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Engineering

Misurazioni della corrente indotta a raggi X per la microscopia a raggi X multimodale delle celle solari

Published: August 20, 2019 doi: 10.3791/60001
Automatic Translation
1,3, 2, 2, 2, 1, 1,3, 1
1Deutsches Elektronen-Synchrotron, 2School of Electrical, Computer and Energy Engineering, Arizona State University, 3Department Physik, Universität Hamburg

ERRATUM NOTICE

Summary

Viene descritta una configurazione per le misurazioni della corrente indotta dal fascio di raggi X nelle travi di sincrotrone. Svela le prestazioni su nanoscala delle celle solari ed estende la suite di tecniche per la microscopia a raggi X multimodale. Dal cablaggio all'ottimizzazione segnale-segnale-rumore, viene mostrato come eseguire misurazioni XBIC all'avanguardia in una microssonda a raggi X hard.

Abstract

Le misurazioni della corrente indotta dal fascio di raggi X (XBIC) consentono di mappare le prestazioni su nanoscala di dispositivi elettronici come le celle solari. Idealmente, XBIC viene impiegato contemporaneamente ad altre tecniche all'interno di un approccio di microscopia a raggi X multimodale. Un esempio è dato qui combinando XBIC con fluorescenza a raggi X per consentire correlazioni punto per punto delle prestazioni elettriche con la composizione chimica. Per il più alto rapporto segnale-rumore nelle misurazioni XBIC, l'amplificazione lock-in svolge un ruolo cruciale. Con questo approccio, il fascio di raggi X è modulato da un chopper ottico a monte del campione. Il segnale elettrico modulato a fascio di raggi X viene amplificato e demodulato alla frequenza dell'elicottero utilizzando un amplificatore lock-in. Ottimizzando le impostazioni dei filtri a passabassa, la frequenza di modulazione e le ampiezza di amplificazione, il rumore può essere soppresso in modo efficiente per l'estrazione di un segnale XBIC chiaro. Una configurazione simile può essere utilizzata per misurare la tensione indotta dal fascio di raggi X (XBIV). Oltre alle misurazioni XBIC/XBIV standard, XBIC può essere misurato con la luce di bias o la tensione di distorsione applicata in modo che le condizioni di lavoro all'aperto delle celle solari possano essere riprodotte durante le misurazioni in-situ e operando. In definitiva, la valutazione multimodale e multidimensionale dei dispositivi elettronici su scala nanometrica consente nuove informazioni sulle complesse dipendenze tra composizione, struttura e prestazioni, che è un passo importante verso la soluzione dei materiali' paradigma m.

Introduction

In un mondo in cui la domanda di energia elettrica è in costante aumento, è sempre più necessaria una fonte di energia pulita e sostenibile. Una possibilità per affrontare queste esigenze sono i sistemi fotovoltaici (PV)1,2,3. Per un modo diretto ed efficiente di sviluppare celle solari di nuova generazione, è necessario capire come la composizione e la struttura delle celle solari influenzano le loro prestazioni4. Le domande tipiche nello sviluppo delle celle solari includono: quali tipi di difetti sono più dannosi, e dove si trovano5,6? Ci sono inomogeneità nella distribuzione elementare, e qual è il loro impatto7,8,9? Come cambiano le celle solari al momento dell'assemblaggio del modulo e dell'invecchiamentodi 10,11?

Poiché una cella solare è buona solo quanto la sua parte più debole, è particolarmente importante comprendere l'effetto della variazione compositiva e strutturale sulle prestazioni nelle celle solari policristalliche che soffrono intrinsecamente di inomogeneità7, 8. Ciò è particolarmente vero per le celle solari a pellicola sottile (TF), che contengono strati assorbitori con dimensioni cristallita nella gamma dei micrometri. Qui, l'effetto dei confini granulosità sulle prestazioni è di maggiore interesse, ma le loro piccole dimensioni e il fatto che sono sepolti in un intero stack di strati pongono sfide di caratterizzazione uniche. Inoltre, la complessa chimica degli strati assorbitori multicomponenti con fasi coesistenti e gradienti interni richiedono sofisticati metodi di caratterizzazione12.

I microscopi a raggi X duri basati su sincrotrone sono in grado di affrontare le sfide di caratterizzazione delle celle solari TF: forniscono dimensioni di punti a raggi X fino alla scala nanometrica13,14,15,16 e profondità di penetrazione dei raggi X duri permette di sondare i diversi strati del dispositivo17, compresi gli strati assorbitori sepolti. Con una ricchezza di diverse tecniche di misurazione al microscopio a raggi X a scansione, diventa possibile studiare contemporaneamente non solo uno, ma molti aspetti diversi delle celle solari all'interno di misurazioni multimodali e di correlare le caratteristiche osservate. Ad esempio, le misurazioni della corrente indotta dal fascio di raggi X (XBIC) sono state combinate con successo con la fluorescenza a raggi X (XRF)7,18,19, i raggi X eccitata della luminescenza ottica (XEOL)20, 21, e diffrazione a raggi X (XRD)22 per correlare le prestazioni elettriche con composizione, prestazioni ottiche e struttura, rispettivamente23.

Durante le misurazioni XBIC di celle solari o altri dispositivi sottoposti a test (DUT)24,25, l'incidente i fotoni a raggi X hanno fatto partire docce di particelle costituite da elettroni e fotoni, dando luogo a una moltitudine di coppie di elettroni-fori eccitati per fotone a raggi X nel materiale dell'assorbitore semiconduttore. Infine, le coppie elettrone-foro termozzano ai bordi della banda dell'assorbitore di celle solari. Pertanto, questi vettori di carica eccitati a raggi X possono essere trattati come vettori di carica generati dall'assorbimento di fotoni con energie appena sopra il gap di banda durante il normale funzionamento della cella solare, e la corrente o la tensione risultante possono essere misurate come raggi X corrente indotta dal fascio23,26,27 o tensione (XBIV)28,29 simile a misurazioni più comuni come la corrente indotta dal fascio di elettroni (EBIC) o la corrente indotta dal fascio laser (LBIC). Di conseguenza, il segnale XBIC/XBIV non dipende solo dallo spessore dello strato assorbitore, ma anche dalle prestazioni elettriche del DUT, sia a livello microscopico che macroscopico, tra cui il bandgap locale, la divisione a livello di Fermi e la ricombinazione. Così, siamo in grado di mappare le variazioni locali dell'efficienza di raccolta del vettore di carica che è definita come la probabilità che una coppia elettrone-foro esternamente eccitata nello strato assorbitore venga raccolta nei contatti elettrici del DUT.

Si noti che solo le coppie elettrone-foro che vengono generate nello strato assorbitore del DUT contribuiscono al segnale XBIC/XBIV. I vettori di carica generati in altri strati, come i contatti metallici o il substrato, si ricombinano immediatamente, in quanto non hanno alcuna possibilità di essere separati dalla giunzione. Pertanto, altri strati influenzano solo le misurazioni XBIC/XBIV attraverso effetti secondari come l'assorbimento a raggi X parassiti o l'emissione di fotoni ed elettroni secondari che possono essere riassorbiti nello strato assorbitore. Al contrario, tutti gli strati contribuiscono potenzialmente al segnale XRF.

Dato che i segnali XBIC e XBIV possono essere piccoli (spesso, le variazioni nella gamma sub-picoampere e nanovolt sono di interesse), i segnali sono facilmente sepolti nel rumore. Pertanto, abbiamo suggerito di utilizzare l'amplificazione lock-in per estrarre i segnali XBIC e XBIV30. A tale scopo, il fascio di raggi X in ingresso è modulato da un chopper ottico come indicato nella Figura 1. Questa modulazione porta al segnale prodotto dal DUT. Prima che il segnale venga inserito nell'amplificatore di blocco (LIA), un preamplificatore (PA) viene in genere utilizzato per abbinare l'intensità del segnale grezzo con la gamma del convertitore analogico-digitale all'ingresso del LIA digitale. Il LIA mescola il segnale di misura modulato con il segnale di riferimento. Utilizzando un filtro passa-basso, solo le frequenze vicine al segnale di riferimento vengono passate attraverso e amplificato31. Ciò consente un'effettiva estrazione del segnale XBIC o XBIV da uno sfondo rumoroso.

Nel protocollo, introduciamo i prerequisiti e i movimenti necessari per l'assunzione di misurazioni XBIC di successo tra cui il segnale grezzo (corrente diretta, DC) e il segnale modulato (corrente alternata, AC). Oltre a descrivere i dettagli tecnici, discutiamo di una configurazione XBIC nel contesto delle misurazioni multimodali a beamline P06 presso PETRA III13. Si prega di notare che, rispetto alla maggior parte degli esperimenti di laboratorio, l'ambiente delle capanne delle nanosondiarie a raggi X duri richiede una particolare pianificazione e considerazione. In particolare, le misurazioni multimodali con risoluzione su scala nanometrica sfidano gli sperimentalisti con una varietà di vincoli specifici. Ad esempio, il rumore elettronico è spesso presente con grandi ampiezze da motori piezo-driven e altre attrezzature, come gli alimentatori dei rivelatori. Inoltre, una moltitudine di dispositivi e rilevatori deve essere disposta in geometria ottimizzata senza interferire tra loro né indurre vibrazioni. Figura 1 illustra una configurazione tipica per le misurazioni XBIC in combinazione con le misurazioni XRF e la dispersione a raggi X ad angolo piccolo/largo (SAXS/WAXS).

