבודה זו.

References

  1. Stanbery, B. J. Copper indium selenides and related materials for photovoltaic devices. Crit. Rev. Solid State. 27, 73-117 (2002).
  2. Kemell, M., Ritala, M., Leskelä, M. Thin film deposition methods for CuInSe2 solar cells. Crit. Rev. Solid State. 30, 1-31 (2005).
  3. Kazmerski, L. L. Solar photovoltaics R&D at the tipping point: a 2005 technology overview. J. Electron Spectrosc. 150, (2-3), 105-135 (2006).
  4. Empa - MM-CIGS-Weltrekord [Internet]. Empa. Available from: http://www.empa.ch/plugin/template/empa/3/131438/---/l=2 (2013).
  5. Sadewasser, S., Glatzel, T., Schuler, S., Nishiwaki, S., Kaigawa, R., Lux-Steiner, M. C. Kelvin probe force microscopy for the nano scale characterization of chalcopyrite solar cell materials and devices. Thin Solid Films. 431-432, 257-261 (2003).
  6. Jiang, C. S., Noufi, R., AbuShama, J. A., Ramanathan, K., Moutinho, H. R., Pankow, J., Al-Jassim, M. M. Local built-in potential on grain boundary of Cu(In,Ga)Se2 thin-films. Appl. Phys. Lett. 84, 3477-1-3477-3 (2004).
  7. Abou-Ras, D., Koch, C. T., Küstner, V., van Aken, P. A., Jahn, U., Contreras, M. A., Caballero, R., Kaufmann, C. A., Scheer, R., Unold, T., Schock, H. W. Grain-boundary types in chalcopyrite-type thin films and their correlations with film texture and electrical properties. Thin Solid Films. 517, 2545-2549 (2009).
  8. Nichterwitz, M., Abou-Ras, D., Sakurai, K., Bundesmann, J., Unold, T., Scheer, R., Schock, H. W. Influence of grain boundaries on current collection in Cu(In,Ga)Se2 thin-film solar cells. Thin Solid Films. 517, 2554-2557 (2009).
  9. Abou-Ras, D., Schorr, S., Schock, H. W. Grain sizes and grain boundaries in chalcopyrite-type thin films. J. Appl. Cryst. 40, 841-848 (2007).
  10. Niles, D. W., Al-Jassim, M., Ramanathan, K. Direct observation of Na and O impurities at grain surfaces of CuInSe2 thin films. J. Vac. Sci. Technol. A. 17, 291-296 (1998).
  11. Rockett, A., Granath, K., Asher, S., Al Jassim, M. M., Hasoon, F., Matson, R., Basol, B., Kapur, V., Britt, J. S., Gillespie, T., Marshall, C. Na incorporation in Mo and CuInSe2 from production processes. Sol. Energy. 59, 255-264 (1999).
  12. Heske, C., Eich, D., Fink, R., Umbach, E., Kakar, S., van Buuren, T., Bostedt, C., Terminello, L. J., Grush, M. M., Callcott, T. A., Himpsel, F. J., Ederer, D. L., Perera, R. C. C., Riedl, W., Karg, F. Localization of Na impurities at the buried CdS/Cu(In, Ga)Se2 heterojunction. Appl. Phys. Lett. 75, 2082-2084 (1999).
  13. Braunger, D., Hariskos, D., Bilger, G., Rau, U., Schock, H. W. Influence of Na on the growth of polycrystalline Cu(In,Ga)Se2 thin films. Thin Solid Films. 361, 161-166 (2000).
  14. Cerezo, A., Godfrey, T. J., Sijbrandij, S. J., Smith, G. D. W., Warren, P. J. Performance of an energy-compensated three-dimensional atom probe. Rev. Sci. Instrum. 69, 49-58 Forthcoming.
  15. Blavette, D., Bostel, A., Sarrau, J. M., Deconihout, B., Menand, A. An atom-probe for three dimensional tomography. Nature. 363, 432-435 (1993).
  16. Gault, B., Vurpillot, F., Vella, A., Gilbert, M., Menand, A., Blavette, D., Deconihout, B. Design of a femtosecond laser assisted tomographic atom probe. Rev. Sci. Instrum. 77, 043705-1-043705-8 (2006).
  17. Kelly, T. F., Miller, M. K. Atom probe tomography. Rev. Sci. Instrum. 78, 031101-1-031101-20 (2007).
  18. Thompson, K., Lawrence, D., Larson, D. J., Olson, J. D., Kelly, T. F., Gorman, B. In situ site-specific specimen preparation for atom probe tomography. Ultramicroscopy. 107, (2-3), 131-139 (2007).
  19. Cadel, E., Barreau, N., Kessler, J., Pareige, P. Atom probe study of sodium distribution in polycristalline Cu(In,Ga)Se2 thin film. Acta Material. 58, 2634-2637 (2010).
