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Misurazioni della corrente indotta a raggi X per la microscopia a raggi X multimodale delle celle solari
Chapters
Summary August 20th, 2019
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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.
Transcript
I raggi X inducono una corrente in molti dispositivi elettronici. Molto simile ai fotoni visibili nelle celle solari fotovoltaiche. Il segnale è chiamato corrente indotta dal fascio di raggi X.
In altre parole, i dispositivi di test sono azionati come rilevatori a raggi X e XBIC produce le prestazioni del dispositivo locale. XBIC combina l'alta risoluzione speciale della corrente indotta dal fascio di elettroni con un'elevata profondità di penetrazione della corrente indotta dal raggio laser. Questa combinazione produce le prestazioni locali anche in strutture varie come in celle solari incapsulate ad alta risoluzione.
Dal segnale XBIC, possiamo determinare l'efficienza di raccolta della carica risolta spazialmente, che è fondamentale per le prestazioni elettriche dei dispositivi semiconduttori. Quindi, in linea di principio, le misurazioni XBIC possono essere eseguite su tutti i sistemi che mostrano una risposta elettrica sul suo spazio, come celle solari, rivelatori a raggi X, su nano fili di semiconduttori. Prendere misurazioni XBIC è in realtà sorprendentemente semplice se si segue il percorso del segnale dal dispositivo agli amplificatori e all'acquisizione dei dati.
Inizia progettando un portacampioni per fornire la massima libertà al posizionamento di diversi rivelatori nelle immediate vicinanze. Impostare il portacampioni su una base cinematica per consentire un facile riposizionamento dei campioni con posizione micrometrica. Utilizzare un circuito stampato progettato in modo che possa essere utilizzato come supporto per il dispositivo elettronico per le misurazioni XBIC.
Quindi, incollare il dispositivo elettronico da testare sul circuito stampato. Prestare attenzione per evitare cortocircuiti utilizzando nastro poliimmide. Fissare i fili di contatto anche con il nastro adesivo.
Collegare il contatto a monte che si trova di fronte al fascio di raggi X incidente con lo scudo del cavo coassiale. Quindi, collegare il contatto a valle con il nucleo del cavo coassiale. Quindi, montare il circuito stampato nel supporto del campione.
Quindi montare il supporto del campione sulla fase del campione. Collegare l'esempio tramite il connettore BNC sul supporto del campione. Posizionare il cablaggio in modo che nessuna parte di montaggio o cablaggio blocchi il fascio di raggi X incidente o qualsiasi rilevatore.
Assicurarsi che il cablaggio del campione sia alleviato dalla deformazione in modo da non limitare i movimenti del campione. Verificare che il campione sia ben radicato. Ora ruotare lo stadio in modo che il piano di interesse sia perpendicolare al fascio incidente.
Ciò ridurrà al minimo l'ingombro del fascio e massimizzerà la risoluzione spaziale. Se eseguirai misurazioni multimobiliali, posiziona i rivelatori intorno al campione, ad esempio per le misurazioni della fluorescenza a raggi X. Quindi, misurare l'ampiezza del segnale del dispositivo di test per testare l'intervallo del segnale in condizioni diverse.
Posizionare un preamplificatore in prossimità del campione e collegarlo a un'unità di controllo all'esterno dell'hutch. Ciò consentirà modifiche all'impostazione remota senza dover rientrare nell'hutch e salverà automaticamente le impostazioni di amplificazione. Collegare il preamplificatore a un circuito di alimentazione pulito e alimentarlo.
Assicurarsi che l'ampiezza del segnale del dispositivo di test corrisponda all'intervallo di ingresso del preamplificatore. È buona prassi mantenere l'amplificazione del preamplificatore alla minima sensibilità ogni volta che non è in corso alcuna misurazione per evitare una saturazione eccessiva accidentale. Ora collega il dispositivo di prova al preamplificatore.
Data la piccola ampiezza del segnale, è fondamentale mantenere il cablaggio corto e a distanza dalle fonti di rumore. Successivamente dividere il segnale pre-amplificato in tre rami di segnale paralleli. Questi vengono utilizzati per registrare separatamente i valori DC positivi e negativi, insieme ai componenti CA modulati.
Collegare l'amplificatore lock-in a un'unità di controllo all'esterno dell'hutch. Alimentalo da un circuito di alimentazione pulito. Assicurarsi che l'uscita del preamplificatore corrisponda all'ingresso dell'amplificatore lock-in in tutte le condizioni.
Qui l'uscita massima del pre-amplificatore è di 10 volt, ma l'intervallo massimo di ingresso dell'amplificatore lock-in è di 1,5 volt. Pertanto, testare l'ampiezza del segnale dopo il preamplificatore e assicurarsi che l'intervallo di ingresso dell'amplificatore lock-in sia al massimo. Quindi collegare l'uscita del preamplificatore all'ingresso dell'amplificatore lock-in.
