सौर कोशिकाओं की मल्टी-मोडल एक्स-रे माइक्रोस्कोपी के लिए एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान माप

Engineering
 

Summary

एक्स-रे बीम के लिए एक सेटअप synchron बीमलाइन्स पर वर्तमान माप प्रेरित वर्णित है. यह सौर कोशिकाओं के नैनोस्केल प्रदर्शन का खुलासा करता है और बहु-मोडल एक्स-रे माइक्रोस्कोपी के लिए तकनीकों के सूट का विस्तार करता है। तारों से संकेत करने के लिए शोर अनुकूलन करने के लिए, यह एक हार्ड एक्स-रे microprobe पर राज्य के अत्याधुनिक XBIC माप प्रदर्शन करने के लिए कैसे दिखाया गया है।

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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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Abstract

एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान (XBIC) माप ऐसे सौर कोशिकाओं के रूप में इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के नैनोस्केल प्रदर्शन की मानचित्रण की अनुमति देते हैं। आदर्श रूप में, XBIC एक बहु मॉडल एक्स-रे माइक्रोस्कोपी दृष्टिकोण के भीतर अन्य तकनीकों के साथ एक साथ कार्यरत है। एक उदाहरण यहाँ XBIC एक्स-रे फ्लोरोसेंट के साथ संयोजन के लिए रासायनिक संरचना के साथ बिजली के प्रदर्शन के बिंदु दर बिंदु सहसंबंध सक्षम करने के लिए दिया गया है. XBIC माप में उच्चतम संकेत करने के लिए शोर अनुपात के लिए, लॉक-इन प्रवर्धन एक महत्वपूर्ण भूमिका निभाता है। इस दृष्टिकोण से, एक्स-रे बीम नमूने के ऊपर एक ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर द्वारा संग्राहक है। मॉडुलित एक्स-रे बीम प्रेरित विद्युत संकेत प्रवर्धित है और एक लॉक-इन एम्पलीफायर का उपयोग कर हेलिकॉप्टर आवृत्ति के लिए demodulated है। कम पास फिल्टर सेटिंग्स, मॉडुलन आवृत्ति, और प्रवर्धन प्रवर्धन का अनुकूलन करके, शोर कुशलतापूर्वक एक स्पष्ट XBIC संकेत की निकासी के लिए दबा दिया जा सकता है. इसी तरह के सेटअप एक्स-रे बीम प्रेरित वोल्टेज (XBIV) को मापने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है। मानक XBIC/XBIV माप के अलावा, XBIC को पूर्वाग्रह प्रकाश या पूर्वाग्रह वोल्टेज के साथ मापा जा सकता है ताकि सौर कोशिकाओं के बाहरी कार्य स्थितियों को इन-सीटू और ऑपेरान्डो माप के दौरान पुनरुत्पादित किया जा सके। अंततः, नैनोस्केल पर इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों के बहु-मोडल और बहु-आयामी मूल्यांकन संरचना, संरचना, और प्रदर्शन के बीच जटिल निर्भरता में नई अंतर्दृष्टि सक्षम बनाता है, जो सामग्री को हल करने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है' मिसाल.

Introduction

एक ऐसी दुनिया में जहां विद्युत ऊर्जा की मांग लगातार बढ़ रही है, एक स्वच्छ और टिकाऊ ऊर्जा स्रोत तेजी से आवश्यक है. इन मांगों से निपटने की एक संभावना फोटोवोल्टिक (पीवी ) प्रणाली1,2,3है . अगली पीढ़ी की सौर कोशिकाओं के विकास के लिए यह समझना आवश्यक है कि सौर कोशिकाओं की संरचना और संरचना उनके प्रदर्शन को कैसे प्रभावित करतीहै। सौर सेल के विकास में विशिष्ट प्रश्नों में शामिल हैं: किस प्रकार के दोष सबसे हानिकारक हैं, और वे5,6कहां स्थित हैं? क्या मौलिक वितरण में असमांगता है , और उनका प्रभाव7,8,9क्या है ? कैसे सौर कोशिकाओं मॉड्यूल विधानसभा और उम्र बढ़ने पर परिवर्तन10,11?

के रूप में एक सौर सेल केवल अपने सबसे कमजोर भाग के रूप में के रूप में अच्छा है, यह विशेष रूप से बहुक्रिस्टलीय सौर कोशिकाओं में प्रदर्शन पर compositional और संरचनात्मक भिन्नता के प्रभाव को समझने के लिए महत्वपूर्ण है कि inhomogeneities7से स्वाभाविक पीड़ित, 8.यह पतली फिल्म (टीएफ) सौर कोशिकाओं के लिए विशेष रूप से सच है, जिसमें माइक्रोमीटर रेंज में क्रिस्टलीय आकार के साथ अवशोषक परतें होती हैं। यहाँ, प्रदर्शन पर अनाज सीमाओं का प्रभाव उच्चतम ब्याज की है, लेकिन उनके छोटे आकार और तथ्य यह है कि वे एक पूरी परत ढेर में दफन कर रहे हैं अद्वितीय विशेषता चुनौतियों मुद्रा. इसके अलावा, सह-मौजूदा चरणों और आंतरिक ग्रेडिएंट्स के साथ बहु-घटक अवशोषक परतों के जटिल रसायन को परिष्कृत लक्षणीकरण विधियों12की आवश्यकता होती है।

Synchrotron आधारित हार्ड एक्स-रे माइक्रोस्कोप TF सौर कोशिकाओं की विशेषता चुनौतियों को पूरा करने में सक्षम हैं: वे एक्स-रे स्थान आकार प्रदान करने के लिए नीचे नैनोमीटर पैमाने13,14,15,16 और हार्ड एक्स-रे की प्रवेश गहराई दफन अवशोषक परतों सहित विभिन्न डिवाइस परतों17की जांच करने के लिए अनुमति देता है। एक स्कैनिंग एक्स-रे माइक्रोस्कोप पर विभिन्न माप तकनीकों के धन के साथ, यह एक साथ न सिर्फ एक अध्ययन करने के लिए संभव हो जाता है, लेकिन बहु मॉडल माप के भीतर सौर कोशिकाओं के कई अलग अलग पहलुओं और मनाया विशेषताओं सहसंबंधित करने के लिए. उदाहरण के लिए, एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान (XBIC) माप सफलतापूर्वक एक्स-रे फ्लोरोसेंट (XRF)7,18,19, एक्स-रे उत्साहित ऑप्टिकल luminscence (XEOL)20के साथ संयुक्त किया गयाहै, 21, और एक्स-रे विवर्तन (XRD)22 क्रमशः23संरचना, ऑप्टिकल प्रदर्शन, और संरचना के साथ विद्युत प्रदर्शन सहसंबंधित करने के लिए।

परीक्षण के तहत सौर कोशिकाओं या अन्य उपकरणों के XBIC माप के दौरान (DUT)24,25, घटना एक्स-रे फोटॉनों इलेक्ट्रॉनों और फोटॉनों से मिलकर कण बौछार बंद सेट, प्रति उत्साहित इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े की एक भीड़ में जिसके परिणामस्वरूप अर्धचालक अवशोषक सामग्री में घटना एक्स-रे फोटॉन। अंत में, इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े सौर सेल अवशोषक के बैंड किनारों के लिए थर्मल. इसलिए, इन एक्स-रे उत्तेजित प्रभारी वाहक चार्ज वाहक है कि बस सामान्य सौर सेल आपरेशन के दौरान bandgap के ऊपर ऊर्जा के साथ फोटॉनों के अवशोषण से उत्पन्न कर रहे हैं की तरह इलाज किया जा सकता है, और जिसके परिणामस्वरूप वर्तमान या वोल्टेज एक्स-रे के रूप में मापा जा सकता है किरण प्रेरित धारा23,26,27 या वोल्टेज (XBIV)28,29 इलेक्ट्रॉन बीम प्रेरित धारा (EBIC) या लेजर बीम प्रेरित वर्तमान (LBIC) की तरह अधिक आम माप के समान. नतीजतन, XBIC/XBIV संकेत न केवल अवशोषक परत की मोटाई पर निर्भर करता है, बल्कि डीयूटी के इलेक्ट्रिक प्रदर्शन पर भी, दोनों सूक्ष्म और स्थूल स्तर पर, स्थानीय बैंडगैप, Fermi-स्तर विभाजन, और पुनर्संयोजन सहित। इस प्रकार, हम आवेश-वाहक संग्रह दक्षता की स्थानीय विविधताओं को मैप करने में सक्षम हैं, जिसे इस संभावना के रूप में परिभाषित किया गया है कि अवशोषक परत में बाह्य उत्तेजित इलेक्ट्रॉन-होल युग्म डयूटी के विद्युत संपर्कों में एकत्र किया जाता है।

ध्यान दें कि केवल इलेक्ट्रॉन छेद जोड़े जो DUT के अवशोषक परत में उत्पन्न होते हैं XBIC/XBIV संकेत करने के लिए योगदान करते हैं। चार्ज वाहक धातु संपर्क या सब्सट्रेट के रूप में अन्य परतों में उत्पन्न तुरंत reombine जाएगा, के रूप में वे जंक्शन द्वारा अलग होने की कोई संभावना नहीं है. इसलिए, अन्य परतें केवल द्वितीयक प्रभावों जैसे परजीवी एक्स-रे अवशोषण या द्वितीयक फोटॉनों और इलेक्ट्रॉनों के उत्सर्जन के माध्यम से XBIC/XBIV माप को प्रभावित करती हैं जिन्हें अवशोषक परत में पुनः अवशोषित किया जा सकता है। इसके विपरीत, सभी परतों संभावित XRF संकेत करने के लिए योगदान.

यह देखते हुए कि XBIC और XBIV संकेत छोटे हो सकते हैं (अक्सर, उप-picoampere और नैनोवोल्ट रेंज में बदलाव ब्याज के हैं), संकेत आसानी से शोर में दफन कर रहे हैं. इसलिए, हम लॉक-इन प्रवर्धन का उपयोग करने के लिए XBIC और XBIV संकेतों को निकालने का सुझाव दिया30. इस प्रयोजन के लिए आने वाली एक्स-रे बीम को ऑप्टिकल हैलीकॉप्टर द्वारा संग्राहकित किया जाता है जैसा कि चित्र 1में दर्शाया गया है। इस मॉडुलन DUT द्वारा उत्पादित संकेत करने के लिए किया जाता है. इससे पहले कि संकेत लॉक-इन एम्पलीफायर (LIA) में खिलाया जाता है, एक पूर्व एम्पलीफायर (पीए) आम तौर पर एनालॉग-टू-डिजिटल कनवर्टर की सीमा के साथ कच्चे संकेत तीव्रता से मेल करने के लिए प्रयोग किया जाता है डिजिटल LIA के इनपुट पर. LIA संदर्भ संकेत के साथ संग्राहक माप संकेत घोला जा सकता है. एक कम पास फिल्टर को रोजगार से, केवल आवृत्तियों संदर्भ संकेत के करीब के माध्यम से पारित कर रहे हैं और31प्रवर्धित. यह एक शोर पृष्ठभूमि से XBIC या XBIV संकेत के एक प्रभावी निष्कर्षण के लिए अनुमति देता है.