Protocol

1. Impostazione dell'ambiente di misurazione

  1. Requisiti per le misurazioni XBIC amplificate di lock-in
    1. Assicurarsi di avere a disposizione quanto segue: una linea di fascio a raggi X a raggi X nano o micro-fuoco; un elicottero a raggi X che assorbe periodicamente la maggior parte dei raggi X; un PA; un LIA; moduli per il controllo remoto dell'elicottero, pa e LIA; un sistema di acquisizione dati (DAQ); un DUT.
  2. Fabbricazione del supporto del campione
    1. Utilizzare una base cinematica per il supporto del campione. In questo modo è possibile riposizionare i campioni con precisione micrometrica e risparmiare tempo prezioso per il fascio. Inoltre, consente il posizionamento di campioni su diverse piattaforme di misura con diversi sistemi di montaggio.
    2. Progettare il supporto del campione in modo che fornisca la massima libertà di posizionare rilevatori diversi in prossimità del campione, pur essendo compatibile con campioni trasparenti a raggi X e tecniche di misurazione come SAXS o WAXS. In genere, questo si traduce in dimensioni minime del supporto campione, rigidità fino alla scala nanometrica ed essere leggero.
    3. Progettare una scheda di circuito stampato (PCB) da utilizzare come supporto per il dispositivo elettronico per le misurazioni XBIC. Anche se un PCB dedicato con collegamento diretto a un cavo coassiale non è necessario in senso stretto, può svolgere un ruolo sostanziale nella riduzione del rumore rispetto al cablaggio allentato, dove i fili agiscono come antenne.
      NOTA: Idealmente, una gabbia di Faraday proteggerebbe il campione dai campi elettromagnetici. Tuttavia, questo nella maggior parte dei casi non è compatibile con le geometrie di misura.
  3. Contatto di esempio
    1. Incollare il DUT elettronico sul PCB. A seconda dei materiali e dei requisiti per la successiva rimozione del DUT, si consiglia di utilizzare smalto, colla istantanea, colla composita o colla di silicio.
    2. Assicurarsi che nessuna parte di montaggio o cablaggio blocchi il fascio di raggi X incidente né ostacoli la linea di vista di altri rivelatori impiegati, ad esempio per le misurazioni XRF.
    3. Contattare entrambi i terminali del DUT.
      NOTA: Ci sono vari modi per contattare i dispositivi elettronici, e la scelta migliore dipende da proprietà specifiche del campione, dove l'adesione, resistenza chimica o meccanica, e lo spazio disponibile sono argomenti per uno o un altro metodo di contatto.
    4. Collegare il contatto anteriore (il contatto a monte di fronte al fascio di raggi X incidente) con lo scudo del cavo coassiale.
    5. Collegare il contatto posteriore (il contatto a valle) con il nucleo del cavo coassiale.
    6. Messa a terra il contatto anteriore (scudo del cavo coassiale).
      NOTA: Il fascio in entrata porta all'espulsione degli elettroni dal DUT, che porta ad una corrente di compensazione nel circuito di misurazione che viene facilmente erroneamente interpretato come XBIC. Pertanto, il contatto anteriore deve essere sempre a terra23. Potrebbe essere necessario testare diversi metodi di messa a terra per ridurre al minimo le potenziali variazioni.
    7. Si consideri la figura 2 come un esempio di supporto di esempio costituito da una base cinematica, un supporto in alluminio e un PCB con una cella solare collegata a uno dei due connettori coassiali.
  4. Disposizione dei campioni e dei rivelatori
    1. Montare il campione sul supporto.
    2. Montare il supporto del campione sullo stage campione.
    3. Posizionare il centro di rotazione dello stage al centro del fascio di raggi X.
    4. Posizionare il campione nel centro di rotazione della fase di rotazione.
    5. Ruotare lo stage in modo che il piano di interesse sia perpendicolare al fascio incidente per ridurre al minimo l'ingombro del fascio e massimizzare la risoluzione spaziale.
    6. In caso di misurazioni multimodali, posizionare il rilevatore o i rilevatori intorno al campione.
      NOTA: A seconda dell'ottica a raggi X, c'è poco spazio per posizionare i rilevatori a monte del campione. Per i campioni non trasparenti ai raggi X, il rilevatore di fluorescenza dovrebbe esaminare il punto di messa a fuoco dei raggi X sotto un angolo di 10-20 gradi rispetto al piano campione in modo che l'autoassorbimento degli elementi di interesse e i conteggi dalla dispersione siano ridotti al minimo.
  5. Installazione dell'elicottero
    1. Montare uno stadio motorizzato, con la capacità di muoversi perpendicolarmente al fascio di raggi X, a monte del campione.
      NOTA: Anche se questa fase motorizzata non è necessaria, permette di spostare l'elicottero all'ingresso e all'esterno del fascio di raggi X senza entrare nella capanna, consentendo così una maggiore produttività e una maggiore stabilità.
    2. Installare un chopper ottico sul palco motorizzato per modulare il segnale in ingresso.
      NOTA: Idealmente, l'elicottero è posizionato a monte del campione in modo da non indurre alcuna vibrazione sull'ottica a raggi X o sul campione da parte della turbolenza del motore o dell'aria, rispettivamente. Tuttavia, sono stati ottenuti buoni risultati con ampiezze di vibrazione inferiori a 100 nm con la ruota dell'elicottero che è vicina a 10 mm sul campione, tagliando a > 6 kHz.
  6. Riduzione della luce di sfondo
    1. Spegnere le sorgenti di luce nella capanna quando possibile e proteggere tutti gli altri, comprese eventuali piccole luci sul LIA e controllore della ruota chopper. In alcune travi, c'è una luce che si accende quando la capanna viene cercata. Tuttavia, questa luce non deve rimanere accesa durante la misurazione.

2. Impostazione delle misure XBIC

  1. Vedere Figura 1 per una rappresentazione schematica dei componenti hardware necessari e il cablaggio.
  2. Configurazione di un preamplificatore
    1. Posizionare un PA in prossimità del campione.
      NOTA: alcuni LIA sono dotati di una PA integrata. In questo caso, le impostazioni PA vengono applicate in modo simile alle impostazioni per il LIA.
    2. Collegare la PA a un'unità di controllo all'esterno della capanna per consentire la modifica remota delle impostazioni di amplificazione senza entrare nella capanna. Idealmente, l'unità di controllo è collegata al controllo trave e le impostazioni PA vengono registrate automaticamente.
    3. Alimentare la PA da un circuito di alimentazione pulito.
      NOTA: Dispositivi come le pompe a vuoto possono inquinare il circuito di alimentazione e quindi devono essere alimentati separatamente dall'elettronica ad alta precisione come PA e LIA in grado di trasferire le variazioni dell'alimentazione al segnale di misurazione. Per questo motivo, le travi di solito hanno circuiti di alimentazione puliti e inquinati. Molti amplificatori possono anche essere azionati da batterie.
    4. Collegare il campione tramite il connettore BNC sul supporto del campione.
    5. Assicurarsi che il cablaggio del campione sia alleviato dalla tensione in modo da non limitare i movimenti del campione.
    6. Applicare una tensione di distorsione tramite l'AP se il segnale XBIC non deve essere misurato in condizioni di corto circuito. Non applicare alcuna tensione di distorsione se il segnale XBIV deve essere misurato in condizioni di circuito aperto.
    7. Misurare l'ampiezza del segnale del DUT in condizioni di misura (cioè di solito al buio) e in condizioni di lavoro (ad esempio, con la luce del locale e la luce del microscopio della trave accesa) per testare la portata del segnale.
    8. Assicurarsi che l'ampiezza del segnale del DUT corrisponda alla gamma di ingresso della PA e prendere precauzioni per evitare la sovrasaturazione in condizioni di segnale elevato (ad esempio, accesa la luce ambiente), poiché la sovrasaturazione può distruggere la PA.
    9. Assicurarsi che la sensibilità dell'AP corrisponda al relativo intervallo di output e all'intervallo di input del LIA. È buona norma mantenere l'amplificazione della PA alla sensibilità minima ogni volta che non è in corso alcuna misurazione per evitare una sovrasaturazione accidentale.
    10. Collegare il DUT all'AP. Data la piccola ampiezza del segnale, è fondamentale mantenere il cablaggio corto.
      NOTA: i cavi che trasportano il segnale XBIC non devono essere intrecciati con altri cavi in quanto potrebbero indurre rumore. Le fonti di rumore includono fasi di scansione e rilevatori utilizzati per l'XRF. Diverse posizioni del filo possono essere testate per ridurre al minimo il rumore. Per un'ulteriore riduzione del rumore, il filo può essere avvolto in un foglio di alluminio a terra o in cavi triassiali.
    11. Dividere il segnale pre-amplificato in tre rami di segnale parallelo per registrare separatamente i componenti DC (positivi e negativi) e AC modulati.
      Nota: Percorsi di segnale alternativi sono menzionati in parte (a) della sezione di discussione.
    12. Collegare due rami di segnale ai convertitori V2F (volta-to-frequency), uno dei quali con portata del segnale di ingresso invertito per accettare il segnale DC negativo.
  3. Configurazione elettrica di un amplificatore lock-in
    1. Collegare il LIA a un'unità di controllo all'esterno della capanna per consentire la modifica remota delle impostazioni di amplificazione senza entrare nella capanna. Idealmente, l'unità di controllo è collegata al controllo della trave e le impostazioni LIA vengono registrate automaticamente.
    2. Alimentare la LIA da un circuito di alimentazione pulito e tenerlo a distanza da strumenti possibilmente rumorosi.
    3. Assicurarsi che l'uscita dell'AP corrisponda all'ingresso del LIA in tutte le condizioni, poiché la sovrasaturazione può danneggiare il LIA. È buona norma mantenere l'intervallo di ingresso LIA al massimo ogni volta che non è in corso alcuna misurazione per evitare una sovrasaturazione accidentale.
    4. Alimentare la frequenza di modulazione dall'elicottero ottico come segnale di riferimento nel LIA.
      NOTA: La frequenza di riferimento può essere fornita da un oscillatore del LIA, guidando l'elicottero e consentendo così di controllarlo in remoto, o di essere inserito dal controllore dell'elicottero come riferimento al LIA. È anche possibile una combinazione di entrambi.
    5. Collegare il terzo ramo del segnale XBIC pre-amplificato all'ingresso LIA.
    6. Emettere l'ampiezza root-media-squared (RMS) del segnale amplificato lock-in come segnale AC analogico del DUT.
      NOTA:  Come è sempre positivo, una divisione del segnale e l'inversione di un ramo non è necessaria finché l'ingresso del segnale al convertitore V2F non è negativo. Se si registrano anche le informazioni di fase, si consiglia di emettere la fase in aggiunta a , o il componente in fase e il componente quadratura .
    7. Collegare l'uscita del LIA a un terzo canale V2F.
    8. Collegare i convertitori V2F alle unità DAQ e al software beamline per memorizzare i tre componenti del segnale XBIC con le informazioni corrispondenti sul tempo e sui pixel.
      NOTA: esistono metodi alternativi ai convertitori V2F per XBIC DAQ. Ad esempio, l'uscita di tensione da PA e LIA può essere digitalizzata direttamente, o la lettura digitale degli amplificatori può essere integrata nel sistema di controllo della trave. Tuttavia, l'approccio presentato è compatibile con la maggior parte delle travi a sincrotrone, poiché i convertitori V2F sono generalmente disponibili.