  20. Schlesiger, R., Oberdorfer, C., Würz, R., Greiwe, G., Stender, P., Artmeier, M., Pelka, P., Spaleck, F., Schmitz, G. Design of a laser-assisted tomographic atom probe at Münster University. Rev. Sci. Instr. 81, 043703 (2010).
  21. Cojocaru-Mirédin, O., Choi, P., Abou-Ras, D., Schmidt, S. S., Caballero, R., Raabe, D. Characterization of grain boundaries in Cu(In,Ga)Se2 films using atom-probe tomography. IEEE J. Photovolt. 1, (2), 207-212 (2011).
  22. Cojocaru-Mirédin, O., Choi, P., Wuerz, R., Raabe, D. Atomic-scale characterization of the CdS/CuInSe2 interface in thin-film solar cells. Appl. Phys. Lett. 98, 103504-1-103504-3 (2011).
  23. Couzinie-Devy, F., Cadel, E., Barreau, N., Arzel, L., Pareige, P. Atom probe study of Cu-poor to Cu-rich transition during Cu(In,Ga)Se2 growth. Appl. Phys. Lett. 99, 232108-1-232108-3 (2011).
  24. In-line Cu(In,Ga)Se2 co-evaporation process on 30 cm x 30 cm substrates with multiple deposition stages. Voorwinden, G., Jackson, P., Kniese, R., Powalla, M. Proceedings of the 22nd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 2115-2118 (2007).
  25. Miller, M. K., Russell, K. F., Thompson, K., Alvis, R., Larson, D. J. Review of atom probe FIB-based specimen preparation methods. Microscopy Microanal. 13, (6), 428-436 (2007).
  26. J, D. Modeling image distortions in 3DAP. Microscopy and Microanalysis. 10, (3), 384-390 (2008).
  27. Kellog, G. L. Determining the field emitter temperature during laser irradiation in the pulsed laser atom probe. J. Appl. Phys. 52, 5320 (1981).
  28. IVASTM 3.6.2 User Guide 2012. CAMECA Instruments, Inc. (2012).
  29. Persson, C., Zunger, A. Compositionally induced valence-band offset at the grain boundary of polycrystalline chalcopyrites creates a hole barrier. Appl. Phys. Lett. 87, 211904-1-211904-3 (2005).
  30. Zhang, S. B., Wei, S. -H., Zunger, A., Katayama-Yoshida, H. Defect physics of the CuInSe2 chalcopyrite semiconductor. Phys. Rev. B. 57, 9642-9656 (1998).
  31. Johnson, W. C., Blakely, J. M. Interfacial Segregation. American Society of Metals. Metals Park, OH. 3-23 (1979).
  32. Miller, M. K., Jayaram, R. Some factors affecting analysis in atom probe. Surf. Sci. 266, 458-462 (1992).
  33. Wuerz, R., Eicke, A., Kessler, F., Paetel, S., Efimenko, S., Schlegel, C. CIGS thin-film solar cells and modules on enamelled steel substrates. Sol. Energy. 100, 132-137 (2012).
  34. De Geuser, F., Lefebvre, W., Danoix, F., Vurpillot, F., Forbord, B., Blavette, D. An improved reconstruction procedure for the correction of local magnification effects in three-dimensional atom-probe. Surf. Interf. Anal. 39, 268-272 (2007).
  35. Kingham, D. R. The post-ionization of field evaporated ions: A theoretical explanation of multiple charge states. Surf. Sci. 116, 273-301 (1982).
  36. Letellier, L. Etude des joints de grains et interphases dans les superalliages Astroloy par microscopie electronique et tomographie atomique [dissertation]. Rouen Univ., Groupe Physique des Materiaux. Rouen, France. (1994).
  37. Hoummada, I., Mangelinck, K., Chow, D., Lee,, Bernardini, J. Original methods for diffusion measurements in polycrystalline thin-films. Defect and Diffusion Forum. 322, 129-150 (2012).
Atom לימודי Probe טומוגרפיה על Cu (ב, GA) Se<sub&gt; 2</sub&gt; גבולות גרעין
Play Video
PDF DOI

Cite this Article

Cojocaru-Mirédin, O., Schwarz, T., Choi, P. P., Herbig, M., Wuerz, R., Raabe, D. Atom Probe Tomography Studies on the Cu(In,Ga)Se2 Grain Boundaries. J. Vis. Exp. (74), e50376, doi:10.3791/50376 (2013).More

Cojocaru-Mirédin, O., Schwarz, T., Choi, P. P., Herbig, M., Wuerz, R., Raabe, D. Atom Probe Tomography Studies on the Cu(In,Ga)Se2 Grain Boundaries. J. Vis. Exp. (74), e50376, doi:10.3791/50376 (2013).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
simple hit counter