प्रोटोकॉल में, हम कच्चे संकेत (प्रत्यक्ष वर्तमान, डीसी) और संग्राहक संकेत (वैकल्पिक वर्तमान, एसी) सहित सफल XBIC माप लेने के लिए आवश्यक आवश्यकताएँ और गतियाँ परिचय. तकनीकी विवरण का वर्णन करने के अलावा, हम PETRA III13में बीमलाइन P06 पर बहु-मोडल माप के संदर्भ में एक XBIC सेटअप पर चर्चा करते हैं। कृपया ध्यान दें कि, सबसे प्रयोगशाला प्रयोगों की तुलना में, हार्ड एक्स-रे नैनोप्रोब ्स ्ड में हच के वातावरण के लिए विशेष योजना और विचार की आवश्यकता होती है। विशेष रूप से, नैनोमीटर पैमाने पर संकल्प के साथ बहु-मोडल माप विशिष्ट बाधाओं की एक किस्म के साथ प्रयोगात्मक चुनौती। उदाहरण के लिए, इलेक्ट्रॉनिक शोर अक्सर piezo से महान आयाम के साथ मौजूद है चालित मोटर्स और अन्य उपकरणों, इस तरह डिटेक्टरों की बिजली की आपूर्ति के रूप में. इसके अलावा, उपकरणों और डिटेक्टरों की एक भीड़ एक दूसरे के साथ हस्तक्षेप और न ही कंपन inducing बिना अनुकूलित ज्यामिति पर व्यवस्था की जरूरत है. चित्रा 1 XRF और छोटे / चौड़े कोण एक्स-रे प्रकीर्णन (SAXS/WAXS) माप के साथ संयोजन में XBIC माप के लिए एक विशिष्ट सेटअप दर्शाया गया है.

Protocol

1. माप पर्यावरण की स्थापना

  1. लॉक-इन प्रवर्धित XBIC माप के लिए आवश्यकताएँ
    1. निम्नलिखित उपलब्ध है सुनिश्चित करें: एक नैनो या सूक्ष्म ध्यान केंद्रित एक्स-रे बीमलाइन; एक एक्स-रे हेलिकॉप्टर जो समय-समय पर एक्स-रे के बहुमत को अवशोषित करता है; एक पीए; एक LIA; हेलिकॉप्टर, पीए, और LIA के रिमोट कंट्रोल के लिए मॉड्यूल; एक डेटा अधिग्रहण (DAQ) प्रणाली; एक DUT.
  2. नमूना धारक निर्माण
    1. नमूना धारक के लिए एक शुद्ध गतिक आधार का प्रयोग करें. यह micrometer परिशुद्धता के भीतर करने के लिए नमूने फिर से स्थिति और मूल्यवान बीमटाइम बचाता है संभव बनाता है. इसके अलावा, यह अलग बढ़ते प्रणालियों के साथ विभिन्न माप प्लेटफार्मों भर में नमूनों की स्थिति के लिए अनुमति देता है.
    2. नमूना धारक को इस तरह से डिजाइन करें कि यह नमूने के आसपास निकटता में विभिन्न डिटेक्टरों को रखने के लिए अधिकतम स्वतंत्रता प्रदान करता है, जबकि एक्स-रे पारदर्शी नमूने और माप तकनीकों जैसे SAXS या WAXS के साथ संगत किया जा रहा है। आमतौर पर, यह कम से कम नमूना धारक आकार में अनुवाद, नैनोमीटर पैमाने के नीचे कठोरता और हल्के जा रहा है।
    3. XBIC माप के लिए इलेक्ट्रॉनिक डिवाइस के लिए एक माउंट के रूप में इस्तेमाल किया जा करने के लिए एक मुद्रित सर्किट बोर्ड (पीसीबी) डिजाइन. हालांकि एक समाक्षीय केबल के लिए प्रत्यक्ष कनेक्शन के साथ एक समर्पित पीसीबी सख्ती से बोल आवश्यक नहीं है, यह ढीला तारों की तुलना में शोर की कमी में एक महत्वपूर्ण भूमिका निभा सकते हैं, जहां तारों एंटीना के रूप में कार्य.
      नोट: आदर्श रूप में, एक Faraday पिंजरे नमूना विद्युत चुम्बकीय क्षेत्र से ढाल होगा. हालांकि, यह माप geometries के साथ संगत नहीं ज्यादातर मामलों में है.
  3. नमूना संपर्क
    1. पीसीबी पर इलेक्ट्रॉनिक DUT गोंद| DUT के बाद हटाने के लिए सामग्री और आवश्यकताओं पर निर्भर करता है, यह नेल पॉलिश, तत्काल गोंद, समग्र गोंद, या सिलिकॉन गोंद का उपयोग करने के लिए सिफारिश की है.
    2. सुनिश्चित करें कि कोई बढ़ते हिस्सा या तारों घटना एक्स-रे बीम ब्लॉक और XRF माप के लिए इस तरह के रूप में कार्यरत किसी भी अन्य डिटेक्टरों की दृष्टि की लाइन में बाधा डालता है।
    3. DUT के दोनों टर्मिनलों से संपर्क करें.
      नोट: इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों से संपर्क करने के लिए विभिन्न तरीके हैं, और सबसे अच्छा विकल्प विशिष्ट नमूना गुण है, जहां आसंजन, रासायनिक या यांत्रिक प्रतिरोध पर निर्भर करता है, और उपलब्ध स्थान एक या किसी अन्य संपर्क विधि के लिए तर्क कर रहे हैं।
    4. सामने संपर्क कनेक्ट (घटना एक्स-रे बीम का सामना करना पड़ ऊपर संपर्क) समाक्षीय केबल की ढाल के साथ।
    5. वापस संपर्क (डाउनस्ट्रीम संपर्क) समाक्षीय केबल के कोर के साथ कनेक्ट करें।
    6. सामने संपर्क (समाक्षीय केबल की ढाल) जमीन.
      नोट: आने वाली बीम DUT से इलेक्ट्रॉनों के निष्कासन की ओर जाता है, जो माप सर्किट में एक मुआवजा वर्तमान की ओर जाता है जो आसानी से XBIC के रूप में गलत अर्थ लगाया जाता है। इसलिए, सामने संपर्क हमेशा23आधारित होना चाहिए. यह संभावित विविधताओं को कम करने के लिए विभिन्न ग्राउंडिंग तरीकों का परीक्षण करने के लिए आवश्यक हो सकता है।
    7. एक शुद्ध गतिका आधार, एक एल्यूमीनियम धारक, और दो समाक्षीय कनेक्टर्स में से एक से जुड़े एक सौर सेल के साथ एक पीसीबी से मिलकर एक नमूना धारक के एक उदाहरण के रूप में चित्र 2 पर विचार करें.
  4. नमूना और डिटेक्टरों की व्यवस्था
    1. धारक पर नमूना माउंट.
    2. नमूना चरण पर नमूना धारक माउंट.
    3. एक्स-रे बीम के फोकस में मंच के रोटेशन के केंद्र रखें।
    4. रोटेशन चरण के रोटेशन के केंद्र में नमूना रखें।
    5. मंच को इस तरह घुमाएं कि ब्याज का विमान बीम पदचिह्न को कम करने और स्थानिक संकल्प को अधिकतम करने के लिए घटना बीम के लंबवत है।
    6. बहु मॉडल माप के मामले में, नमूने के आसपास डिटेक्टर (ओं) जगह है.
      नोट: एक्स-रे प्रकाशिकी पर निर्भर करता है, नमूने के ऊपर डिटेक्टरों जगह करने के लिए थोड़ा कमरा है। गैर-एक्स-रे-पारदर्शी नमूनों के लिए, फ्लोरोसेंस डिटेक्टर को 10-20 डिग्री के कोण के नीचे एक्स-रे फोकस बिंदु पर नमूना विमान को देखना चाहिए ताकि ब्याज के तत्वों के लिए आत्म-अवशोषण और प्रकीर्णन से मायने रखता है कम से कम हो।
  5. हेलिकॉप्टर स्थापना
    1. एक motorized चरण माउंट, एक्स-रे बीम करने के लिए सीधा ले जाने की क्षमता के साथ, नमूना के ऊपर.
      नोट: हालांकि इस motorized चरण आवश्यक नहीं है, यह में और बाहर Hatch में प्रवेश करने के बिना एक्स-रे बीम से हेलिकॉप्टर ले जाने के लिए अनुमति देता है, इस प्रकार उच्च थ्रूपुट और अधिक से अधिक स्थिरता को सक्षम करने.
    2. आने वाले संकेत को मॉड्युलेट करने के लिए मोटर चालित चरण पर एक ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर स्थापित करें।
      नोट: आदर्श रूप में, हेलिकॉप्टर दूर नमूना के ऊपर रखा गया है इस तरह है कि यह एक्स-रे प्रकाशिकी या मोटर या हवा अशांति द्वारा नमूना पर किसी भी कंपन प्रेरित नहीं करता है, क्रमशः. फिर भी, 100 एनएम से नीचे कंपन आयाम के साथ अच्छे परिणाम हेलिकॉप्टर पहिया के रूप में बंद किया जा रहा है के साथ प्राप्त किया गया है 10 नमूने के लिए मिमी, जबकि काट पर gt; 6 kHz.
  6. पृष्ठभूमि प्रकाश की कमी
    1. जब भी संभव हो हच में प्रकाश के स्रोतों को बंद करें और एलआईए और हेलिकॉप्टर व्हील नियंत्रक पर किसी भी छोटी रोशनी सहित किसी भी अन्य को ढालें। कुछ बीमलाइन्स पर, एक प्रकाश है कि चालू है जब हच खोजा जाता है. हालांकि, इस प्रकाश पर माप के दौरान नहीं रहना चाहिए.