3. Misure XBIC

  1. Scelta di condizioni di misura XBIC ben adatte
    1. Attenzione al compromesso tra la velocità di scansione, la frequenza degli elicotteri e le impostazioni del filtro a passa-basso, come discusso più avanti nel manoscritto.
  2. Ottimizzazione dei parametri di misura XBIC
    1. Assicurarsi che il DUT sia schermato da tutte le luci della capanna.
    2. Impostare tutte le amplificazioni di PA e LIA al minimo e gli intervalli di input al massimo per evitare la sovrasaturazione.
    3. Impostare la frequenza dell'elicottero, che è la frequenza di modulazione del segnale e la frequenza di riferimento per la sua dedulazione.
      NOTA: Come regola generale, la frequenza selezionata dovrebbe essere il più alta possibile sotto i vincoli di (a) risposta abbastanza veloce del DUT, (b) abbastanza veloce catena di amplificazione, (c) livello accettabile di vibrazioni indotta dall'elicottero. Inoltre, le frequenze che sono multipli di frequenze di rumore comuni come 50/60 Hz o 45 kHz dovrebbero essere evitate.
    4. Impostare l'amplificazione della PA in modo che (a) l'ampiezza massima di uscita sia ben rientrante nell'intervallo di ingresso massimo del LIA e (b) la risposta della PA è abbastanza veloce per la frequenza chopper scelta. Per l'ottimizzazione delle impostazioni dell'amplificatore in questo compromesso, ci riferiamo alla sottosezione (b) della sezione di discussione.
      AVVISO: Prima di consentire più fotoni sul DUT (ad esempio, quando si entra nella capanna), impostare nuovamente gli amplificatori al loro intervallo di ingresso massimo e alla loro amplificazione minima per evitare sovraccarichi. Idealmente, questo viene implementato direttamente nei comandi di scansione.
    5. Impostare l'intervallo di ingresso del LIA in modo che corrisponda all'ampiezza del segnale dopo la pre-amplificazione per la regione di interesse con il segnale più forte.
    6. Nella LIA, dividere e mescolare il segnale dal DUT con il segnale di riferimento dall'elicottero e un segnale di riferimento di 90 gradi spostato a fase come discusso nella sottosezione (c) dei risultati rappresentativi.
    7. Impostare la frequenza di filtro passa-bassa del LIA al minimo compatibile con la velocità di scansione.
      NOTA: Come regola generale, impostarlo su almeno un ordine di grandezza al di sotto della frequenza di taglio e un ordine di grandezza superiore alla frequenza di campionamento. Idealmente, la frequenza del filtro a passa-basso dovrebbe essere scelta in modo che le frequenze di rumore comuni non vengano superate, soprattutto al di sotto di 50/60 Hz per tagliare la frequenza della griglia. Per i dettagli, ci riferiamo alla sottosezione (e) dei risultati rappresentativi.
    8. Impostare la scala di amplificazione per l'uscita analogica del segnale amplificato lock-in in modo che corrisponda alla gamma di ingresso del V2F e non lo superi.
    9. Impostare i limiti soft o hardware per le uscite dell'amplificatore in base all'intervallo di input dei seguenti dispositivi per evitare la saturazione.
  3. Assunzione di misurazioni XBIC
    NOTA: con i parametri di amplificazione appropriati impostati per le misurazioni XBIC e implementato il controllo e la lettura automatizzati, non sono necessarie ulteriori azioni per eseguire misurazioni XBIC oltre all'avvio di una scansione.
  4. Post-elaborazione dei dati XBIC
    1. Andare lungo la catena del segnale dal DUT all'unità di acquisizione dati, dove il segnale viene salvato come tasso di conteggio (Hz), per riconvertire la velocità di conteggio in una corrente.
      1. Ottenere il fattore di amplificazione (V/A) presso la PA, dove il segnale (misurato in ampere) viene amplificato e convertito in una tensione.
      2. Ottenere il fattore di amplificazione (V/V) presso il LIA.
      3. Ottenere l'intervallo di accettazione della tensione (V) del convertitore V2F proiettato sull'intervallo di frequenza (Hz).
      4. Considerare ulteriori fattori di forma d'onda: il segnale di uscita del LIA è l'ampiezza RMS, ma il segnale di interesse è il valore picco-picco del segnale di ingresso modulato.
    2. Moltiplicare la frequenza di conteggio di ogni pixel con il termine di conversione nell'equazione seguente per ottenere i valori XBIC in ampere dai valori di frequenza ordinati in base al DAQ:
      (1) con ,
      dove è un fattore che dipende dalla forma d'onda della modulazione32.
      NOTA: Per un'ondasinusoidale in arrivo, ; per un'onda triangolare, ; e per un'onda quadra, . I valori tipici per la misurazione delle celle solari a film sottile nelle nanosonda a raggi X duri sono: , , , .
    3. Per l'eventuale correzione del segnale XBIC grezzo per le variazioni topologiche, utilizzare28:
      (2) ,
      con il coefficiente di attenuazione dei raggi X33 e la densità di massa per l'elemento assorbitore che può essere misurata attraverso misurazioni XRF simultanee17.
    4. Per l'eventuale conversione del segnale XBIC in efficienza di raccolta carica, utilizzare23:
      (3) ,
      dove e sono la generazione e il tasso di raccolta delle coppie elettrone-foro, è il tasso di fotoni incidente, è la carica elementare, ed è una costante materiale.
    5. Per il calcolo finale della costante materiale, utilizzare:
      (4) ,
      dove è l'energia depositata nello strato assorbitore del fotone a raggi X DUT per incidente, è la banda del materiale assorbitore, ed è una costante.
      NOTA: il fattore spiega l'efficienza energetica della generazione di coppie elettrone-foro. È spesso approssimato23,34 come .
    6. Per l'eventuale stima del livello di iniezione, dal segnale XBIC, utilizzare:
      (5) ,
      dove viene interpretato come il numero di equivalenti del sole, è la sezione trasversale del fascio di raggi X ed è la densità di corrente del corto circuito nelle condizioni di misura standard35.

Representative Results

Il vantaggio principale dell'utilizzo dell'amplificazione lock-in per le misurazioni XBIC è l'aumento notevole del rapporto segnale-rumore rispetto alle misurazioni con amplificazione standard. Le impostazioni di misurazione particolarmente importanti per il successo delle misurazioni XBIC, con amplifica, saranno descritte nelle prime cinque sezioni. Essi sono: (a) modulazione del segnale; b) pre-amplificazione; c) miscelazione del segnale nella LIA; d) frequenza del filtro passa-bassa del LIA; e) il roll-off del filtro passa-basso del LIA.

Le illustrazioni degli impatti di queste impostazioni sono illustrate nella figura 3, Figura 4, Figura 6. Per le misurazioni, una configurazione dilaboratorio ha utilizzato un laser rosso ( ) al posto di un fascio di raggi X, modulato a 2177,7 Hz da un elicottero ottico. I tubi fluorescenti servivano come fonte per la luce di bias. Il DUT era una cella solare a film sottile con un assorbitore Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Anche se sarebbero state scelte diverse impostazioni di misurazione per altri DUT, le linee guida generali descritte qui per trovare impostazioni adatte sono valide per una varietà di DUT come le celle solari con diversi strati di assorbimento o nanofili. Il PA è stato utilizzato con un fattore di amplificazione di . Gli effetti qui discussi si applicano ugualmente ad altri preamplificatori. Se non viene specificato nient'altro, il roll-off del filtro passa-basso del LIA era 48 dB/oct.

Le seguenti sezioni (f)-(i) mostrano risultati esemplari per mostrare le possibilità e le sfide delle misurazioni XBIC in combinazione con altre modalità di misurazione. In (f), vengono discusse le sfide specifiche delle misurazioni XBIC in modalità fly-scanning. In (g), le misurazioni XBIC e XRF di una cella solare CIGS vengono combinate e l'effetto dell'amplificazione lock-in viene discusso con tensione di distorsione applicata. In (h), XBIV viene aggiunto come modalità di misurazione per una cella solare CIGS. In (i), vengono mostrati i dati XBIC e compositivi da XRF di un nanofilo CdS. Per tutte le misurazioni XBIC nelle sezioni (f) a (i), abbiamo utilizzato un PA e un LIA come specificato nella Tabella dei Materiali e Reagenti.

(a) Modulazione del segnale in ingresso

La figura 3 mostra la risposta DUT pre-amplificata misurata da un ambito senza (riga superiore) e con la luce di distorsione (riga inferiore) attivata. Quando la PA converte le correnti in tensioni, il segnale visualizzato è in volt. È negativo a causa del contatto della cella solare, con i contatti p e n-tipo collegati allo scudo e nucleo dell'ingresso della PA, rispettivamente. Nelle misurazioni XBIC, il contatto con la cella solare è regolato dalla necessaria messa a terra del contatto anteriore, come discusso nella sezione 1.3.6. del protocollo.

Confrontando Figura 3A e Figura 3D, notiamo un segnale di offset nell'ordine di 8 mV che viene spostato a -65 mV attivando la luce di distorsione dai tubi di fluorescenza. Inoltre, la variazione del segnale su scale temporali brevi è notevolmente migliorata dalla luce di distorsione. Tale distorsione offset di circa 70 mV può rivelarsi problematico, a causa dei limiti nella gamma di accettazione dell'AP e LIA. Come vorremmo utilizzare l'intera gamma del PA, un piccolo offset come nella figura 3A-C è preferibile. Pertanto, tutte le fonti di pregiudizio involontario, come l'illuminazione ambientale, dovrebbero essere eliminate.

L'aggiunta di una sorgente di fotoni tritata, come mostrato nella Figura 3B,C,E,F, aumenta il segnale indotto della stessa quantità - circa 66 mV - sia per con che senza luce di distorsione, quando il fascio passa attraverso la lama dell'elicottero; quando il fascio è bloccato dalla lama, il segnale rimane al livello del rispettivo offset, come previsto. La frequenza dell'elicottero è distinta nel segnale di Figura 3B e 3E con un periodo di ms.

Nella figura 3D-F, notiamo una modulazione aggiuntiva a una frequenza di 90 kHz. La fonte di questa modulazione ad alta frequenza è la zavorra elettronica del tubo fluorescente, che viene guidata a 45 kHz. Anche se l'amplificazione lock-in è in grado di differenziare i contributi da diverse frequenze di modulazione, come sarà mostrato nella Figura 6, la riduzione del segnale acustico è fondamentale per una buona misurazione. La luce ambientale è solo una possibile fonte, ma anche altri componenti elettronici possono indurre rumore, che verrebbe poi sovrapposto al segnale. Si noti che la luce di bias non è sempre rumore indesiderato, ma spesso la luce di bias viene applicata apposta per impostare il DUT in condizioni operative.