Montare l'elicottero a raggi X su uno stadio motorizzato con la possibilità di muoversi all'interno e all'uscita dal fascio di raggi X e alimentarlo tramite controller dell'elicottero. Collegare l'elicottero all'unità di controllo, in questo caso tramite l'amplificatore lock-in. Quindi guidare l'elicottero ottico con la frequenza di demodulazione dell'amplificatore lock-in.
Quindi collegare l'uscita dell'amplificatore lock-in a un convertitore tensione-frequenza. Quindi emettere l'ampiezza radice-media al quadrato R del segnale amplificato lock-in come segnale CA analogico del dispositivo. Assicurarsi che il dispositivo in prova sia schermato da tutte le luci nell'hutch.
Cerca l'hutch. Per favore, lascia la zona. Attenzione, per favore, notate l'accensione.
E accendi il fascio di raggi X. Se tutto è impostato correttamente e il fascio di raggi X colpisce il campione, sarà visibile un segnale XBIC modulato. Adatta l'amplificazione del preamplificatore e la gamma di ingresso dell'amplificatore lock-in in modo che corrispondano.
Assicurarsi che la risposta del preamplificatore sia abbastanza veloce per la frequenza dell'elicottero scelta. Si dovrebbe osservare un segnale XBIC rettangolare. Se è visibile un forte ritardo, la frequenza dell'elicottero deve essere ridotta o il tempo di aumento del filtro del preamplificatore deve essere regolato.
Impostare la frequenza del filtro passa basso dell'amplificatore lock-in al minimo compatibile con la velocità di scansione. Quindi, massimizzare il segnale amplificato rispetto al rapporto trave e trave e rispetto al rapporto segnale/rumore. La configurazione è ora pronta per le misurazioni XBIC.
Vai in un punto incontaminato del campione e inizia la misurazione. Il vantaggio principale dell'utilizzo dell'amplificazione lock-in per le misurazioni XBIC è il drammatico aumento del rapporto segnale/rumore rispetto alle misurazioni con amplificazione standard. Qui, il dispositivo pre-amplificato in risposta al test viene mostrato come misurato da un ambito senza e con una luce di polarizzazione accesa.
Nonostante la presenza di forti componenti di rumore o inganno indotte dalla luce di polarizzazione o dalla tensione, è possibile estrarre il segnale di corrente indotta dal fascio di raggi X modulato dal segnale di fondo, anche se è più piccolo di ordini di grandezza. Confrontando queste due immagini, si noti un segnale di offset dell'ordine di otto millivolt che viene spostato a meno 65 millivolt accendendo la luce di polarizzazione dai tubi fluorescenti. Inoltre, la variazione del segnale su scale di tempo brevi è significativamente migliorata dalla luce di polarizzazione.
Con impostazioni appropriate, sia l'offset che la modulazione ad alta frequenza possono essere mitigati. Tuttavia, tutte le fonti di distorsione involontaria come l'illuminazione ambientale e il rumore elettromagnetico dovrebbero essere eliminate per un rapporto segnale/rumore più elevato. Questi grafici evidenziano l'effetto della luce di polarizzazione e delle diverse impostazioni del filtro passa basso sull'ampiezza RMS amplificata del blocco.
Per un'elevata frequenza di scansione, la frequenza di taglio del filtro passa basso dovrebbe essere il più alta possibile, ma il segnale più alto per i rumori ottenuti con basse frequenze di taglio. In questo caso, un filtro passa basso con una frequenza di taglio pari a 10,27 Hertz offriva il miglior compromesso per la scansione a due Hertz moderati. Qui, puoi vedere l'impatto dell'amplificazione lock-in sul rapporto segnale/rumore nelle misurazioni della corrente indotte dal fascio di raggi X.
La rumorosità del segnale diretto è evidente e il segnale amplificato lock-in mostra caratteristiche fini in buoni dettagli. Per l'analisi quantitativa, la forma del segnale XBIC modulato dovrebbe rappresentare la forma dell'intensità modulata dei raggi X. Pertanto, è importante ottimizzare la frequenza dell'elicottero e i filtri passa-basso rispetto a ciò.
L'amplificazione lock-in ci consente di misurare i dispositivi in condizioni diverse. Ad esempio, possiamo applicare tensione di polarizzazione o luce di polarizzazione. In definitiva, questo ci permette di misurare l'intera curva IV con un'alta risoluzione spaziale al nanoscape.
XBIC è particolarmente utile quando lo combiniamo con altre tecniche. Ad esempio, con diffrazione a fluorescenza a raggi X, tachiografia o luminescenza ottica eccitata a raggi X. Se combiniamo tutto questo, possiamo risolvere e deconvolutare la struttura e le prestazioni della composizione.
A parte le precauzioni generali da prendere quando si ha a che fare con l'energia elettrica e i raggi X intensi, non vi è alcun rischio specifico nell'esecuzione di misurazioni XBIC per il funzionamento almeno del campione, tuttavia, può morire a causa di danni da radiazioni. Con sorgenti limitate di diffrazione, come petra four, il flusso di raggi X nanofocus aumenterà di ordini di grandezza. Ciò aumenterà il rapporto velocità di misurazione segnale/rumore e consentirà esperimenti completamente nuovi in situ e operando.
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