2. XBIC माप की स्थापना

  1. आवश्यक हार्डवेयर घटकों और तारों के एक योजनाबद्ध प्रतिनिधित्व के लिए चित्र 1 देखें.
  2. एक पूर्व एम्पलीफायर का सेटअप
    1. नमूने की निकटता में एक पीए प्लेस.
      नोट: कुछ LIAs एक एकीकृत पीए के साथ आते हैं. इस स्थिति में, PA सेटिंग्स LIA के लिए सेटिंग्स के लिए एक समान तरीके से लागू होते हैं।
    2. हच में प्रवेश किए बिना प्रवर्धन सेटिंग्स के दूरस्थ परिवर्तन को सक्षम करने के लिए हच के बाहर एक नियंत्रण इकाई के लिए PA कनेक्ट करें। आदर्श रूप में, नियंत्रण इकाई बीमलाइन नियंत्रण से जुड़ा है, और पीए सेटिंग्स स्वचालित रूप से दर्ज की जाती हैं।
    3. एक स्वच्छ बिजली सर्किट से पीए पावर.
      नोट: वैक्यूम पंप की तरह उपकरणों बिजली सर्किट प्रदूषित कर सकते हैं और इसलिए इस तरह के पीए और LIA कि माप संकेत करने के लिए बिजली की आपूर्ति में बदलाव स्थानांतरित कर सकते हैं के रूप में उच्च परिशुद्धता इलेक्ट्रॉनिक्स से अलग से संचालित किया जाना चाहिए। इस कारण से, बीमलाइन्स में आमतौर पर स्वच्छ और प्रदूषित बिजली सर्किट होते हैं। कई एम्पलीफायरों भी बैटरी से संचालित किया जा सकता है.
    4. नमूना माउंट पर BNC कनेक्टर के माध्यम से नमूना कनेक्ट करें।
    5. सुनिश्चित करें कि नमूना तारों तनाव से राहत मिली है ताकि यह नमूना आंदोलनों को प्रतिबंधित नहीं करेगा.
    6. यदि XBIC संकेत शॉर्ट-सर्किट स्थितियों के तहत नहीं मापा जाएगा पीए के माध्यम से एक पूर्वाग्रह वोल्टेज लागू करें. यदि XBIV संकेत खुले सर्किट की स्थिति के तहत मापा जाएगा किसी भी पूर्वाग्रह वोल्टेज लागू नहीं है.
    7. माप शर्तों के तहत ड्यूट के सिग्नल आयाम को मापने (यानी, आमतौर पर अंधेरे में) और काम करने की स्थिति के तहत (उदा., कमरे में प्रकाश और बीमलाइन माइक्रोस्कोप प्रकाश के साथ) सिग्नल रेंज का परीक्षण करने के लिए।
    8. सुनिश्चित करें कि DUT के सिग्नल आयाम पीए के इनपुट रेंज से मेल खाता है, और उच्च संकेत शर्तों के तहत oversaturation से बचने के लिए सावधानियों ले (जैसे, कमरे की रोशनी पर दिया), के रूप में oversaturation पीए को नष्ट कर सकते हैं.
    9. सुनिश्चित करें कि PA की संवेदनशीलता इसके आउटपुट श्रेणी और LIA के इनपुट श्रेणी से मेल खाता है। यह न्यूनतम संवेदनशीलता पर पीए के प्रवर्धन रखने के लिए अच्छा अभ्यास है जब भी कोई माप आकस्मिक oversaturation से बचने के लिए चल रहा है.
    10. DUT PA करने के लिए कनेक्ट करें। छोटे संकेत आयाम को देखते हुए, तारों को कम रखने के लिए महत्वपूर्ण है।
      नोट: XBIC संकेत ले जाने केबल अन्य केबलों के साथ intertwined नहीं किया जाना चाहिए के रूप में इन शोर प्रेरित हो सकता है. वे XRF के लिए उपयोग किया जाता है के रूप में शोर के सूत्रों चरणों और डिटेक्टरों स्कैनिंग शामिल हैं. शोर को कम करने के लिए विभिन्न तार पदों का परीक्षण किया जा सकता है। आगे शोर में कमी के लिए, तार जमीन एल्यूमीनियम पन्नी या triaxial केबल में लपेटा जा सकता है इस्तेमाल किया जा सकता है.
    11. डीसी (सकारात्मक और नकारात्मक) और संग्राहक एसी घटकों को अलग से रिकॉर्ड करने के लिए पूर्व-एम्प्लिफाइड संकेत को तीन समानांतर संकेत शाखाओं में विभाजित करें।
      नोट: वैकल्पिक संकेत पथ चर्चा अनुभाग के भाग (क) में बताए गए हैं.
    12. वोल्टेज-टू-आवृत्ति (V2F) कनवर्टर करने के लिए दो संकेत शाखाओं कनेक्ट, जिनमें से एक उल्टे इनपुट संकेत सीमा के साथ नकारात्मक डीसी संकेत को स्वीकार करने के लिए.
  3. एक लॉक-इन एम्पलीफायर के विद्युत सेटअप
    1. हच दर्ज किए बिना प्रवर्धन सेटिंग्स के दूरस्थ परिवर्तन को सक्षम करने के लिए हच के बाहर एक नियंत्रण इकाई के लिए LIA कनेक्ट करें। आदर्श रूप में, नियंत्रण इकाई बीमलाइन नियंत्रण करने के लिए कनेक्ट किया गया है, और LIA सेटिंग्स स्वचालित रूप से रिकॉर्ड किए जाते हैं।
    2. एक साफ बिजली सर्किट से LIA पावर और संभवतः शोर उपकरणों से एक दूरी पर रहते हैं।
    3. सुनिश्चित करें कि PA का आउटपुट LIA के इनपुट सभी शर्तों के अंतर्गत, oversaturation के रूप में LIA क्षतिग्रस्त कर सकते हैं। यह अपनी अधिकतम पर LIA इनपुट रेंज रखने के लिए अच्छा अभ्यास है जब भी कोई माप आकस्मिक oversaturation से बचने के लिए चल रहा है.
    4. LIA में संदर्भ संकेत के रूप में ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर से मॉडुलन आवृत्ति फ़ीड.
      नोट: संदर्भ आवृत्ति या तो LIA के एक थरथरानवाला द्वारा प्रदान किया जा सकता है, हेलिकॉप्टर ड्राइविंग और इस प्रकार दूर से इसे नियंत्रित करने की अनुमति, या LIA के लिए एक संदर्भ के रूप में हेलिकॉप्टर नियंत्रक से इनपुट किया जा रहा है. दोनों का एक संयोजन भी संभव है.
    5. पूर्व-एम्प्लायड XBIC संकेत की तीसरी शाखा को LIA इनपुट से कनेक्ट करें।
    6. ड्यूट के एनालॉग एसी संकेत के रूप में लॉक-इन प्रवर्धित संकेत के रूट-मीन-वर्ग (आरएमएस) आयाम आउटपुट।
      नोट:  के रूप में हमेशा सकारात्मक है, संकेत का विभाजन और एक शाखा के व्युत्क्रमण के रूप में इतने लंबे समय के रूप में V2F कनवर्टर पर संकेत इनपुट नकारात्मक नहीं है आवश्यक नहीं है. यदि चरण सूचना भी अभिलिखित की जाएगी, तो यह सिफारिश की जाती है कि चरण के अतिरिक्त, या इन-फेज घटक और द्विघात घटक का उत्पादन किया जाए।
    7. LIA का आउटपुट किसी तृतीय V2F चैनल से कनेक्ट करें।
    8. संबंधित समय और पिक्सेल जानकारी के साथ तीन XBIC संकेत घटकों को संग्रहीत करने के लिए DAQ इकाइयों और बीमलाइन सॉफ्टवेयर के लिए V2F कनवर्टर कनेक्ट करें।
      नोट: XBIC DAQ के लिए V2F कनवर्टर करने के लिए वैकल्पिक विधियाँ हैं। उदाहरण के लिए, पीए और LIA से वोल्टेज उत्पादन सीधे digitized किया जा सकता है, या एम्पलीफायरों के डिजिटल readout बीमलाइन नियंत्रण प्रणाली में एकीकृत किया जा सकता है. हालांकि, प्रस्तुत दृष्टिकोण सबसे synchron beamlines के साथ संगत है, के रूप में V2F कनवर्टर आम तौर पर उपलब्ध हैं.

3. XBIC माप

  1. अच्छी तरह से अनुकूल XBIC माप शर्तों का चयन
    1. स्कैनिंग गति, हेलिकॉप्टर आवृत्ति, और कम पास फिल्टर सेटिंग्स के व्यापार बंद से सावधान रहें के रूप में पांडुलिपि में बाद में चर्चा की.
  2. XBIC माप पैरामीटर को अनुकूलित करना
    1. सुनिश्चित करें कि DUT hatch में सभी रोशनी से परिरक्षित है.
    2. न्यूनतम करने के लिए पीए और LIA के सभी प्रवर्धन सेट करें, और इनपुट श्रेणियों oversaturation से बचने के लिए अधिकतम करने के लिए.
    3. हेलिकॉप्टर की आवृत्ति सेट करें, जो संकेत की मॉडुलन आवृत्ति और इसके demodulation के लिए संदर्भ आवृत्ति है.
      नोट: अंगूठे के एक नियम के रूप में, चयनित आवृत्ति की बाधाओं के तहत के रूप में उच्च होना चाहिए (क) DUT की तेजी से पर्याप्त प्रतिक्रिया, (ख) तेजी से पर्याप्त प्रवर्धन श्रृंखला, (ग) हेलिकॉप्टर द्वारा प्रेरित कंपन के स्वीकार्य स्तर. इसके अलावा, आवृत्तियों कि आम शोर आवृत्तियों के गुणकों जैसे 50/60 हर्ट्ज या 45 kHz से बचा जाना चाहिए.
    4. पीए के प्रवर्धन सेट इस तरह है कि (क) अधिकतम उत्पादन आयाम LIA की अधिकतम इनपुट रेंज के भीतर अच्छी तरह से है और (ख) पीए की प्रतिक्रिया चुना हेलिकॉप्टर आवृत्ति के लिए काफी तेजी से है. इस व्यापार में प्रवर्धक सेटिंग्स के अनुकूलन के लिए, हम चर्चा अनुभाग के उपधारा (इ) को संदर्भित करते हैं।
      चेतावनी: DUT पर अधिक फोटॉनों की अनुमति देने से पहले (उदाहरण के लिए, जब हच में प्रवेश), एम्पलीफायरों फिर से सेट करने के लिए अपने अधिकतम इनपुट रेंज और उनके न्यूनतम प्रवर्धन के लिए अधिभार से बचने के लिए. आदर्श रूप से, यह सीधे स्कैन आदेश में लागू किया गया है।
    5. सबसे मजबूत संकेत के साथ ब्याज के क्षेत्र के लिए पूर्व amplification के बाद संकेत आयाम मैच के लिए LIA के इनपुट रेंज सेट करें.
    6. LIA में, विभाजित और हेलिकॉप्टर से संदर्भ संकेत और प्रतिनिधि परिणामों की उपधारा (ग) में चर्चा के रूप में एक 90 चरण बदल संदर्भ संकेत के साथ DUT से संकेत मिश्रण.
    7. कम पास फिल्टर आवृत्ति LIA स्कैनिंग गति के साथ संगत है कि कम से कम करने के लिए सेट करें।
      नोट: अंगूठे के एक नियम के रूप में, यह काट आवृत्ति के नीचे परिमाण के कम से कम एक आदेश के लिए सेट, और नमूना दर से ऊपर परिमाण का एक आदेश. आदर्श रूप में, कम पास फिल्टर आवृत्ति आम शोर आवृत्तियों पारित नहीं कर रहे हैं कि इस तरह चुना जाना चाहिए, सबसे महत्वपूर्ण बात नीचे 50/ विवरण के लिए, हम प्रतिनिधि परिणामों की उपधारा (e) को संदर्भित करते हैं.
    8. लॉक-इन प्रवर्धित संकेत के एनालॉग आउटपुट के लिए प्रवर्धन स्केल सेट करें ताकि यह V2F की इनपुट श्रेणी से मेल खाता हो और यह इससे अधिक न हो।
    9. संतृप्ति को रोकने के लिए निम्न उपकरणों के इनपुट रेंज के अनुसार प्रवर्धक outputs के लिए नरम या हार्डवेयर सीमा सेट करें।
  3. XBIC माप लेना
    नोट: XBIC माप के लिए सेट उचित प्रवर्धन मापदंडों के साथ, और स्वचालित नियंत्रण और readout लागू, वहाँ कोई आगे एक स्कैन शुरू करने से XBIC माप लेने के लिए आवश्यक कार्रवाई है.
  4. XBIC डेटा के बाद प्रसंस्करण
    1. डेटा अधिग्रहण इकाई के लिए DUT से संकेत श्रृंखला के साथ जाओ, जहां संकेत गिनती दर (Hz) के रूप में सहेजा जाता है, गिनती दर वापस एक वर्तमान में परिवर्तित करने के लिए.
      1. पीए पर प्रवर्धन कारक (V/A) प्राप्त करें, जहां संकेत (एम्पीयर में मापा जाता है) प्रवर्धित होता है और वोल्टेज में परिवर्तित हो जाता है।
      2. एलआईए में प्रवर्धन कारक (V/V) प्राप्त करें।
      3. आवृत्ति श्रेणी (Hz) पर प्रक्षेपित V2F कनवर्टर की वोल्टता स्वीकृति श्रेणी (V) प्राप्त करें.
      4. अतिरिक्त तरंग कारकों पर विचार करें: LIA के उत्पादन संकेत RMS आयाम है, लेकिन ब्याज का संकेत संग्राहक इनपुट संकेत के शिखर से पीक मूल्य है.
    2. DAQ द्वारा सॉर्ट आवृत्ति मान से एम्पीयर में XBIC मान प्राप्त करने के लिए निम्न समीकरण में रूपांतरण शब्द के साथ प्रत्येक पिक्सेल की गणना दर गुणा करें:
      (1) के साथ ,
      जहां एक कारक है जो मॉडुलन32के तरंग पर निर्भर करता है.
      नोट: एक आने वालीसाइन लहर के लिए, ; एक त्रिकोण लहर के लिए, ; और एक वर्ग लहर के लिए, . हार्ड एक्स-रे नैनोप्रोब्स पर पतली फिल्म सौर कोशिकाओं की माप के लिए विशिष्ट मूल्य हैं: , , , .
    3. topological विविधताओं के लिए कच्चे XBIC संकेत के अंतिम सुधार के लिए, का उपयोगकरें 28:
      (2) ,
      के साथ जा रहा है एक्स-रे क्षीणन गुणांक33 और अवशोषक तत्व है जो एक साथ XRF माप17के माध्यम से मापा जा सकता है के लिए बड़े पैमाने पर घनत्व .
    4. प्रभारी संग्रह दक्षता में XBIC संकेत के अंतिम रूपांतरण के लिए,23का उपयोग करें:
      (3) ,
      जहां और इलेक्ट्रॉन छेद युग्मों की उत्पादन और संग्रह दर हैं, घटना फोटॉनों की दर है, प्राथमिक आवेश है, और एक सामग्री स्थिरांक है.
    5. सामग्री स्थिरांक के अंतिम गणना के लिए, का उपयोग करें:
      (4) ,
      जहां घटना एक्स-रे फोटॉन प्रति ड्यूट के अवशोषक परत में जमा ऊर्जा है, अवशोषक सामग्री के bandgap है, और एक स्थिर है.
      नोट: कारक इलेक्ट्रॉन छेद जोड़ी पीढ़ी की ऊर्जा दक्षता के लिए खातों. प्राय :23,34 के रूप में सन्निकट होता है .
    6. इंजेक्शन स्तर के अंतिम आकलन के लिए, XBIC संकेत से, का उपयोग करें:
      (5) ,
      जहां सूर्य समकक्ष की संख्या के रूप में व्याख्या की है, एक्स-रे बीम पार अनुभाग है, और मानक माप शर्तों के तहत शॉर्ट सर्किट वर्तमान घनत्वहै 35.