Nella figura 3B,C,E,Fnotiamo inoltre che la risposta del DUT al momento della modifica dell'intensità di irradiazione viene ritardata. Questi effetti di tempo di salita saranno discussi più in dettaglio nella sezione successiva e hanno origine qui da due effetti distinti: in primo luogo, l'aumento ripido e la diminuzione della risposta DUT sulla modulazione 2177.7-Hz è ritardata dal filtro a passa- basso nella PA. In secondo luogo, il segnale continua ad aumentare/diminuire a scale temporali più lente (ad esempio, visibile tra 0,68 e 0,80 ms nella figura 3C), che attribuiamo alla cinetica di occupazione degli stati difettosi nella cella solare.

(b) Pre-amplificazione

L'AP non solo amplifica il segnale modulato del DUT, ma può cambiare significativamente la sua forma d'onda. Come descritto in precedenza, i contatti della cella solare sono tali che una tensione negativa viene misurata al momento dell'illuminazione. Non è stata aggiunta alcuna luce di distorsione per le misurazioni illustrate nella Figura 4.

Le misurazioni sono state effettuate con tempi di aumento del filtro sempre più lunghi per dimostrare i loro effetti quando la resistenza all'amplificazione è mantenuta costante. In molti casi, i tempi di aumento dei filtri sono accoppiati con l'amplificazione. Più forte è l'amplificazione, più lungo è il tempo di risposta, e minore è la frequenza di cut-off del filtro passa-basso nella PA36,37.

Con un tempo di aumento del filtro di 10 s come nel pannello superiore della Figura 4, il segnale è appena in ritardo, si estende la gamma nominale picco-picco da circa 10 mV a -65 mV, e raggiunge altipiani ai valori di picco. Con il tempo di salita del filtro di 100 , gli effetti di ritardo sono visibili nel segnale modulato, ma la modulazione è ancora distinta e l'ampiezza è in un intervallo simile a quello di 10. Un tempo di aumento del filtro di 1 ms è più lungo del periodo di modulazione (0,46 ms). Pertanto, la modulazione viene soppressa ad ampiezza inferiori a 10 mV e la forma riflette solo l'inizio del bordo in aumento e in diminuzione, che ovviamente non è adatto per misurazioni XBIC quantitative. Questa connessione tra guadagno e tempo di aumento del filtro deve essere tenuto a mente in particolare per la combinazione di frequenze di modulazione veloce, , con forte amplificazione.

(c) Miscelazione del segnale

La differenza principale tra l'amplificazione del segnale standard e l'amplificazione lock-in è la miscelazione del segnale DUT con un segnale di riferimento e la successiva soppressione delle alte frequenze da parte di un filtro a passa- basso.

Il percorso del segnale per la miscelazione è illustrato nella Figura 5. Per la discussione della miscelazione del segnale, vengono fatte alcune semplificazioni. Il segnale di riferimento può essere descritto come un segnale sinusoidale

(6) ,

dove è l'ampiezza ed è la frequenza di modulazione del segnale di riferimento. Il segnale modulato del DUT inserito nella LIA può essere rappresentato in modo simile

(7) ,

dove è l'ampiezza ed è la frequenza di modulazione del segnale DUT, ed è un offset di fase del segnale DUT al segnale di riferimento.

A partire da (1) e (2), il segnale misto è:

(8) .

La frequenza di modulazione del DUT è la frequenza di riferimento, . Pertanto, il principio trigonometrico

(9) 

può essere utilizzato per riscrivere come la somma di due termini con frequenze diverse:

(10) .

Il filtro passa-basso mitiga il segnale veloce in modo che il segnale amplificato lock-in possa essere approssimatoa 38,39 come

(11) .

Il segnale DUT mescolato con il segnale di riferimento è chiamato componente in fase, e il segnale DUT mescolato con il riferimento a 90 gradi è chiamato componente quadratura :

(12) 

(13) .

Da Eq. (12) e (13), l'ampiezza RMS

(14)

così come la fase

(15)

del segnale misto può essere ottenuto con la funzione tangente arcus a due argomenti. Molti LIA hanno una fase interna regolare per impostare a zero durante le misurazioni.

(d) Frequenza filtro passa-basso

Nella figura 6 viene illustrato l'effetto della luce di distorsione e delle diverse impostazioni del filtro a passaggio basso sull'ampiezza RMS amplificata di blocco, . Abbiamo usato un LIA che ci ha permesso di registrare simultaneamente il segnale risultante da diversi parametri di filtro.

La frequenza di taglio di un filtro passa-basso definisce la frequenza con cui il segnale viene attenuato al 50%. Mentre le frequenze più basse vengono trasmesse, le frequenze più alte vengono soppresse. Figura 6A,E mostrano il segnale diretto con 466,7 kHz, che in modo efficace non elimina il rumore o modulazioni a bassa frequenza, ma li lascia passare con il segnale grezzo. La conversione del segnale grezzo pre-amplificato nell'ampiezza  RMS porta ad un ulteriore fattore di frequenze sufficientemente al di sotto di . Ad esempio, una tensione di ingresso costante di è l'uscita come .

Mentre l'offset medio nella figura 6E è trascurabile senza luce di distorsione (in media 2 mV), aumenta a una media di circa 75 mV con luce di parziale (Figura 6A). La differenza è di forza paragonabile rispetto alla figura 3A e alla figura 3D, ma attenzione che si trattava di misurazioni separate. In entrambi i casi, l'accensione della fonte di taglio comporta  un aumento significativo della variazione tra i picchi e picchi corrisponde alla variazione picco-picco del segnale grezzo illustrato nella figura 3B e nella figura 3E .

Nella figura 6B,F, l'ampiezza RMS viene visualizzata dopo l'utilizzo di un filtro a passata bassa con 1000 Hz. Anche in questo caso un offset può essere osservato in Figura 6B a causa della luce di distorsione, ma l'offset è più piccolo con circa 18 mV in media. Questo scostamento è causato dalla modulazione a 100 Hz della luce fluorescente, mentre la modulazione a 90 kHz è bloccata dal filtro a passata bassa. Inoltre, il livello di rumore dello stato "beam on" è ancora significativo con una variazione picco-picco intorno a 46 mV, mentre il valore medio del segnale è di 32 mV. Senza luce di distorsione (Figura 6F) la variazione picco-picco ammonta a circa 17 mV durante 'beam on' con un valore medio di 23,5 mV. L'offset medio durante il traveglio è inferiore a 0,5 mV. Queste misurazioni mostrano che la combinazione di un filtro a passa- bassa con 1000 Hz e una frequenza di taglio di 2177,7 Hz non è ideale: il segnale che trasporta la frequenza di modulazione viene rimosso solo parzialmente ma non completamente soppresso dal passaggio basso filtro. La parte restante porta a significative  variazioni picco-picco di durante lo stato 'beam on'. Quando la luce di bias è presente, la modulazione a 100 Hz dovuta alla frequenza netta delle lampade a fluorescenza aumenta ulteriormente i valori picco-picco.

Nella figura 6C,G, l'influenza della luce di bias può essere considerata minima: il filtro a passa basso da 10,27 Hz taglia la maggior parte del rumore e della modulazione della luce fluorescente, e può essere estratto un segnale chiaro indotta dal fascio. Anche se poco visibili qui, l'offset e la diffusione del rumore sono ancora leggermente maggiori con la luce di distorsione. Ciò può essere causato da una luce vagante che passa attraverso la ruota dell'elicottero sul DUT. Pertanto, si consiglia di implementare l'elicottero molto a monte per evitare la modulazione della luce vagante.

Figura 6D,H sono uno zoom nel cambiamento da 'beam on' a 'beam off' dopo 6 s nella figura 6B,C,F,G, rispettivamente. La modulazione sovrapposta a 100 Hz (frequenza delle lampade a fluorescenza) è visibile nella Figura 6D per il filtro a passata bassa con 1000 Hz. Si noti anche il ritardo nel segnale dopo il filtro con 10,27 Hz rispetto al segnale dopo il filtro con 1000 Hz, quando la trave è spenta. Simile ai tempi di salita lenti della PA, basso del filtro passa-basso nel LIA causano un adattamento più lento dei cambiamenti di segnale.

Complessivamente, abbiamo scoperto che un filtro passa-basso con 10,27 Hz e un roll-off di 48 dB/oct (vedi sezione successiva) offre in questo caso il miglior compromesso tra velocità di scansione veloce (a favore di valori elevati) e soppressione della luce di pregiudizio o del rumore (in favore dei valori bassi, soprattutto al di sotto della frequenza della griglia 50 Hz).

(e) Roll-off del filtro a passaggio basso

Come molti amplificatori lock-in digitali, il modello che è stato utilizzato qui impiega i cosiddetti filtri RC discreti-tempo o filtri medi in esecuzione esponenziali le cui caratteristiche sono molto vicine a quelle di unfiltroRC contrastenente analogico A parte la frequenza di taglio del filtro descritta nella sezione precedente, esiste un solo parametro libero, l'ordine del filtro , che definisce l'inclinazione del cut-off come dB/oct.

Figura 7A Mostra l'effetto dell'ordine del filtro sull'attenuazione dipendente dalla frequenza per diverse frequenze di taglio che corrispondono alle costanti temporali ms e ms. Le costanti temporali tra questi due estremi sono adatte per la maggior parte XBIC Misure. L'attenuazione del filtro è stata calcolata40 nel dominio della frequenza come valore assoluto al quadrato della funzione di trasferimento complessa

(16) 

in funzione della frequenza e di un filtro dell'ordine con una costante temporale . Le funzioni di trasferimento dei filtri di ordine superiore si ottengono moltiplicando le funzioni di trasferimento dei singoli filtri collegati in serie. Simile a , definiamo e come le frequenze, in cui l'attenuazione è 5% e 95%, rispettivamente. Il prodotto di queste frequenze ed è costante e riportato nella Tabella 1 per la conversione tra le frequenze di taglio e la costante del tempo di filtro.

Nel dominio temporale, la risposta del filtro per viene calcolata in modo ricorsivo da un segnale di input definito in momenti discreti , , , , ecc., distanziati dal tempo di campionamento :

(17) 

La risposta dei filtri con viene calcolata da più iterazioni di Eq. 17 con calcolato da e . La risposta del filtro a una funzione di passaggio crescente (al momento 0) e a un passaggio decrescente (al momento ) è illustrata nella figura 7B per gli ordini di filtro da 1 a 8, in funzione del tempo in unità di . Si noti che la risposta viene ritardata rispetto al segnale di ingresso e che questo ritardo aumenta con . Il ritardo viene quantificato nella tabella 1 con le volte , , e , all'interno delle quali il segnale trasmesso raggiunge rispettivamente il 5%, 50% o 95%.

La scelta del corretto roll-off del filtro è fondamentale a partire dalla frequenza di cut-off durante la progettazione dell'esperimento. Nell'applicazione 1 presentata nella sezione (g), sono state ottenute misurazioni XBIC di alta qualità con una frequenza di chopper di 1177 Hz, un tempo di permane di 100 ms e una frequenza di cut-off di 40 Hz all'ordine del filtro 8. Con i numeri della tabella1, questo si traduce in , e . Questo tempo è notevolmente più breve del tempo di permane in modo tale che non vengano introdotti artefatti di ritardo.

(f) Correzione dell'ora di Dwell

Nelle misurazioni classiche in modalità step, la fase di scansione si sposta nella posizione nominale e l'inizio della misurazione in quella posizione del pixel viene attivato dopo il raggiungimento della posizione precisa. Per tempi di permane brevi, il tempo di stabilizzamento diventa limitante per il tempo di scansione complessivo, che motiva le cosiddette modalità di misurazione fly-scan o continua: lì, la fase di scansione si muove continuamente e i dati di misurazione sono attribuiti ai pixel con la codifica posizione nella fase di post-elaborazione. Tuttavia, ciò può causare ulteriori problemi, come illustrato nella Figura 8. In questo caso, i motori della fase campione non si muovevano uniformemente nella direzione, determinando tempi di perazione variabili per pixel (vedere Figura 8A). Le variazioni del tempo di dimora si traducono direttamente in variazioni nelle misurazioni XBIC, come illustrato nella Figura 8C. Pertanto, il segnale XBIC deve essere normalizzato al tempo di persa, i cui risultati sono mostrati nella Figura 8D. Allo stesso modo, le variazioni nell'intensità del fascio (mostrate nella Figura 8B) spesso devono essere spiegate dalla normalizzazione al flusso di fotoni. Il segnale XBIC normalizzato al flusso di fotoni può essere visto in Figura 8E; per un errore minimo sulla quantificazione XBIC assoluta, il flusso di fotoni è stato normalizzato al suo valore mediano. La figura 8F mostra la mappa XBIC normalizzata al tempo di permane e al flusso di fotoni, che ha ridotto l'impatto della maggior parte degli artefatti di misurazione. Infine, la figura 8G mostra i dati XBIC dopo la conversione da un tasso di conteggio a quello corrente utilizzando Eq. (1).

(g) Applicazione 1: XBIC di una cella solare con tensione di Bias e XRF

La figura 9A-B mostra l'impatto dell'amplificazione del blocco sul rapporto segnale-rumore nelle misurazioni della corrente indotta dal fascio a raggi X. La rumorosità del segnale diretto è evidente nella Figura 9A: forti contrasti di intensità da linea a linea sono indicativi di artefatti di misurazione, e le variazioni XBIC fine dal DUT vengono sepolte nel segnale che cambia arbitrariamente. D'altra parte, queste caratteristiche sottili sono chiaramente visibili in Figura 9B. Si noti che il livello di rumore in Figura 9A è insolitamente elevato per motivi sconosciuti nonostante l'ottimizzazione della configurazione prima delle misurazioni. In questi casi, il miglioramento del rapporto segnale-rumore per amplificazione lock-in è notevolmente superiore rispetto ai casi di rapporto segnale-rumore già elevato con amplificazione standard (ad esempio, applicazione 3 nella sezione (i)), dove l'amplificazione portare a miglioramenti marginali.

Con l'AP, le tensioni di distorsione in avanti (Figura 9C) e inverse (Figura 9D) di -50 mV e 50 mV, rispettivamente, sono state applicate al campione e all'area della figura 9A-B sottoposta a query. Le caratteristiche dominanti visibili nella figura 9B sono ancora visibili in Figura 9C e Figura 9D, ma sono meno distinte in quanto le mappe sono più rumorose. Questo perché l'applicazione di tensione di distorsione o di bias light induce una corrente diretta che è spesso ordini di grandezza più grande del segnale XBIC modulato. In definitiva, il rapporto tra segnale diretto e segnale modulato limita l'applicabilità dell'amplificazione lock-in. Nonostante lo scarso rapporto segnale-rumore, vale la pena sottolineare che l'amplificazione lock-in consente la mappatura delle prestazioni delle celle solari su scala nanometrica con tensione di distorsione e luce di distorsione applicata, che difficilmente sarebbe possibile altrimenti30.

Poiché le prestazioni della cella solare CIGS sono correlate alla composizione dello strato assorbitore7,41, abbiamo misurato il segnale XRF contemporaneamente con l'XBIC. Nella Figura 9E-F, vengono presentate le concentrazioni di Ga e In. Entrambi gli elementi fanno parte dello strato assorbitore e il loro rapporto è considerato di grande influenza per le prestazioni della cella solare7. Le statistiche di Ga sono molto più grandi che per In, che è dovuto al coefficiente di assorbimento più elevato e meno autoassorbimento all'energia di eccitazione di 10.4 keV. A causa delle statistiche basse, le feature nella mappa In sono quasi invisibili, mentre la concentrazione di Ga è abbastanza chiara da essere correlata alle prestazioni elettriche nella Figura 9B. Per un segnale In più alto, si potrebbe scegliere tempi di dimora più lunghi o scegliere un'energia di assorbimento con più grande sezione trasversale di assorbimento. Ciò dimostra l'importanza di un tempo di disgono sufficientemente lungo e la personalizzazione dell'energia del fascio per gli elementi di interesse.

Con i lunghi tempi di permanazione e le grandi mappe, un altro punto deve essere tenuto a mente: durante le misurazioni che coprono più ore, la deriva del campione può diventare un problema critico. Le fluttuazioni termiche (in particolare dopo il cambiamento del campione o i grandi movimenti motori con scarsa dissipazione del calore) e l'instabilità dei componenti meccanici dello stadio spesso portano alla deriva del campione, come si può vedere confrontando le posizioni verticali della figura 9D e Figura 9B.

(h) Applicazione 2: XBIC di una cella solare con XBIV e XRF

La figura 10 mostra una scansione multimodale di una cella solare CIGS, in cui la cella viene azionata in condizioni di corto circuito che misurano XBIC nella figura 10Ae in condizioni di circuito aperto che misurano XBIV nella figura 10B. La misura XRF illustrata nella figura 10C è stata presa contemporaneamente alla misurazione XBIV. Per raccogliere un numero sufficiente di conteggi XRF, il tempo di perazione per pixel era 0,5 s per la figura 10B-C rispetto a 0,01 s in Figura 10A. Di conseguenza, una frequenza di taglio inferiore nel filtro a passa-basso per la misurazione XBIV potrebbe essere utilizzata rispetto alla misura XBIC (10,27 Hz contro 501,1 Hz, entrambi con roll-off 48 dB/ott). Solo per le misurazioni XBIV, avremmo potuto utilizzare lo stesso tempo di permane e le stesse impostazioni del filtro a passa- a bassa misura della misurazione XBIC con un rapporto segnale-rumore simile. Tuttavia, nel complesso è stato più efficiente in termini di tempo combinare XBIV con misurazioni XRF con la misurazione XRF che regola il tempo di permane, rispetto all'esecuzione di misurazioni XBIV e XRF separate.

Confrontando la Figura 10Ae la Figura 10 B, si nota che la corrente del cortocircuito , misurata come XBIC, e la tensione del circuito aperto , misurata come XBIV, sono correlate: grandi aree ad alto e basso rendimento sono visibili in entrambe le modalità di misurazione. Ciò indica che le variazioni di spessore locale e/o ricombinazione dominano le prestazioni qui, piuttosto che variazioni bandgap, che porterebbero a tendenze opposte in XBIC e XBIV28.

Inoltre, tenendo conto della figura 10C, si può vedere che alcune aree con prestazioni basse, ad esempio in correlazione con il basso tasso di conteggio Cu, mentre le prestazioni non sono correlate con il tasso di conteggio Cu in altre aree.

(i) Applicazione 3: XBIC e XRF di un Nanowire

Oltre alle celle solari, i nanofili contattati24 o nano-fogli, così come i punti quantici, sono altri esempi di DUT che possono trarre profitto da misurazioni XBIC amplificate. Per la dimostrazione, la figura 11A mostra la distribuzione elementale dalle misurazioni XRF e la figura 11B la mappa XBIC corrispondente di un nanofilo CdS. I due contatti fatti di Pt e il filo CdS sono chiaramente distinguibili, e il segnale XBIC mostra una risposta elettrica corrispondente. Particolarmente degno di nota è il fatto che XBIC può svelare le prestazioni elettriche del nanofilo sotto il contatto Pt, che è unico alle nanosonda a raggi X e attribuibile all'alta profondità di penetrazione dei raggi X duri. Il complemento della composizione dei materiali e delle proprietà elettriche del nanofilo dimostra in modo esemplare i vantaggi delle misurazioni a raggi X multimodali.

Figure 1
Figura 1 : impostazione per le misurazioni della corrente a raggi X amplificata di lock-in (XBIC) su un dispositivo sottoposto a test (DUT). Il percorso della trave è rappresentato in rosso. Le forme verdi indicano la fluorescenza a raggi X opzionale (XRF) e i rilevatori di area per le misurazioni multimodali, il giallo indica una luce di distorsione opzionale. I componenti hardware per le misurazioni XBIC sono di colore nero, mentre i percorsi dei segnali XBIC sono blu con uscite di segnale e ingressi mostrati rispettivamente come cerchi pieni e vuoti. Prima dell'acquisizione dei dati (DAQ), il segnale DC (corrente diretta) e AC (corrente alternata) viene convertito da una tensione a una frequenza (V2F). Per i percorsi di segnale alternativi ci riferiamo alla parte (a) della sezione di discussione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 2
Figura 2 : Esempio di un supporto di campione cinematico ottimizzato per misurazioni di microscopia a raggi X multimodali, inclusa la corrente indotta dal fascio a raggi X. Sottili fili di rame sono montati sui contatti anteriore e posteriore di una cella solare Cu(In,Ga)Se2 (CIGS) con vernice argentata e collegati ai contatti PCB. Il nastro poliimide viene utilizzato per separare i fili, evitando cortocircuito del campione. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 3
Figura 3 : risposta pre-amplificata delle celle solari all'irradiazione con luce di bias e fascio modulato. Riga superiore senza luce di bias, riga inferiore con luce di bias: A & D - fascio off; B & E - trave su; C & F - zoom nel rettangolo rosso di B & E. Si prega di fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 4
Figura 4 : Risposta alle celle solari dopo la pre-amplificazione con tre diversi tempi di salita del filtro (10 s - blu, 100 s - rosso, 1 ms - verde) nel preamplificatore. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figure 5
Figura 5 : Elaborazione del segnale mediante l'amplificatore di blocco31. è l'ingresso del segnale dal DUT ed è il segnale di riferimento dall'elicottero. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.   