Representative Results

XBIC माप के लिए लॉक-इन प्रवर्धन का उपयोग करने का मुख्य लाभ मानक प्रवर्धन के साथ माप की तुलना में संकेत-से-शोर अनुपात की नाटकीय वृद्धि है। माप सेटिंग्स जो सफल लॉक-इन-एम्प्लाय्ड XBIC माप के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण हैं पहले पांच अनुभागों में चर्चा की जाएगी। वे हैं: (क) संकेत मॉडुलन; (ख) पूर्व-प्रवर्धन; (ग) एलआईए में सिगनल मिश्रण; (घ) एलआईए की कम-पास फिल्टर आवृत्ति; (e) एलआईए का लो-पास फिल्टर रोल-ऑफ।

इन सेटिंग्स के प्रभावों के चित्रण चित्र 3, चित्र 4, चित्र 6में प्रदशत किए गए हैं । माप के लिए, एक प्रयोगशाला सेटअपएक ऑप्टिकल हेलिकॉप्टर द्वारा 2177.7 हर्ट्ज पर संग्राहक एक एक्स-रे बीम के स्थान पर एक लाल लेजर ( ) का इस्तेमाल किया। फ्लोरोसेंट ट्यूब पूर्वाग्रह प्रकाश के लिए एक स्रोत के रूप में सेवा की. DUT एक पतली फिल्म सौर सेल एक Cu (इन, Ga)Se2 (CIGS) अवशोषक के साथ था. हालांकि विभिन्न माप सेटिंग्स अन्य DUT के लिए चुना जाएगा, सामान्य उपयुक्त सेटिंग्स खोजने के लिए यहाँ वर्णित दिशा निर्देशों ऐसे अलग अवशोषक परतों या नैनोवायर के साथ सौर कोशिकाओं के रूप में DUT की एक किस्म के लिए मान्य हैं. पीए का उपयोग प्रवर्धन कारक के साथ किया गया था . यहाँ चर्चा प्रभाव अन्य पूर्व एम्पलीफायरों के लिए समान रूप से लागू होते हैं. और कुछ भी निर्दिष्ट नहीं है, तो LIA के कम-पास फ़िल्टर रोल-ऑफ़ 48 dB/

निम्नलिखित वर्गों (f)-(i) अन्य माप मोड के साथ संयोजन के रूप में XBIC माप की संभावनाओं और चुनौतियों को प्रदर्शित करने के लिए अनुकरणीय परिणाम दिखाते हैं। (च) में, फ्लाई-स्कैनिंग मोड में XBIC माप की विशिष्ट चुनौतियों पर चर्चा की जाती है। में (g), XBIC और XRF माप एक CIGS सौर सेल के संयुक्त रहे हैं, और लॉक में प्रवर्धन के प्रभाव पूर्वाग्रह लागू वोल्टेज के साथ चर्चा की है. में (ज), XBIV एक CIGS सौर सेल के लिए एक माप मोड के रूप में जोड़ा जाता है. में (i), XBIC और एक CdS नैनोवायर के XRF से compositional डेटा दिखाए जाते हैं. अनुभागों में सभी XBIC माप के लिए (f) करने के लिए (i), हम सामग्री और अभिकर्मकों की तालिका में निर्दिष्ट के रूप में एक पीए और एक LIA इस्तेमाल किया.

(क) आवक सिग्नल का मॉडुलन

चित्र 3 (ऊपर पंक्ति) के बिना और (नीचे पंक्ति) पूर्वाग्रह प्रकाश चालू के साथ एक क्षेत्र द्वारा मापा पूर्व amplified DUT प्रतिक्रिया से पता चलता है. पीए voltages के लिए धाराओं धर्मान्तरित के रूप में, प्रदर्शित संकेत वोल्ट में है. यह सौर सेल के संपर्क के कारण नकारात्मक है, पी- और एन-प्रकार के संपर्कों के साथ क्रमशः पीए के इनपुट की ढाल और कोर से जुड़े। XBIC मापन में, सौर सेल संपर्क अनुभाग 1.3.6 में चर्चा के रूप में सामने संपर्क की आवश्यक ग्राउंडिंग द्वारा नियंत्रित होता है. प्रोटोकॉल की.

चित्र 3क तथा चित्र 3Dकी तुलना में हम 8 उV के क्रम पर ऑफसेट संकेत नोट करते हैं जिसे फ्लोरोसेंट ट्यूबों से बायस प्रकाश को मोड़कर -65 उ.मी. इसके अलावा, कम timescales पर संकेत भिन्नता काफी पूर्वाग्रह प्रकाश द्वारा बढ़ाया है. लगभग 70 एमवी के इस तरह के एक पूर्वाग्रह ऑफसेट समस्याग्रस्त साबित कर सकते हैं, पीए और LIA की स्वीकृति रेंज में सीमा के कारण. जैसा कि हम पीए की पूरी रेंज का उपयोग करना चाहते हैं, चित्रा 3A-C में के रूप में एक छोटा सा ऑफसेट बेहतर है। इसलिए, अनजाने पूर्वाग्रह के सभी स्रोतों, जैसे परिवेश प्रकाश, समाप्त किया जाना चाहिए।

चित्रा 3बी, ब् ,,एफमेंप्रदर्शित के रूप में एक कटा फोटॉन स्रोत जोड़ना, एक ही राशि से प्रेरित संकेत बढ़ जाती है - लगभग 66 एमवी - दोनों के साथ और पूर्वाग्रह प्रकाश के बिना, जब बीम हेलिकॉप्टर ब्लेड के माध्यम से गुजरता है; जब बीम ब्लेड द्वारा अवरुद्ध है, संकेत संबंधित ऑफसेट के स्तर पर रहता है, के रूप में की उम्मीद है. हेलिकॉप्टर की आवृत्ति एमएस की अवधि के साथ चित्र 3ख और 3ई के संकेत में अलग है।

चित्र 3D-Fमें, हम 90 kHz की आवृत्ति पर एक अतिरिक्त मॉडुलन नोट करते हैं। इस उच्च आवृत्ति मॉडुलन का स्रोत फ्लोरोसेंट ट्यूब के इलेक्ट्रॉनिक गिट्टी है, जो 45 kHz पर संचालित है. हालांकि लॉक-इन प्रवर्धन विभिन्न मॉडुलन आवृत्तियों से योगदान को अलग करने में सक्षम है, जैसा कि चित्र 6में दिखाया जाएगा, शोर संकेत की कमी एक अच्छा माप के लिए सर्वोपरि है। परिवेश प्रकाश सिर्फ एक संभव स्रोत है, लेकिन अन्य इलेक्ट्रॉनिक्स भी शोर प्रेरित कर सकते हैं, जो तो संकेत पर आरोपित किया जाएगा. ध्यान दें कि पूर्वाग्रह प्रकाश हमेशा अवांछित शोर नहीं है, लेकिन अक्सर पूर्वाग्रह प्रकाश उद्देश्य पर लागू किया जाता है ऑपरेटिंग स्थितियों में DUT सेट.

चित्र 3ठ,ब्,म्,में हम आगे नोट करते हैं कि विकिरण तीव्रता के परिवर्तन पर डीयूटी की अनुक्रिया में विलंब होता है। ये वृद्धि समय प्रभाव अगले खंड में अधिक से अधिक विस्तार से चर्चा की जाएगी और दो अलग अलग प्रभाव से यहाँ शुरू: पहले, खड़ी वृद्धि और 2177.7-Hz मॉडुलन पर DUT प्रतिक्रिया की कमी पीए में कम पास फिल्टर द्वारा देरी हो रही है. दूसरा, यह संकेत धीमे समय मानों पर बढ़ता रहता है (उदा., चित्र 3ंमें 0ण्68 तथा 0ण्80 दउ के बीच दृश्यमान) जिसे हम सौर सेल में दोष अवस्थाओं के व्यवसाय गतिजता के लिए गुणित करते हैं।

(ख) पूर्व-प्रवर्धन

पीए न केवल DUT के संग्राहक संकेत amplifies लेकिन काफी अपनी लहर फार्म बदल सकते हैं. जैसा कि ऊपर विस्तृत, सौर सेल के संपर्क ऐसे हैं कि एक नकारात्मक वोल्टेज रोशनी पर मापा जाता है. चित्र 4में दर्शाए मापों के लिए कोई बायस प्रकाश नहीं जोड़ा गया था.

माप वृद्धि फिल्टर वृद्धि समय के साथ लिया गया उनके प्रभाव का प्रदर्शन करने के लिए जब प्रवर्धन शक्ति स्थिर आयोजित किया जाता है. कई मामलों में, फिल्टर वृद्धि बार हार्डवेयर प्रवर्धन करने के लिए युग्मित कर रहे हैं. मजबूत प्रवर्धन है, अब प्रतिक्रिया समय है, और छोटे पीए36,37में कम पास फिल्टर की कट-ऑफ आवृत्ति है।

चित्रा 4के शीर्ष पैनल में 10 डिग्री की वृद्धि के समय के साथ, संकेत मुश्किल से देरी हो रही है, लगभग 10 एमवी से -65 एमवी तक नाममात्र पीक-टू-पीक रेंज तक फैली हुई है, और शिखर मूल्यों पर पठारों तक पहुंचती है। 100 डिग्री फिल्टर वृद्धि समय के साथ, देरी प्रभाव संग्राहक संकेत में दिखाई दे रहे हैं, लेकिन मॉडुलन अभी भी अलग है और आयाम 10 डिग्री के लिए के रूप में एक समान श्रेणी में है। 1 ms का फ़िल्टर वृद्धि समय मॉडुलन (0ण्46 ms) की अवधि से अधिक है. इसलिए, मॉडुलन 10 एमवी से नीचे आयाम को दबा दिया जाता है और आकार केवल बढ़ती और गिरने बढ़त है, जो स्पष्ट रूप से मात्रात्मक XBIC माप के लिए अनुकूल नहीं है की शुरुआत को दर्शाता है. लाभ और फिल्टर वृद्धि समय के बीच इस संबंध को विशेष रूप से तेजी से मॉडुलन आवृत्तियों के संयोजन के लिए मन में रखा जाना है, मजबूत प्रवर्धन के साथ.