Figure 6
Figura 6 : Ampiezza RMS amplificata con frequenze di taglio del filtro passa-basso 466,7 kHz (blu), 1 kHz (viola), 10,27 Hz (rosso) e costante roll-off del filtro 48 dB/oct. Il DUT era una cella solare Cu(In,Ga)Se2 con (A, B, C, D) e senza (E, F, G, H) luce di bias applicata. I tempi in cui la trave di fotoni tritata è stata accesa e disattivata sono indicati nelle figure come linee tratteggiate verticali. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.  

Figure 7
Figura 7 : effetto delle impostazioni del filtro passa-basso nell'amplificatore di blocco. A - Attenuazione per il filtro passa-basso nel dominio di frequenza per due costanti temporali ( ms e ms) e per gli ordini di filtro da 1 a 8. B - Risposta del segnale trasmesso del filtro passa-basso nel dominio del tempo, in unità della costante temporale, per gli ordini di filtro da 1 a 8 in seguito alla modifica graduale del segnale di ingresso da 0 a 1 al tempo 0 e da 1 a 0 al momento . Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.  

Figure 8
Figura 8 : Misurazione Fly-scan di una cella solare Cu(In,Ga)Se2 a beamline P06 a PETRA III, scattata a 15,25 energia fotone di keV con un flusso ph/s. L'AP   è stato utilizzato con 106 V/Ae la LIA con Hz (48 dB/oct). A - tempo di dimora, B - flusso di fotoni, C - corrente indotta dal fascio di raggi X (XBIC); Mappa XBIC normalizzata a: D - tempo di dimora, E - flusso fotone normalizzato al suo valore mediano, F - dimorano il tempo e il flusso di fotoni normalizzati. G – normalizzato segnale XBIC dopo la conversione dal tasso di conteggio alla corrente utilizzando Eq. (1). Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

Figure 9
Figura 9 : misurazioni della corrente a raggi X indotta (XBIC) e della fluorescenza a raggi X (XRF) di una cella solare Cu(In,Ga)Se2, effettuate presso il beamline ID16B presso lo European Synchrotron Radiation Facility con un flusso mirato sull'ordine di ph/s. La PA è stata utilizzata con V/A, la LIA con Hz (48 dB/oct). L'energia del fascio era di 10,4 keV, la frequenza dell'elicottero di 1177 Hz e il filtro a passa-basso tagliato a 40 Hz. Il tempo di perno era di 100 ms e la dimensione in pixel era 40 nm x 40 nm. Le mappe A, B, E ed F sono state tutte prese contemporaneamente; C e D sono riprese dopo 50 min e 113 min, con 50 mV di tensione di distorsione in avanti e inversa applicata, rispettivamente. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.      

Figure 10
Figura 10 : misurazione multimodale di una cella solare Cu(In,Ga)Se 2, presa a fascio P06 a PETRA III con un flusso ph/s. L'energia del fascio era di 15,25 keV, la frequenza dell'elicottero di 8015 Hz e la dimensione in pixel di 50 nm x 50 nm. A - corrente indotta dal fascio di raggi X (XBIC) misurata con un tempo di dwell di 0,01 s, un PA con 106 V/A e una LIA con Hz (48 dB/oct); B - Tensione indotta dal fascio di raggi X (XBIV) che copre la stessa area del pannello A, misurata con un tempo di dimora di 0,5 s e una LIA con Hz (48 dB/oct); C - Frequenza di conteggio Cu da una misurazione a fluorescenza a raggi X (XRF), effettuata contemporaneamente alla misurazione XBIV. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.         

Figure 11
Figura 11 : misurazione multimodale di un nanofilo CdS con contatti Pt, effettuata alla trave 26-ID-C della sorgente avanzata del fotone con un'energia del fascio di 10,6 keV. A - Distribuzione Pt e Cd da una misurazione della fluorescenza a raggi X. B - Misurazione della corrente indotta a raggi X (XBIC) effettuata simultaneamente con la misurazione XRF, senza amplificazione lock-in. Fare clic qui per visualizzare una versione più grande di questa figura. 

Table 1
Tabella 1: per i filtri RC a tempo discreto degli ordini da 1 a 8, il prodotto della costante temporale e la frequenza, alla quale il segnale viene attenuato del 5% ( ),50% () e 95% (), è costante e indicato nella parte superiore . Nella parte inferiore, viene dato il ritardo, entro ilquale ilsegnale raggiunge il5% ( ), 50% ( ), e 95% ( ), in unità della costante di tempo e della frequenza di taglio inversa. Si prega di fare clic qui per scaricare questo file Excel.

XBIC Ebic LBIC
Funzionalità multimodale ++ + +
Risoluzione spaziale ++ ++ -
Profondità di penetrazione ++ -- +
disponibilità -- - +
Danni al campione - -- ++

Tabella 2: Valutazione qualitativa della corrente indotta dal fascio di raggi X (XBIC), della corrente indotta dal fascio di elettroni (EBIC) e della corrente indotta dal fascio laser (LBIC).

Discussion

In questo capitolo, discutiamo prima la pertinenza delle impostazioni di misurazione XBIC generali per quanto riguarda il rumore (a) e la velocità di scansione (b). Successivamente, insestiamo le misurazioni XBIC nel contesto delle misurazioni multimodali e discutiamo gli aspetti dei danni indotti dal fascio X (c) e le sfide specifiche relative alle misurazioni simultanee di più parametri (d). Infine, confrontiamo le misurazioni XBIC con le relative misurazioni usando i raggi elettronici e laser come sonde (e).

(a) Rumore ed errore

Sebbene l'amplificazione lock-in consenta un rapporto segnale-rumore più elevato rispetto all'amplificazione diretta, è fondamentale evitare l'introduzione di rumore a tutti i livelli, come è stato ripetutamente sottolineato in tutto il manoscritto. Per ulteriori discussioni, ci riferiamo alla letteratura che discute la misurazione di piccoli segnali elettrici42,43,44,45. Sebbene gli amplificatori lock-in all'avanguardia si basino oggi sull'elaborazione del segnale digitale, la maggior parte delle strategie per ridurre il rumore utilizzando amplificatori lock-in analogici sono ancora applicabili.

Riassumendo, va tenuto presente che i cavi sono inclini ad agire come antenne e quindi introdurre rumore nel sistema. Ciò è particolarmente vero nell'ambiente delle nanosondine a raggi X, dove forti campi elettromagnetici sono spesso inevitabili, le loro fonti possono anche rimanere sconosciute. Di conseguenza, i cavi devono essere mantenuti il più corti possibile e orientati in modo da ridurre al minimo il livello di rumore indotto. Una schermatura supplementare dei cavi del segnale può ridurre ulteriormente il livello di rumore.

Il corretto contatto del DUT è altrettanto importante per la minimizzazione del rumore. Un metodo pulito e robusto con piccoli punti di contatto è il legame del filo. Per le celle solari TF, questo non sempre funziona a causa di problemi di adesione. In alternativa, il nastro conduttivo a base di grafite, rame o alluminio è adatto per campioni più grandi. In molti casi, i migliori risultati si ottengono con l'applicazione manuale di vernice d'argento per contattare sottili fili di rame, oro o platino al dispositivo. Mentre il nastro e la pasta di grafite potrebbero non dare il miglior contatto, vernice d'argento può facilmente cortocircuito il dispositivo e deve essere depositato con la massima cura. Il nastro poliimide può essere utilizzato per evitare cortocircuiti di contatto anteriore e posteriore.

Si noti che il layout del cablaggio dal contatto al trasporto del segnale deve essere adattato alle condizioni limite specifiche della travi. Ad esempio, il layout illustrato nella Figura 1 con il segnale pre-amplificato diviso al LIA e ai convertitori V2F è rischioso, se i convertitori V2F si trovano all'esterno del hutch. In questo caso, il lungo cavo tra preamplificatore e convertitore V2F può rilevare il rumore che viene trasferito al LIA. Pertanto, distinguiamo tre casi di percorsi di segnale comuni per le misurazioni XBIC o XBIV:

Caso A: XBIC viene misurato con un preamplificatore e il segnale DC/AC viene diviso dopo l'AA come illustrato nella Figura 1. In questo caso, un offset di corrente può essere applicato nella PA in modo che il segnale sia sempre positivo, evitando la necessità di registrare il segnale positivo e negativo tramite due convertitori V2F separati. Come inconveniente, ciò ridurrebbe l'intervallo di accettazione della tensione disponibile nel LIA e porterebbe a una sensibilità ridotta.

Caso B: Evitando la divisione del segnale pre-amplificato, che è solo in ingresso al LIA, un demodulatore aggiuntivo può essere utilizzato nella LIA con un filtro passa-basso al valore massimo (cioè non bloccando la frequenza di modulazione) in modo che il segnale pre-amplificato può essere effettivamente emesso all'unità DAQ come illustrato nella figura 6A,E. In questo caso, un offset di tensione sull'uscita può essere applicato sia al segnale AC che a quello DC, evitando la necessità di registrare il segnale positivo e negativo tramite due convertitori V2F separati. Questo non ha grossi inconvenienti a parte una riduzione della gamma di frequenza disponibile del V2F, che è raramente limitante.

Caso C: XBIV viene misurato e il segnale DC/AC viene diviso tra il DUT e l'amplificatore lock-in. In questo caso, nessun offset di tensione sul segnale DC può essere applicato senza applicare una tensione di distorsione indesiderata sul DUT, in modo che siano sempre necessari due convertitori V2F separati per le parti del segnale positivo e negativo.

In tutti i casi, quando le parti negative e positive di un segnale vengono registrate tramite due diversi convertitori V2F, il segnale XBIC o XBIV totale viene ottenuto come differenza tra il canale positivo e quello negativo. Se è disponibile un LIA con due o più demodulatori, in genere preferiamo il caso B, in quanto riduce al minimo il cablaggio del segnale grezzo e consente una facile commutazione tra le misurazioni XBIC e XBIV.