(ग) सिग्नल मिश्रण

मानक संकेत प्रवर्धन और लॉक-इन प्रवर्धन के बीच महत्वपूर्ण अंतर एक संदर्भ संकेत के साथ ड्यूट संकेत का मिश्रण है और एक कम पास फिल्टर द्वारा उच्च आवृत्तियों के बाद दमन है।

मिश्रण के लिए संकेत पथ चित्र 5में दर्शाया गया है। संकेत मिश्रण की चर्चा के लिए, कुछ सरलीकरण किए जाते हैं। संदर्भ संकेत एक sinusoidal संकेत के रूप में वर्णित किया जा सकता है

(6) ,

आयाम कहाँ है और संदर्भ संकेत के मॉडुलन आवृत्ति है. LIA में खिलाया DUT के संग्राहक संकेत के रूप में एक समान फैशन में प्रतिनिधित्व किया जा सकता है

(7) ,

आयाम कहाँ है और ड्यूट संकेत के मॉडुलन आवृत्ति है, और संदर्भ संकेत करने के लिए ड्यूट संकेत का एक चरण ऑफसेट है.

से निम्नलिखित (1) और (2), मिश्रित संकेत है:

(8) |

ड्यूट की मॉडुलन आवृत्ति संदर्भ आवृत्ति है, . इसलिए, त्रिकोणमिति सिद्धांत

(9) 

विभिन्न आवृत्तियों के साथ दो शब्दों के योग के रूप में फिर से लिखना करने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है:

(10) |

कम पास फिल्टर तेजी से संकेत इस तरह कम है कि लॉक में प्रवर्धित संकेत अनुमानित किया जा सकता है38,39 के रूप में

(11) |

संदर्भ संकेत के साथ मिश्रित DUT संकेत में चरण घटक कहा जाता है, और 90 डिग्री चरण-स्थानांतरित संदर्भ के साथ मिश्रित ड्यूट संकेत क्वाड्रेचर घटक कहा जाता है:

(12) 

(13) |

से EQ. (12) और (13), RMS आयाम

(14)

साथ ही प्रावस्था

(15)

मिश्रित संकेत के दो तर्क आर्कस स्पर्शरेखा समारोह के साथ प्राप्त किया जा सकता है. कई LIA माप के दौरान शून्य करने के लिए सेट करने के लिए एक आंतरिक चरण समायोजित किया है।

(घ) कम-पास फ़िल्टर आवृत्ति

चित्र 6 लॉक-इन प्रवर्धित आरएमएस आयाम पर बायस प्रकाश और विभिन्न निम्न-पास फिल्टर सेटिंग्स के प्रभाव को दर्शाता है। हम एक साथ अलग फिल्टर मापदंडों से उत्पन्न संकेत रिकॉर्ड करने के लिए हमें अनुमति दी है कि एक LIA इस्तेमाल किया.

एक कम पास फिल्टर की कट-ऑफ आवृत्ति आवृत्ति को परिभाषित करती है, जिस पर सिग्नल को 50% तक कम किया जाता है। कम आवृत्तियों प्रेषित कर रहे हैं, जबकि उच्च आवृत्तियों दबा रहे हैं. चित्र 6क,म् प्रत्यक्ष संकेत को 466.7 KHz के साथ दिखाता है, जो प्रभावी रूप से शोर या निम्न आवृत्ति मॉडुलन को समाप्त नहीं करता है, लेकिन उन्हें कच्चे सिग्नल के साथ पास करने देता है। आरएमएस  आयाम में कच्चे पूर्व-एम्प्लीकृत संकेत का रूपांतरण आवृत्तियों के लिए पर्याप्त रूप से नीचे का एक अतिरिक्त कारक की ओर जाता है। उदाहरण के लिए, एक निरंतर इनपुट वोल्टेज के रूप में उत्पादन है.

जबकि चित्र 6E में औसत ऑफसेट पूर्वाग्रह प्रकाश (औसत 2 उV में) के बिना नगण्य है, यह बायस प्रकाश के साथ लगभग 75 उV के औसत तक बढ़ जाता है (चित्र 6क) । यह अंतर चित्र 3क और चित्र 3के बीच तुलनीय शक्ति का है, लेकिन सावधान रहना चाहिए कि ये अलग-अलग माप थे। दोनों ही मामलों में, काट स्रोत को चालू करने से इसमें महत्वपूर्ण  वृद्धि होती है, और शिखर-से-पीक भिन्नता चित्र 3ख और चित्र 3E में दर्शाए गए कच्चे सिग्नल के शिखर-से-पीक भिन्नता से मेल खाती है .

चित्र 6खमें,F, RMS आयाम 1000 हर्ट्ज के साथ एक कम पास फिल्टर का उपयोग करने के बाद प्रदर्शित किया जाता है. फिर से एक ऑफसेट पूर्वाग्रह प्रकाश के कारण चित्र 6B में देखा जा सकता है, लेकिन ऑफसेट औसत पर लगभग 18 mV के साथ छोटा है। 90 kHz मॉडुलन कम पास फिल्टर द्वारा अवरुद्ध है, जबकि इस ऑफसेट, फ्लोरोसेंट प्रकाश के 100 हर्ट्ज मॉडुलन के कारण होता है. इसके अलावा, 'बीम पर' राज्य के शोर स्तर अभी भी 46 एमवी के आसपास एक चोटी से पीक भिन्नता के साथ महत्वपूर्ण है, जबकि औसत संकेत मूल्य 32 एमवी के लिए मात्रा. बिना बायस प्रकाश के (चित्र 6फ) शिखर-से-पीक भिन्नता का गुणनत 23ण्5 उ.प्र. का औसत मान के साथ 'बीम ऑन' के दौरान लगभग 17 उ.प्र. 'बीम ऑफ' के दौरान औसत ऑफसेट 0.5 एमवी से छोटा होता है। इन माप से पता चलता है कि 1000 हर्ट्ज और 2177.7 हर्ट्ज की एक काट आवृत्ति के साथ एक कम पास फिल्टर का संयोजन आदर्श नहीं है: मॉडुलन आवृत्ति ले जाने के संकेत केवल आंशिक रूप से हटा दिया है, लेकिन पूरी तरह से कम पास द्वारा दबा नहीं फ़िल्टर. शेष भाग 'बीम ऑन' राज्य के  दौरान की महत्वपूर्ण शिखर-से-पीक विविधताओं की ओर जाता है। जब बायस प्रकाश उपस्थित होता है, तो फ्लोरोसेंट लैंप की नेट आवृत्ति के कारण 100 भ्र मॉडुलन शिखर-से-पीक मूल्यों को और बढ़ा देता है।

चित्रा 6Cमें,जी, पूर्वाग्रह प्रकाश के प्रभाव को कम से कम के रूप में देखा जा सकता है: 10.27 हर्ट्ज कम पास फिल्टर सबसे शोर और फ्लोरोसेंट प्रकाश के मॉडुलन बंद कटौती, और एक स्पष्ट बीम प्रेरित संकेत निकाला जा सकता है. Albeit शायद ही यहाँ दिखाई, ऑफसेट और शोर के प्रसार अभी भी पूर्वाग्रह प्रकाश के साथ थोड़ा अधिक से अधिक कर रहे हैं. यह डीयूटी पर हेलिकॉप्टर के पहिए से गुजरने वाले आवारा प्रकाश के कारण हो सकता है। इसलिए, आवारा प्रकाश के मॉडुलन से बचने के लिए हेलिकॉप्टर को दूर अपस्ट्रीम लागू करने की सलाह दी जाती है।

चित्र 6D,H क्रमशः चित्र 6ख,ब्,, जी, में 6छ के बाद 'बीम ऑन' से 'बीम ऑफ' में परिवर्तन में एक ज़ूम है। 100 हर्ट्ज (फ्लोरोसेंस लैंप आवृत्ति) पर आरोपित मॉडुलन 1000 हर्ट्ज के साथ कम पास फिल्टर के लिए चित्रा 6D में दिखाई देता है। ध्यान दें फ़िल्टर के बाद सिग्नल की तुलना में 10.27 हर्ट्ज के साथ फिल्टर के बाद सिग्नल में देरी भी के साथ 1000 हर्ट्ज, जब बीम बंद कर दिया है. पीए की धीमी वृद्धि समय के लिए मामले के समान, LIA में कम पास फिल्टर के कम परिवर्तन संकेत करने के लिए की धीमी अनुकूलन के कारण.

कुल मिलाकर, हमने पाया है कि 10.27 हर्ट्ज के साथ एक कम पास फिल्टर और 48 dB/oct के एक रोल-ऑफ (अगले अनुभाग देखें) इस मामले में तेजी से स्कैनिंग गति के बीच सबसे अच्छा समझौता प्रदान करता है (उच्च मूल्यों के पक्ष में) और पूर्वाग्रह प्रकाश या शोर के दमन (में कम मूल्यों के पक्ष में, सबसे महत्वपूर्ण बात ग्रिड आवृत्ति 50 हर्ट्ज नीचे).

(e) कम-पास फ़िल्टर रोल-ऑफ

के रूप में कई डिजिटल लॉक-इन एम्पलीफायरों, मॉडल है कि यहाँ इस्तेमाल किया गया था तथाकथित असतत समय आर सी फिल्टर या घातीय चल औसत फिल्टर जिनकी विशेषताओं बहुत एक एनालॉग रोकनेवाला-संधारित्र आर सी फिल्टर40के उन लोगों के करीब हैं कार्यरत हैं। फिल्टर कट-ऑफ आवृत्ति है कि पिछले अनुभाग में चर्चा की गई है के अलावा, वहाँ केवल एक ही मुक्त पैरामीटर है, फिल्टर आदेश, कि डीबी के रूप में कट-ऑफ की ढलान को परिभाषित करता है /

चित्र 7क विभिन्न कट-ऑफ आवृत्तियों के लिए आवृत्ति-निर्भर क्षीणन पर फ़िल्टर क्रम के प्रभाव को दर्शाता है जो समय स्थिरांक एमएस और एमएस के संगत होते हैं। माप. फिल्टर क्षीणन जटिल स्थानांतरण समारोह के वर्ग निरपेक्ष मान के रूप में आवृत्ति डोमेन में40 की गणना की गई है

(16) 

आवृत्ति के एक समारोह के रूप में और एक समय स्थिरके साथ आदेश के एक फिल्टर. उच्च क्रम फिल्टर के स्थानांतरण कार्यों क्रमिक रूप से जुड़े व्यक्तिगत फिल्टर के हस्तांतरण कार्यों के गुणन द्वारा प्राप्त कर रहे हैं। के समान, हम परिभाषित करते हैं और आवृत्तियों के रूप में, जिस पर क्षीणन क्रमशः 5% और 95% है। इन आवृत्तियों के उत्पाद और स्थिर है और कट-ऑफ आवृत्तियों और फिल्टर समय स्थिरांक के बीच रूपांतरण के लिए तालिका 1 में दिया गया है।

समय डोमेन में, के लिए फिल्टर प्रतिक्रिया recursively एक इनपुट संकेत है कि असतत समय पर परिभाषित किया गया है से गणना की है , , , आदि, नमूना समय द्वारा स्थान:

(17) 

के साथ फिल्टर की प्रतिक्रिया से गणना की जाती है और से गणना के साथ E. 17 के कई पुनरावृत्ति द्वारा। एक बढ़ती (समय 0 पर) और कम कदम समारोह के लिए फिल्टर प्रतिक्रिया (समय पर) फिल्टर आदेश 1 से 8 के लिए चित्र 7B में दिखाया गया है, की इकाइयों में समय के एक समारोह के रूप में. ध्यान दें कि इनपुट संकेत के संबंध में प्रतिक्रिया में विलंब होता है और यह विलंब के साथ बढ़ता है . सारणी 1 में विलंब की मात्रा सारणीबद्ध की जाती है, जिसके समय, और , जिसके भीतर संचारित संकेत क्रमशः 5%, 50%, या 95% तक पहुँचता है।

प्रयोग डिज़ाइन करते समय सही फ़िल्टर रोल-ऑफ का विकल्प कट-ऑफ आवृत्ति के रूप में महत्वपूर्ण है. अनुभाग (छ) में प्रस्तुत आवेदन 1 में, उच्च गुणवत्ता वाले XBIC माप 1177 हर्ट्ज की एक हेलिकॉप्टर आवृत्ति के साथ प्राप्त किया गया है, 100 एमएस के रहने के समय, और फिल्टर क्रम 8 पर 40 हर्ट्ज की कट-ऑफ आवृत्ति। तालिका 1से संख्याओं के साथ , यह में तब्दील हो जाता है , और . इस बार रहने के समय की तुलना में काफी कम है कि कोई देरी-कलाकृतियां पेश नहीं की जाती हैं।

(च) निवास समय सुधार

शास्त्रीय कदम मोड माप में, स्कैनिंग चरण नाममात्र की स्थिति में ले जाता है, और उस पिक्सेल स्थिति पर माप की शुरुआत सटीक स्थिति तक पहुँच गया है के बाद शुरू हो रहा है. कम रहने के समय के लिए, बसने के समय समग्र स्कैन समय है, जो तथाकथित मक्खी स्कैन या निरंतर माप मोड प्रेरित के लिए सीमित हो जाता है: वहाँ, स्कैन चरण लगातार चलता रहता है, और माप डेटा इनकोडिंग के साथ पिक्सल के लिए जिम्मेदार ठहराया है प्रसंस्करण के बाद में मंच की स्थिति. हालांकि, यह अतिरिक्त समस्याओं के लिए नेतृत्व कर सकते हैं के रूप में चित्र 8में दिखाया गया है। इस स्थिति में, नमूना अवस्था की मोटरें समान रूप से दिशा में नहीं चल रही थीं, जिसके परिणामस्वरूप प्रति पिक्सेल अलग-अलग निवास समय होता है (चित्र 8कदेखें)। निवास-समय भिन्नताएँ प्रत्यक्ष रूप XBIC मापन में भिन्नता में तब्दील हो जाती हैं, जैसा कि चित्र 8Cमें देखा गया है। अतः XBIC संकेत को रहने के समय को सामान्य करने की आवश्यकता होती है, जिसके परिणाम चित्र 8Dमें दर्शाए गए हैं। इसी प्रकार, किरण पुंज तीव्रता में अंतर (चित्र 8खमें प्रदर्शित ) को प्रायः फोटॉन फ्लक्स के सामान्यीकरण के कारण माना जाता है। एक्सबीआईसी संकेत फोटॉन फ्लक्स को सामान्यीकृत चित्र 8Eमें देखा जा सकता है; निरपेक्ष XBIC परिमाणीकरण पर न्यूनतम त्रुटि के लिए, फोटॉन फ्लक्स ही अपने औसत मूल्य को सामान्यीकृत किया गया है. चित्रा 8F XBIC नक्शा रहने के समय के साथ ही फोटॉन फ्लक्स, जो सबसे माप कलाकृतियों के प्रभाव को कम करने के लिए सामान्यीकृत से पता चलता है। अंत में, चित्र 8G एक गिनती दर से वर्तमान में रूपांतरण के बाद XBIC डेटा दिखाता है EQ. (1) का उपयोग कर.

(छ) आवेदन 1: पूर्वाग्रह वोल्टेज और XRF के साथ एक सौर सेल के XBIC

चित्र 9क-ख एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान माप में सिग्नल-टू-शोर अनुपात पर लॉक-इन प्रवर्धन के प्रभाव को दर्शाता है। प्रत्यक्ष संकेत का शोर चित्र 9कमें स्पष्ट है: रेखा से रेखा तक मजबूत तीव्रता विरोधाभास माप कलाकृतियों का संकेत हैं, और ड्यूट से ठीक XBIC भिन्नताएं मनमाने ढंग से बदलते संकेत में दफन हो जाती हैं। दूसरी ओर, चित्र 9ठमें ये सूक्ष्म विशेषताएँ स्पष्ट रूप से दिखाई देती हैं। ध्यान दें कि माप से पहले सेटअप के अनुकूलन के बावजूद चित्र 9A में शोर स्तर अज्ञात कारणों से असामान्य रूप से अधिक है. ऐसे मामलों में, लॉक-इन प्रवर्धन द्वारा सिग्नल-टू-शोर अनुपात नाटकीय रूप से मानक प्रवर्धन के साथ पहले से ही उच्च सिग्नल-टू-शोर अनुपात के मामलों की तुलना में अधिक है (उदाहरण के लिए, अनुभाग में अनुप्रयोग 3 (i)), जहां लॉक-इन प्रवर्धन केवल होगा सीमांत सुधार करने के लिए नेतृत्व.

पीए के साथ, आगे (चित्र 9ब्) और रिवर्स (चित्र 9D) -50 mV और +50 mV के पूर्वाग्रह voltages, क्रमशः, नमूने और चित्र 9A-B के क्षेत्र के लिए लागू किया गया rescanned. चित्र 9ख में दिखाई देने वाली प्रमुख विशेषताएँ चित्र 9ब् और चित्र 9Dमें अभी भी दिखाई देती हैं, लेकिन मानचित्रों के न होने के कारण वे कम भिन्न होती हैं. इसका कारण यह है पूर्वाग्रह वोल्टेज या पूर्वाग्रह प्रकाश के आवेदन एक प्रत्यक्ष वर्तमान है कि अक्सर संग्राहक XBIC संकेत से बड़ा परिमाण के आदेश है लाती है. अंततः, संग्राहक संकेत करने के लिए प्रत्यक्ष का अनुपात लॉक-इन प्रवर्धन की प्रयोज्यता को सीमित करता है। गरीब संकेत से शोर अनुपात के बावजूद, यह बाहर की ओर इशारा करते हुए लायक है कि लॉक-इन प्रवर्धन पूर्वाग्रह वोल्टेज और पूर्वाग्रह प्रकाश लागू के साथ नैनोस्केल पर सौर सेल प्रदर्शन की मानचित्रण सक्षम बनाता है, जो शायद ही संभव होगा अन्यथा30.

के रूप में CIGS सौर सेल के प्रदर्शन अवशोषक परत संरचना7,41से संबंधित है, हम XBIC के साथ एक साथ XRF संकेत मापा. चित्र 9ई-एफमें, गा और इन की सांद्रता प्रस्तुत की गई है। दोनों तत्व अवशोषक परत का हिस्सा होते हैं और उनका अनुपात सौर कोशिका7के निष्पादन में बहुत प्रभाव डालता है . गा के आँकड़े में के लिए की तुलना में बहुत अधिक हैं, जो उच्च अवशोषण गुणांक और 10.4 केवी की उत्तेजना ऊर्जा पर कम आत्म अवशोषण के कारण है. कम आँकड़ों के कारण, इन मानचित्र में विशेषताएं लगभग अदृश्य हैं, जबकि गा सांद्रता चित्र 9खमें विद्युत निष्पादन के साथ सहसंबद्ध होने के लिए पर्याप्त स्पष्ट है। एक उच्च संकेत में, एक या तो लंबे समय तक रहने के समय का चयन या बड़े अवशोषण पार अनुभाग के साथ एक अवशोषण ऊर्जा का चयन कर सकता है. यह एक पर्याप्त लंबे समय रहने के समय के महत्व के रूप में के रूप में अच्छी तरह से ब्याज के तत्वों के लिए बीम ऊर्जा की सिलाई दिखाता है.

लंबे समय से रहने के समय और बड़े नक्शे के साथ, एक और बात को ध्यान में रखा जाना चाहिए: कई घंटे फैले माप के दौरान, नमूना बहाव एक महत्वपूर्ण मुद्दा बन सकता है। थर्मल उतार चढ़ाव (विशेष रूप से नमूना परिवर्तन या गरीब गर्मी अपव्यय के साथ बड़े मोटर आंदोलनों के बाद) और यांत्रिक चरण घटकों की अस्थिरता अक्सर नमूना बहाव के लिए नेतृत्व के रूप में चित्रा 9 डी के ऊर्ध्वाधर पदों की तुलना द्वारा देखा जा सकता है और चित्र 9B|

(ज) आवेदन 2: XBIV और XRF के साथ एक सौर सेल के XBIC

चित्र 10 में एक सीआईजीएस सौर सेल का एक बहु-मोडल स्कैन दिखाया गया है, जहां सेल को चित्र 10कमें XBIC को मापने वाले शॉर्ट-सर्किट की स्थिति के तहत और चित्र 10खमें XBIV को मापने वाली ओपन-सर्किट स्थिति के अंतर्गत संचालित किया जाता है। चित्र 10C में दिखाया XRF माप XBIV माप के साथ एक साथ लिया गया था। पर्याप्त XRF गणनाओं को एकत्रित करने के लिए, प्रति पिक्सेल रहने का समय चित्र 10B-C के लिए 0.5 s था जबकि चित्र 10कमें 0ण्01 s की तुलना में। तदनुसार, XBIV माप के लिए कम-पास फिल्टर में एक कम कट-ऑफ आवृत्ति XBIC माप (10.27 हर्ट्ज बनाम 501.1 हर्ट्ज, दोनों रोल-ऑफ 48 dB/oct) की तुलना में इस्तेमाल किया जा सकता है। अकेले XBIV माप के लिए, हम समान संकेत करने के लिए शोर अनुपात के साथ XBIC माप के लिए के रूप में एक ही रहने का समय और कम पास फिल्टर सेटिंग्स का इस्तेमाल किया जा सकता था. हालांकि, यह समग्र अधिक समय के लिए XRF माप के साथ XRF माप गठबंधन करने के लिए था रहने के समय को नियंत्रित XRF माप, अलग XBIV और XRF माप प्रदर्शन से.

चित्र 10ककी तुलना, और चित्र 10की तुलना करते हुए हम नोट करते हैं कि लघु-परिपथ धारा, जिसे XBIC के रूप में मापा जाता है, और XBIV के रूप में मापा जाने वाला ओपन सर्किट वोल्टता सहसंबद्ध होता है: बड़े उच्च और निम्न निष्पादन वाले क्षेत्र दिखाई देते हैं दोनों माप मोड. यह इंगित करता है कि स्थानीय मोटाई विविधताओं और / या पुनर्संयोजन यहाँ प्रदर्शन पर हावी है, बजाय bandgap विविधताओं, जो XBIC और XBIV28में विपरीत प्रवृत्तियों के लिए नेतृत्व करेंगे.

इसके अलावा, चित्र 10C को ध्यान में रखते हुए, कोई भी यह देख सकता है कि कम प्रदर्शन वाले कुछ क्षेत्र जैसे कम Cu गणना दर के साथ सहसंबंधित होते हैं, जबकि प्रदर्शन अन्य क्षेत्रों में Cu गणना दर से संबंधित नहीं है.