L'errore delle misurazioni XBIC dipende in forte base alle apparecchiature e alle impostazioni utilizzate in modo tale che nessuna quantificazione degli errori possa essere fornita qui. L'errore assoluto è superiore a quello che ci si potrebbe aspettare a causa di errori sperimentali e sistematici. Ciò è particolarmente vero se il segnale XBIC viene convertito in efficienza di raccolta di carica scalando con una costante come descritto nel protocollo. Ad esempio, la relazione empirica tra il divario di banda e l'energia di ionizzazione descritta dalla z (vedi Eq. 4) soffre di dispersione significativa; Le misurazioni del flusso di fotoni spesso non sono disponibili con errori assoluti inferiori al 10%; e la struttura nanoscopica del DUT è poco conosciuta. Tuttavia, sottolineiamo che la forza delle misurazioni XBIC e XBIV amplificate di lock-in risiede nella grande precisione relativa all'interno di mappe o misurazioni comparabili.

(b) Velocità di scansione

In molte modalità di misurazione basate sul rilevamento di fotoni come la dispersione XRF o ai raggi X, l'intensità del segnale aumenta in prima approssimazione linearmente con il tempo di acquisizione, con un conseguente aumento del rapporto segnale-rumore. Questo non è vero per le misurazioni XBIC, dove la finestra delle possibili velocità di scansione non è dettata dalle statistiche di conteggio, ma da considerazioni più complesse come la dinamica del vettore e la struttura del dispositivo.

Tuttavia, le misurazioni lente con molti periodi di segnale modulato per pixel in genere portano al miglior rapporto segnale-rumore nelle misurazioni XBIC amplificate di blocco e all'oversampling con smussatura durante la post-elaborazione (ad esempio mediante binning o applicazione filtri) può ridurre ulteriormente i livelli di rumore se il tempo di misurazione lo consente. Tuttavia, a parte le considerazioni sulla velocità effettiva, ulteriori vincoli possono impostare limiti inferiori alla velocità di misurazione, tra cui: (1) degradazione indotta dal fascio di raggi X (vedere la sezione seguente) o le modifiche dei campioni indotte dall'ambiente durante misurazioni spesso riducono il tempo di perazione ammissibile. (2) La deriva del campione e la riproducibilità dei movimenti di fase possono essere limitanti, in particolare per le misurazioni su nanoscala. (3) Le variazioni del livello di rumore elettromagnetico possono essere superate da misurazioni più rapide. (4) Mentre le misurazioni del conteggio dei fotoni possono essere facilmente normalizzate al flusso di fotoni incidente, il segnale XBIC (e ancor più il segnale XBIV) è solo in una certa misura lineare al flusso di fotoni28. Pertanto, la normalizzazione del flusso di fotoni compensa solo una parte degli effetti derivanti dalla variazione del flusso di fotoni, e si dovrebbe evitare di prendere misure XBIC (come mappe o serie temporali) mentre il flusso è variato. Questo è particolarmente un problema quando l'anello di stoccaggio viene riempito durante una mappa XBIC.

Se la velocità di misurazione XBIC non è regolata da altre modalità di misurazione (vedi sezione (d), le misurazioni XBIC vengono in genere eseguite con la velocità massima che fornisce un rapporto segnale-rumore soddisfacente. I limiti superiori alla velocità di misurazione sono dati dai seguenti vincoli: (1) Un limite superiore fondamentale alla velocità di misurazione è il tempo di risposta del DUT. In definitiva, il tempo di risposta è limitato dal tempo di riscossione. Per la maggior parte delle celle solari a film sottile con durata porta-carica nell'intervallo di nano o microsecondi, questo è acritico, ma questo deve essere tenuto a mente per le celle solari cristalline-silicio di alta qualità con durate di diversi millisecondi. Tuttavia, gli effetti di capacità possono aumentare il tempo di risposta anche delle celle solari TF in modo che possa limitare la velocità di misurazione. (2) Le lame rotanti dell'elicottero utilizzate per modulare il fascio di raggi X hanno limiti di velocità superiori. A seconda della loro posizione nel fascio di raggi X, la dimensione del fascio può essere larga fino a 1 mm, che definisce il periodo minimo della lama. Se l'elicottero viene azionato nel vuoto, la frequenza di rotazione è raramente limitante, abbinando in alcuni casi anche la frequenza del gruppo di elettroni. Tuttavia, il funzionamento degli elicotteri a tali velocità nel vuoto è impegnativo, in modo tale che la maggior parte degli elicotteri sono azionati in aria. In questo caso, la velocità di rotazione è limitata dalle vibrazioni meccaniche e, in ultima analisi, dalla velocità della parte più all'estrema della lama che deve essere inferiore alla velocità del suono. Secondo la nostra esperienza, la frequenza di taglio è limitata spesso a 7000 Hz in aria. (3) In molti casi, il tempo di risposta della PA imposta il limite superiore della velocità di misurazione. Come mostrato nella Figura 4, tempi di aumento rapido del PA sono necessari per tradurre la modulazione del segnale dal chopper. Per l'amplificazione di grandi dimensioni, vengono utilizzati amplificatori di corrente a basso rumore, che hanno tempi di salita fino a 100 ms. Con tali tempi di salita, la frequenza di taglio può essere limitata a pochi Hz, che richiederebbe tempi di permanita di diversi secondi. Pertanto, la strategia migliore è spesso quella di scegliere un'amplificazione inferiore da parte della PA con un tempo di risposta più veloce che corrisponde alla frequenza di taglio. Anche se questo si traduce in livelli di segnale-rumore più piccoli dopo la pre-amplificazione, l'amplificazione lock-in spesso può ancora recuperare un segnale modulato di alta qualità.

Ad esempio, l'AA usato fornisce una larghezza di banda superiore a 10 kHz per l'amplificazione nell'intervallo A/V, anche per l'impostazione a basso rumore37. Ciò consente di tagliare l'intervallo kHz e di misurazione fino alla gamma di 100 Hz con un filtro a bassa passata con una frequenza di taglio tra la frequenza di scansione e la frequenza di taglio. Queste sono condizioni di misurazione che spesso utilizziamo.

Per evitare artefatti di misurazione, è di fondamentale importanza analizzare il segnale lungo la catena di amplificazione: mentre la limitazione del filtro a passa-basso del LIA può essere facilmente rilevata come artefatti di linea nelle mappe (sbavatura dal segnale XBIC attraverso diversi pixel), la risposta del sistema del DUT e PA richiede l'ispezione del segnale da un ambito, che può essere integrato nel LIA.

(c) Danni al fascio

Il danno indotto dal fascio di raggi X è un problema comune ed è stato discusso per molti sistemi, dai campioni biologici alle celle solari al silicio e ai rivelatori46,47. Sebbene i semiconduttori inorganici siano generalmente più robusti contro l'irradiazione a raggi X rispetto ai semiconduttori organici o ai sistemi biologici, i danni indotti dal fascio a raggi X sono comuni anche nelle celle solari a film sottile. In particolare, abbiamo osservato il fascio di raggi X indotto dai danni delle celle solari con CdTe, CIGS29, perovskite18e strati assorbitori organici. Si noti che la risposta elettronica di DUT come celle solari è sensibile alle concentrazioni di difetti al di sotto del livello di ppm, dove la ricombinazione del vettore di carica influisce sulle prestazioni senza danni chimici apparenti.

Pertanto, è generalmente necessario testare la sensibilità di un DUT al danno del fascio. In pratica, valutiamo la degradazione indotta dal fascio di raggi X di qualsiasi DUT prima delle misurazioni XBIC effettive e stabiliamo condizioni che consentano alle misurazioni di essere le meno influenzate dagli effetti di degradazione.

Esistono diverse strategie per far fronte ai danni indotti dal fascio di raggi X, ma ciò che tutti hanno in comune è che mirano a ridurre il dosaggio di radiazioni in un punto di misurazione prima della valutazione delle prestazioni. In altre parole, l'obiettivo è quello di correre più velocemente seguendo il paradigma "misura più veloce del DUT degrada". Le strategie includono: (1) Utilizzare tempi di dimora brevi. (2) Aumentare la dimensione del passo, riducendo la risoluzione di misurazione. (3) Ridurre l'intensità del fascio di raggi X mediante filtri di attenuazione. A seconda della trave e DUT, diversi approcci possono essere scelti o una loro combinazione. Ad esempio, la mancanza di persiane veloci o modalità fly-scan esclude (1) e i profili di fascio a raggi X diffusi come quelli generati dalle piastre di zona possono portare a una degradazione significativa lontano dalla posizione del fascio centrale.

Fortunatamente, la maggior parte dei meccanismi di degradazione porta solo alla ricombinazione del vettore di carica potenziato localmente. Questo limita l'effetto laterale della degradazione alla lunghezza di diffusione dei vettori di carica, e le misurazioni XBIC più lontane dalle aree degradate rimangono quasi inalterate. Se, invece, i meccanismi di degradazione portassero allo shunting locale del DUT, ulteriori misurazioni XBIC sarebbero seriamente ostacolate. Per ridurre al minimo il dosaggio di radiazioni depositate, le misurazioni critiche devono essere eseguite prima in un punto fresco e poi, successivamente, possono essere utilizzati metodi affamati di fotoni, come XRF, che sono più indifferenti ai danni del fascio, possono essere utilizzati nella stessa posizione.

d) Misure multimodale

La compatibilità di XBIC con ulteriori modalità di misurazione consente una correlazione diretta punto per punto delle prestazioni elettriche con parametri valutati contemporaneamente23. Qui, discutiamo a breve la combinazione di misurazioni XBIC con misurazioni XBIV, XRF, SAXS, WAXS e XEOL. La combinazione con ulteriori modalità di misurazione come la resa degli elettroni o l'olografia può essere facilmente immaginata, ma queste modalità non sono generalmente compatibili con le configurazioni o le modalità delle misurazioni di scansione.

Anche se è possibile la disposizione geometrica di rivelatori e campioni per la misurazione simultanea di XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS e XEOL, esistono aspetti fondamentali e pratici che proibiscono la valutazione simultanea di tutte le modalità.

(1) Lo stato della cella solare proibisce la misurazione simultanea delle misurazioni XBIC (corto circuito) e XBIV (a circuito aperto). Poiché XEOL48,49 misura la ricombinazione radiativa delle coppie elettrone-foro, una corrente misurata della cella solare (XBIC) sarebbe un processo competitivo. Pertanto, le misurazioni XEOL sono tipicamente condotte in condizioni di circuito aperto, che è compatibile con le misurazioni XBIV simultanee.

(2) Se il danno del fascio è un problema per le misurazioni XBIC o XBIV, essi non possono essere combinati con tecniche fotoniche come XRF o XEOL. Come regola generale, gli effetti di danno del fascio sono prima visibili nelle prestazioni elettriche (XBIC & XBIV) e ottiche (XEOL), essendo sensibili alla ricombinazione del vettore di carica tramite difetti elettronici. In secondo luogo, si verifica un danno strutturale (visibile in SAXS & WAXS), seguito da una modifica compositiva visibile in XRF.

(3) Anche se tagliare il raggio a raggi X è generalmente compatibile con tutte le modalità di misurazione, può portare a artefatti: in primo luogo, il flusso di fotoni integrato per pixel varia in base al flusso integrato che passa la ruota dell'elicottero in un periodo. Questo effetto diventa più grande con un rapporto più piccolo tra il taglio e la frequenza di scansione. In secondo luogo, l'interazione tra la ruota dell'elicottero e il fascio di raggi X può portare a fotoni sparsi, diffracted e fluorescenti. In terzo luogo, il flusso di fotoni integrati è ridotto del 50%, il che è particolarmente importante per le modalità di misurazione affamate di fotoni.

Come conseguenza di queste considerazioni, lo schema di misurazione ideale dipende dal DUT dato e dalla definizione delle priorità delle modalità di misurazione. Tuttavia, è spesso saggio iniziare con una misurazione ottimizzata per XBIC. Se è necessario il lock-in amplificata XBIV, questa è in genere la seconda scansione. In caso contrario, l'elicottero può essere rimosso e tutte le altre misurazioni, incluso il XBIV standard, possono essere eseguite con più tempo di permane o meno come richiesto per la tecnica più affamata di fotoni. Idealmente, i dati XRF vengono misurati durante tutte le scansioni, il che consente la registrazione delle immagini nella post-elaborazione per tenere conto della deriva del campione.

(e) Sonde diverse per misurazioni indotte dal fascio

Esistono sonde alternative ai raggi X per la valutazione delle prestazioni elettriche risolte spazialmente di un DUT con vantaggi e svantaggi specifici. Pertanto, un confronto qualitativo di XBIC con corrente indotta da fascio di elettroni (EBIC) e corrente indotta dal fascio laser (LBIC) misurata in microscopi elettronici o con configurazioni ottiche è riportato nella tabella 2.

La generazione di fori elettronici da un laser si avvicina di più al funzionamento esterno delle celle solari. Tuttavia, la risoluzione spaziale di LBIC è fondamentalmente limitata dalla lunghezza d'onda del laser. Le misurazioni EBIC offrono una maggiore risoluzione spaziale che è in genere limitata dal raggio di interazione del fascio di elettroni con il DUT. Lo svantaggio principale delle misurazioni EBIC è la loro sensibilità superficiale, ostacolando la valutazione delle prestazioni dello strato assorbitore attraverso lo stack di strati o anche in dispositivi incapsulati. Inoltre, le superfici irregolari del DUT in combinazione con effetti di emissione di elettroni secondari non lineari spesso portano a risultati EBIC distorti. Al contrario, le misurazioni XBIC non soffrono quasi di variazioni topologiche, poiché la maggior parte del segnale viene generato in profondità nel materiale sfuso e gli effetti di carica superficiale sono mitigati da una corretta messa a terra.

Tutte e tre le tecniche indotte dal fascio hanno in comune che l'iniezione di carica è altamente inomogenea, raggiungendo il picco nella posizione del fascio. Di conseguenza, l'eccesso di concentrazione del vettore e la densità attuale sono distribuiti inomogeneamente. In un quadro semplificato, la maggior parte della cella solare opera al buio, e un piccolo punto opera ad un alto livello di iniezione che può raggiungere centinaia di equivalenti solari per i raggi concentrati. La distribuzione a livello di iniezione dipende non solo dalle dimensioni e dalla forma del fascio, ma anche dall'energia del fascio, dalla pila del dispositivo e dalla struttura temporale dell'iniezione. Finora, il fascio di raggi X è stato trattato come un fascio continuo, che è giustificato per i processi di raccolta del vettore di carica che sono più lenti di microsecondi. Tuttavia, i raggi X di origine sincrotrone consistono in impulsi sub-100-ps con intensità e frequenza degli impulsi a seconda del modello di riempimento dell'anello di archiviazione. Anche se non abbiamo notato alcun impatto del modello di riempimento sulle misurazioni XBIC relativamente lente, il livello di iniezione a breve termine dipende da esso. Al contrario, si può fare uso della struttura temporale dei raggi X: simile a quanto è stato dimostrato per XEOL21,si può immaginare misurazioni XBIC o XBIV risolte nel tempo, o bloccare il segnale XBIC/XBIV nella frequenza del gruppo di elettroni.

Un'adeguata discussione delle conseguenze dei livelli di iniezione inomogenei richiede la simulazione 3D completa di tutti i parametri rilevanti del fascio e del dispositivo, compresa la convoluzione del livello di iniezione dipendente dal tempo con la mobilità e la durata 3D nel DUT, che esula dall'ambito di questo manoscritto. Tuttavia, è concettualmente lo stesso per tutte le misurazioni di corrente e tensione indotta da fascio e ci riferiamo alla letteratura che discute la dipendenza a livello di iniezione delle misurazioni EBIC50 e LBIC51.

Le conseguenze negative dell'iniezione di carica locale possono essere sperimentalmente attenuate dall'applicazione della luce di bias con l'intensità di 1 sole equivalente, e l'eccitazione indotta dal fascio aggiungendo solo una quantità trascurabile di vettori di carica in eccesso. In pratica, questo concetto è tecnologicamente limitato dalla riserva dinamica di 100-120 dB in amplificatori lock-in all'avanguardia, che corrisponde a un rapporto segnale-rumore di 105 a 106. Anche se questo è sufficiente per i dispositivi di dimensioni paragonabili alla dimensione del fascio, non consente l'applicazione di luce di bias a livelli rilevanti per i dispositivi macroscopici. La soluzione ovvia consiste nel ridurre le dimensioni del campione. Purtroppo, questo è spesso limitato da effetti di confine elettrici fino a diverse centinaia di micrometri al di fuori del bordo campione o punti di contatto.

Si noti inoltre che si può fare uso della dipendenza a livello di iniezione delle misurazioni XBIC: simile a EBIC e LBIC, eseguire serie a livello di iniezione variando l'intensità del fascio di raggi X può svelare informazioni sui meccanismi di ricombinazione dominanti e la carica diffusione del vettore52,53.

In conclusione, la profondità di penetrazione dei raggi X combinata con l'alta risoluzione spaziale rende XBIC la tecnica più adatta per studiare DUT con strutture sepolte come le celle solari TF in un approccio di microscopia correlata. Il raggio di interazione delle misurazioni XBIC è in genere più piccolo rispetto a EBIC e la risoluzione spaziale è spesso limitata dalla lunghezza di diffusione dei vettori di carica. Lo svantaggio principale delle misurazioni XBIC è la limitata disponibilità di nanosondazioni a raggi X.

Disclosures

Gli autori non hanno nulla da rivelare.

Acknowledgments

Riconosciamo molto J. Garrevoet, M. Seyrich, A. Schropp, D. Bràckner, J. Hagemann, K. Spiers e T. Boese dei Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY) e A. Kolditz, J. Siebels, J. Fl'gge, C. Strelow, T. Kipp e A. Mews dell'Università di Amburgo. misurazioni di supporto a trave P06 a PETRA III, DESY; M. Holt, Cai, M. Cherukara e V. Rose dell'Argonne National Laboratory (ANL) per supportare le misurazioni alla trave 26-ID-C all'Advanced Photon Source (APS) presso anL; D. Salomon e R. Tucoulou dell'European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) per sostenere le misurazioni a beamline ID16B presso l'ESRF; R. Farshchi, D. Poplavkyy e J. Bailey di MiaSolé Hi-Tech Corp., e E. Avancini, Y. Romanyuk, S. B'cheler, e A. Tiwari dei Laboratori Federali Svizzeri per la Scienza e la Tecnologia dei Materiali (EMPA) per la fornitura di celle solari. Riconosciamo DESY (Amburgo, Germania), membro dell'Associazione Helmholtz HGF, per la fornitura di strutture sperimentali. Riconosciamo lo European Synchrotron Radiation Facility (Grenoble, Francia) per la fornitura di impianti di radiazione di sincrotrone. Questa ricerca ha utilizzato le risorse dell'Advanced Photon Source, un Office of Science User Facility del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE) gestito per l'Ufficio della Scienza del DOE dall'Argonne National Laboratory sotto contratto n. DE-AC02-06CH11357.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
BNC cabling and connectors From generall cable suppliers
Chopper blade Thorlabs MC1F10HP Apart from technical compatibility of the chopper wheel with the chopper system, it should be checked that the chopper blade sufficiently blocks the X-ray beam.
Conductive silver paint Conrad 530042 Alternative products can be obtained from Pelco and others
Copper wires From cable suppliers for contacting of the solar cell
Current Preamplifier Standford SR570 Alternatives include the Keithley 487 or 6487 Picoammeter. 
Device under test (DUT) Suitable device for XBIC measurements.
Holder with printed circuit board Custom design
Kinematic sample mount Thorlabs KB25/M Optional, allows easy positioning and changing of sample. Alternatives include the M-BK-1A from Newport
Lock-in Amplifier Zurich Instruments UHFLI or MFLI Whereas the MFLI has current preamplifiers included, the UHFLI requires an external current preamplifier but offers more options. Therefore, the UHFLI was used for the presented experiment.
Measurement control/data acquisition unit Available at different synchrotrons.
Optical Chopper Thorlabs MC2000B(-EC) Alternatives include the choppers SR540 from Stanford Research Systems, or model 3502 from Newport.
Polyimide tape Rolls with different widths and thicknesses are available
X-ray source Available at different synchrotrons

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Ingegneria Numero 150 microscopia a raggi X corrente indotta da raggi X tensione indotta dal fascio di raggi X XBIC XBIV amplificazione lock-in radiazione di sincrotrone cella solare fotovoltaica CIGS multimodalità

Erratum

Formal Correction: Erratum: X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells
Posted by JoVE Editors on 07/29/2020. Citeable Link.

An erratum was issued for: X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells. An equation was updated.

Equation 9 was updated from:

Equation

to:

Equation

Misurazioni della corrente indotta a raggi X per la microscopia a raggi X multimodale delle celle solari
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Ossig, C., Nietzold, T., West, B.,… More

Ossig, C., Nietzold, T., West, B., Bertoni, M., Falkenberg, G., Schroer, C. G., Stuckelberger, M. E. X-ray Beam Induced Current Measurements for Multi-Modal X-ray Microscopy of Solar Cells. J. Vis. Exp. (150), e60001, doi:10.3791/60001 (2019).

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