(i) एक नैनोवायर का आवेदन 3: XBIC और XRF

सौर कोशिकाओं के अलावा, संपर्क नैनोवायर्स24 या नैनो-शीट, साथ ही क्वांटम डॉट्स, DUT के अन्य उदाहरण हैं जो लॉक-इन प्रवर्धित XBIC माप से लाभ उठा सकते हैं। प्रदर्शन के लिए, चित्र 11A XRF माप से मौलिक वितरण दिखाता है, और चित्र 11B एक सीडीएस नैनोवायर के संगत XBIC मानचित्र. Pt और CdS तार से बने दो संपर्क स्पष्ट रूप से अलग कर रहे हैं, और XBIC संकेत एक मेल खाने बिजली की प्रतिक्रिया से पता चलता है. विशेष रूप से उल्लेखनीय तथ्य यह है कि XBIC पीटी संपर्क के नीचे नैनोवायर के विद्युत प्रदर्शन का अनावरण कर सकता है, जो एक्स-रे नैनोप्रोब्स के लिए अद्वितीय है और हार्ड एक्स-रे की उच्च प्रवेश गहराई के कारण है। सामग्री संरचना और नैनोवायर के विद्युत गुणों का पूरक उदाहरण बहु-मोडल एक्स-रे माप के लाभों को दर्शाता है।

Figure 1
चित्र 1 : परीक्षण (DUT) के तहत एक डिवाइस पर लॉक-इन प्रवर्धित एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान (XBIC) माप के लिए सेटअप। किरण पथ लाल रंग में दर्शाया गया है। हरे रंग के रूपों वैकल्पिक एक्स-रे फ्लोरोसेंट (XRF) और बहु-मोडल माप के लिए क्षेत्र डिटेक्टरों से संकेत मिलता है, पीला वैकल्पिक पूर्वाग्रह प्रकाश इंगित करता है। XBIC माप के लिए हार्डवेयर घटक काले रंग के होते हैं, जबकि XBIC संकेत पथ संकेत outputs और इनपुट भरा और खाली हलकों के रूप में दिखाया गया है, क्रमशः के साथ नीले रंग के होते हैं। डेटा प्राप्ति (DAQ) से पहले, DC (प्रत्यक्ष वर्तमान) और AC (वैकल्पिक वर्तमान) संकेत एक वोल्टेज से आवृत्ति (V2F) में कनवर्ट किया जाता है। वैकल्पिक संकेत पथों के लिए हम चर्चा अनुभाग के भाग (क) को संदर्भित करते हैं. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 2
चित्र 2 : एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान सहित multimodal एक्स-रे माइक्रोस्कोपी माप के लिए अनुकूलित एक शुद्ध गतिक नमूना धारक का उदाहरण। पतली तांबे के तारों के सामने और पीछे संपर्क पर एक Cu (इन,Ga)Se2 (CIGS) चांदी के रंग के साथ सौर सेल पर मुहिम शुरू कर रहे हैं, और पीसीबी संपर्कों से जुड़े. Polyimide टेप तारों को अलग करने के लिए प्रयोग किया जाता है, नमूना के शॉर्ट सर्किट से बचने. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 3
चित्र 3 : पूर्वाग्रह प्रकाश और संग्राहक बीम के साथ विकिरण पर पूर्व amplified सौर सेल प्रतिक्रिया. पूर्वाग्रह प्रकाश के बिना शीर्ष पंक्ति, पूर्वाग्रह प्रकाश के साथ नीचे पंक्ति: एक और डी - बीम बंद; बी और ई - बीम पर; सी और एफ - बी और ई के लाल आयत में ज़ूम कृपया इस आंकड़े का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 4
चित्र 4 : तीन अलग फिल्टर वृद्धि बार के साथ पूर्व amplification के बाद सौर सेल प्रतिक्रिया (10 डिग्री - नीले, 100 $s - लाल, 1 एमएस - हरे) पूर्व amplifier में. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.

Figure 5
चित्र 5 : ताला में एम्पलीफायर31द्वारा सिग्नल प्रसंस्करण | DUT से संकेत इनपुट है और हेलिकॉप्टर से संदर्भ संकेतहै. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.   

Figure 6
चित्र 6 : लॉक-इन प्रवर्धित आरएमएस आयाम कम पास फिल्टर कट-ऑफ आवृत्तियों के साथ 466.7 kHz (नीला), 1 kHz (पुराना), 10.27 हर्ट्ज (लाल), और निरंतर फिल्टर रोल-ऑफ 48 डीबी/ DUT (ए, बी, सी, डी) के साथ एक Cu (इन,Ga)Se2 सौर सेल था और बिना (ई, एफ, जी, एच) पूर्वाग्रह प्रकाश लागू किया गया. समय जब कटा फोटॉन बीम चालू और बंद किया गया था ऊर्ध्वाधर डैश्ड लाइनों के रूप में आंकड़ों में संकेत दिया जाता है। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.  

Figure 7
चित्र 7 : लॉक में एम्पलीफायर में कम पास फिल्टर सेटिंग्स का प्रभाव। A - दो समय स्थिरांकों के लिए आवृत्ति डोमेन में कम पास फ़िल्टर द्वारा attenuation (ms और ms) और फ़िल्टर ऑर्डर 1 से 8 के लिए. समय डोमेन में कम पास फिल्टर के बी - संचारित संकेत प्रतिक्रिया, समय स्थिर की इकाइयों में, फिल्टर आदेश के लिए 1 से 8 इनपुट संकेत के कदम की तरह परिवर्तन पर 0 से 1 समय पर और 1 से 0 समय पर 0 . कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.  

Figure 8
चित्र 8 : एक Cu (इन,Ga)Se2 पीईआरईआरई में बीमलाइन P06 पर सौर सेल के फ्लाई स्कैन माप, के बारे में एक केंद्रित प्रवाह के साथ 15.25 केवी फोटॉन ऊर्जा पर लिया पीएच/एस. पीए का उपयोग   $ 106 ट/ए , और एलआईए के साथ हर्ट्ज (48 डीबी/अक) के साथ किया जाता था। A - रहने का समय, बी - फोटॉन फ्लक्स, सी - एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान (XBIC); XBIC नक्शा करने के लिए सामान्यीकृत: डी - रहने का समय, ई - फोटॉन प्रवाह अपने औसत मूल्य के लिए सामान्यीकृत, एफ - रहने के समय और सामान्यीकृत फोटॉन फ्लक्स। G - गणना दर से वर्तमान में रूपांतरण के बाद सामान्यीकृत XBIC संकेत EQ. (1) का उपयोग कर. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें. 

Figure 9
चित्र 9 : एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान (XBIC) और एक्स-रे फ्लोरोसेंट (XRF) एक Cu (इन,Ga)Se2 सौर सेल की माप, यूरोपीय Synchrotron विकिरण सुविधा पर एक केंद्रित प्रवाह के साथ बीमलाइन ID16B पर लिया के आदेश पर एक केंद्रित प्रवाह के साथ पीएच/एस. PA V/A, HZ के साथ LIA (48 dB/oct) के साथ प्रयोग किया गया था। बीम ऊर्जा 10.4 केवी था, हेलिकॉप्टर आवृत्ति 1177 हर्ट्ज थी, और कम पास फिल्टर 40 हर्ट्ज पर काट दिया. रहने का समय 100 एमएस था और पिक्सेल आकार 40 एनएम x 40 एनएम था। नक्शे ए, बी, ई और एफ सभी एक ही समय में लिया गया; C और D 50 मिनट और 113 मिनट के बाद retakes हैं, 50 एमवी आगे और रिवर्स पूर्वाग्रह वोल्टेज के साथ, क्रमशः लागू. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.      

Figure 10
चित्र 10 : एक Cu (इन,Ga)Se2 सौर सेल के बहु-मोडल माप, के बारे में एक केंद्रित प्रवाह के साथ PETRA III में बीमलाइन P06 पर लिया पीएच/एस. बीम ऊर्जा 15.25 केवी था, हेलिकॉप्टर आवृत्ति 8015 हर्ट्ज था, और पिक्सेल आकार 50 एनएम x 50 एनएम. A - एक्स-रे बीम प्रेरित धारा (XBIC) 0.01 s के रहने के समय के साथ मापा, $ 106 V/A के साथ एक पीए, और हर्ट्ज के साथ एक LIA (48 डीबी/ बी - एक्स-रे बीम प्रेरित वोल्टेज (XBIV) पैनल ए के रूप में एक ही क्षेत्र को कवर, 0.5 s और हर्ट्ज के साथ एक LIA के रहने के समय के साथ मापा (48 डीबी / सी - एक एक्स-रे फ्लोरोसेंट (XRF) माप से Cu गिनती दर, XBIV माप के साथ एक साथ लिया. कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें.         

Figure 11
चित्र 11 : पीटी संपर्कों के साथ एक सीडीएस नैनोवायर के मल्टी-मोडल माप, 10.6 केवी की बीम ऊर्जा के साथ उन्नत फोटॉन स्रोत के बीमलाइन 26-आईडी-सी पर लियागया। A - एक एक्स-रे फ्लोरोसेंट माप से पं और सीडी वितरण। बी - एक्स-रे बीम प्रेरित वर्तमान (XBIC) माप लॉक-इन प्रवर्धन के बिना, XRF माप के साथ एक साथ लिया। कृपया इस चित्र का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहाँ क्लिक करें. 

Table 1
तालिका 1: आदेश 1 से 8 के असतत समय आर सी फिल्टर के लिए, समय स्थिर और आवृत्ति के उत्पाद, जिस पर संकेत द्वारा क्षीण है 5%(),50% (),और 95%(),स्थिर है और शीर्ष भाग में दिया . निचले भाग में, समय में विलंब दिया जाता है, जिसकेभीतर संकेत 5% ( ), 50% ( ), और 95% () समय स्थिर की इकाइयों में और व्युत्क्रम कट-ऑफ आवृत्ति तक पहुंचता है। इस एक्सेल फ़ाइल को डाउनलोड करने के लिए कृपया यहाँ क्लिक करें.

XBIC ईबीआईसी एलबीआईसी
मल्टी-मोडल क्षमता ++ + +
स्थानिक संकल्प ++ ++ -
प्रवेश गहराई ++ -- +
उपलब्धता -- - +
नमूना क्षति - -- ++

सारणी 2: एक्स-किरण बीम प्रेरित धारा (XBIC), इलेक्ट्रॉन बीम प्रेरित धारा (ईबीआईसी) तथा लेजर बीम प्रेरित धारा (एलबीआईसी) का गुणात्मक मूल्यांकन।

Discussion

इस अध्याय में हम पहले शोर (ं) तथा स्कैनिंग गति (इ) के संबंध में सामान्य XBIC मापन सेटिंग्स की प्रासंगिकता पर चर्चा करते हैं। इसके बाद, हम XBIC माप बहु-मोडल माप के संदर्भ में डाल दिया और एक्स-रे बीम प्रेरित क्षति (ग) और कई मापदंडों (घ) के एक साथ माप से संबंधित विशिष्ट चुनौतियों के पहलुओं पर चर्चा। अंत में, हम जांच (ई) के रूप में इलेक्ट्रॉन- और लेजर बीम का उपयोग कर संबंधित माप के साथ XBIC माप की तुलना करें।

(क) शोर और त्रुटि

हालांकि लॉक-इन प्रवर्धन प्रत्यक्ष प्रवर्धन की तुलना में एक उच्च संकेत-से-शोर अनुपात में सक्षम बनाता है, यह सभी स्तरों पर शोर की शुरूआत से बचने के लिए महत्वपूर्ण है के रूप में बार बार इस पांडुलिपि भर में जोर दिया गया है. आगे की चर्चा के लिए हम छोटे विद्युत संकेतोंकेमापन पर चर्चा करने वाले साहित्य का उल्लेख करते हैं 42,43,44,45. राज्य के-the-कला लॉक-इन एम्पलीफायरों आज डिजिटल संकेत प्रसंस्करण पर आधारित हैं, एनालॉग लॉक-इन एम्पलीफायरों का उपयोग कर शोर को कम करने के लिए सबसे रणनीतियों अभी भी लागू होते हैं।

संक्षेप में, यह ध्यान में रखा जाना चाहिए कि केबल एंटीना के रूप में कार्य करने के लिए प्रवण हैं और इस प्रकार प्रणाली में शोर परिचय. यह एक्स-रे नैनोप्रोब्स के वातावरण में विशेष रूप से सच है, जहां मजबूत विद्युत-चुंबकीय क्षेत्र अक्सर अपरिहार्य होते हैं, उनके स्रोत भी अज्ञात रह सकते हैं। एक परिणाम के रूप में, केबल के रूप में संभव के रूप में कम रखा जाना चाहिए और उन्मुख इस तरह है कि प्रेरित शोर स्तर कम से कम है. सिग्नल केबल की अतिरिक्त परिरक्षण आगे शोर स्तर को कम कर सकते हैं.

शोर को कम करने के लिए डीयूटी का उचित संपर्क समान रूप से महत्वपूर्ण है। छोटे संपर्क बिंदुओं के साथ एक स्वच्छ और मजबूत विधि तार संबंध है. TF सौर कोशिकाओं के लिए, यह हमेशा आसंजन मुद्दों के कारण काम नहीं करता है. वैकल्पिक रूप से, ग्रेफाइट, तांबा, या एल्यूमीनियम पर आधारित प्रवाहकीय टेप बड़े नमूनों के लिए उपयुक्त है। कई मामलों में, सबसे अच्छा परिणाम डिवाइस के लिए पतली तांबे, सोना, या प्लैटिनम तारों से संपर्क करने के लिए चांदी के रंग के मैनुअल आवेदन के साथ प्राप्त कर रहे हैं। जबकि टेप और ग्रेफाइट पेस्ट सबसे अच्छा संपर्क नहीं दे सकता है, चांदी रंग आसानी से शॉर्ट सर्किट डिवाइस कर सकते हैं और अत्यंत देखभाल के साथ जमा किया जाना है. Polyimide टेप सामने और पीछे संपर्क के शॉर्ट सर्किटको रोकने के लिए इस्तेमाल किया जा सकता है.

ध्यान दें कि परिवहन संकेत करने के लिए संपर्क करने से केबलिंग लेआउट बीमलाइन-विशिष्ट सीमा शर्तों के लिए अनुकूलित करने की आवश्यकता है। उदाहरण के लिए, यदि V2F कनवर्टर हच के बाहर स्थित हैं, तो पूर्व-एम्प्लिफाइड सिग्नल के साथ चित्र 1 में चित्रित लेआउट जोखिम भरा है। इस मामले में, पूर्व एम्पलीफायर और V2F कनवर्टर के बीच लंबी केबल शोर है कि LIA करने के लिए स्थानांतरित किया जाता है पकड़ कर सकते हैं. इसलिए, हम XBIC या XBIV माप के लिए सामान्य संकेत पथ के तीन मामलों में अंतर:

केस ए: XBIC एक पूर्व एम्पलीफायर के साथ मापा जाता है, और डीसी / इस मामले में, एक वर्तमान ऑफसेट पीए में लागू किया जा सकता है जैसे कि संकेत हमेशा सकारात्मक है, दो अलग V2F कनवर्टर के माध्यम से सकारात्मक और नकारात्मक संकेत रिकॉर्डिंग की जरूरत से बचने. एक दोष के रूप में, यह LIA में उपलब्ध वोल्टेज स्वीकृति रेंज को कम करने और कम संवेदनशीलता के लिए नेतृत्व करेंगे.

केस बी: पूर्व amplified संकेत है, जो केवल LIA के लिए इनपुट है के बंटवारे से बचने, एक अतिरिक्त demodulator अधिकतम मूल्य पर एक कम पास फिल्टर के साथ LIA में इस्तेमाल किया जा सकता है (यानी मॉडुलन आवृत्ति में ताला नहीं) इस तरह है कि पूर्व-एम्म्मिलित संकेत प्रभावी रूप से DAQ इकाई को आउटपुट कर सकते हैं जैसा कि चित्र 6क,म्में प्रदर्शित किया गया है। इस मामले में, एक वोल्टेज ऑफसेट उत्पादन पर दोनों एसी और डीसी संकेत करने के लिए लागू किया जा सकता है, दो अलग V2F कनवर्टर के माध्यम से सकारात्मक और नकारात्मक संकेत रिकॉर्डिंग की जरूरत से बचने. यह V2F, जो शायद ही कभी सीमित है की उपलब्ध आवृत्ति रेंज की कमी के अलावा कोई प्रमुख कमियां है.

केस सी: XBIV मापा जाता है और DC/AC संकेत DUT और लॉक-इन एम्पलीफायर के बीच विभाजित है। इस मामले में, डीसी संकेत पर कोई वोल्टेज ऑफसेट DUT पर एक अवांछित पूर्वाग्रह वोल्टेज लागू करने के बिना लागू किया जा सकता है, इस तरह है कि हमेशा दो अलग V2F कनवर्टर सकारात्मक और नकारात्मक संकेत भागों के लिए आवश्यक हैं.

सभी मामलों में, जहां एक संकेत के नकारात्मक और सकारात्मक भागों दो अलग V2F कन्वर्टर्स के माध्यम से दर्ज कर रहे हैं, कुल XBIC या XBIV संकेत सकारात्मक और नकारात्मक चैनल के बीच अंतर के रूप में प्राप्त की है. दो या अधिक demodulators के साथ एक LIA उपलब्ध है, तो हम आम तौर पर मामला बी पसंद करते हैं, क्योंकि यह कच्चे संकेत के तारों को कम करता है और XBIC और XBIV माप के बीच आसान स्विचन की अनुमति देता है.

XBIC माप की त्रुटि अत्यधिक उपकरण और सेटिंग्स इस तरह है कि कोई त्रुटि परिमाणीकरण यहाँ दिया जा सकता है इस्तेमाल पर निर्भर करता है. निरपेक्ष त्रुटि एक से अधिक है क्योंकि प्रयोगात्मक और व्यवस्थित त्रुटियों की उम्मीद कर सकते हैं. यह विशेष रूप से सच है अगर XBIC संकेत प्रोटोकॉल में वर्णित के रूप में एक स्थिरांक के साथ स्केलिंग द्वारा चार्ज संग्रह दक्षता के लिए परिवर्तित कर दिया जाता है. उदाहरण के लिए, बैंडगैप और आयनन ऊर्जा के बीच अनुभवात्मक संबंध , जो र् द्वारा वर्णित है (त्. 4) महत्वपूर्ण प्रकीर्णन से ग्रस्त है; फोटॉन फ्लक्स माप अक्सर 10% से नीचे पूर्ण त्रुटियों के साथ उपलब्ध नहीं हैं; और DUT के नैनोस्कोपिक संरचना खराब जाना जाता है. हालांकि, हम इस बात पर जोर देते हैं कि लॉक-इन प्रवर्धित XBIC और XBIV माप की ताकत मानचित्र ों या तुलनीय माप के भीतर महान सापेक्ष सटीकता में निहित है.

(ख) स्कैनिंग गति

इस तरह के XRF या एक्स-रे प्रकीर्णन के रूप में फोटॉन का पता लगाने पर आधारित हैं कि कई माप मोड में, संकेत तीव्रता अधिग्रहण समय के साथ रैखिक रूप से पहले सन्निकटन में बढ़ जाती है, तदनुसार वृद्धि हुई संकेत से शोर अनुपात के साथ। यह XBIC माप, जहां संभव स्कैनिंग गति की खिड़की गिनती आँकड़ों से लेकिन इस तरह के वाहक गतिशीलता और डिवाइस संरचना के रूप में और अधिक जटिल विचारों से निर्धारित नहीं है के लिए सच नहीं है.

फिर भी, प्रति पिक्सेल संग्राहक संकेत के कई अवधियों के साथ धीमी माप आम तौर पर लॉक-इन प्रवर्धित XBIC माप में सबसे अच्छा संकेत-से-शोर अनुपात के लिए नेतृत्व, और पोस्ट प्रसंस्करण के दौरान smoothening के साथ oversampling (उदाहरण के लिए binning या लागू करने के द्वारा फिल्टर) आगे शोर के स्तर को कम कर सकते हैं अगर माप समय की अनुमति देता है. हालांकि, थ्रूपुट विचारों के अलावा, आगे की बाधाएं माप की गति को कम सीमाएं निर्धारित कर सकती हैं, जिनमें शामिल हैं: (1) एक्स-रे बीम प्रेरित अवक्रमण (निम्न अनुभाग देखें), या इन-सीटू के दौरान पर्यावरण प्रेरित नमूना परिवर्तन माप अक्सर स्वीकार्य रहने के समय को कम करते हैं। (2) नमूना बहाव और मंच आंदोलनों की reproducibility सीमित किया जा सकता है, विशेष रूप से नैनोस्केल पर माप के लिए. (3) विद्युत चुम्बकीय शोर स्तर के बदलाव तेजी से माप से आगे निकल सकता है. (4) जबकि फोटॉन गिनती माप आसानी से घटना फोटॉन फ्लक्स के लिए सामान्यीकृत किया जा सकता है, XBIC संकेत (और भी अधिक तो XBIV संकेत) केवल कुछ हद तक घटना फोटॉन फ्लक्स28के लिए रैखिक है. इसलिए, फोटॉन फ्लक्स के लिए सामान्यीकरण केवल फोटॉन-प्रवाह भिन्नता से प्रभाव के हिस्से की क्षतिपूर्ति करता है, और एक XBIC माप लेने से बचना चाहिए (जैसे नक्शे या समय श्रृंखला के रूप में) जबकि प्रवाह विविध है. यह विशेष रूप से एक समस्या है जब भंडारण की अंगूठी एक XBIC नक्शे के दौरान भर जाता है.

XBIC माप की गति अन्य माप मोड द्वारा नियंत्रित नहीं है, तो (अनुभाग (d) देखें), XBIC माप आम तौर पर संतोषजनक संकेत करने के लिए शोर अनुपात प्रदान करता है कि अधिकतम गति के साथ लिया जाता है. माप की गति के लिए ऊपरी सीमा निम्न बाधाओं द्वारा दी गई हैं: (1) माप की गति के लिए एक मौलिक ऊपरी सीमा DUT की प्रतिक्रिया समय है। अंततः, प्रतिक्रिया समय शुल्क-संग्रह समय द्वारा सीमित है। नैनो या microsecond रेंज में प्रभारी वाहक जीवनकाल के साथ सबसे पतली फिल्म सौर कोशिकाओं के लिए, यह महत्वपूर्ण है, लेकिन यह कई मिलीसेकंड के जीवनकाल के साथ उच्च गुणवत्ता क्रिस्टलीय-सिलिकॉन सौर कोशिकाओं के लिए ध्यान में रखा जाना चाहिए. हालांकि, समाई प्रभाव प्रतिक्रिया समय भी TF सौर कोशिकाओं की वृद्धि कर सकते हैं इस तरह है कि यह माप की गति को सीमित कर सकते हैं. (2) एक्स-रे बीम को मॉडलेट करने के लिए उपयोग किए जाने वाले हेलिकॉप्टर ब्लेड को घुमाने की गति सीमा होती है। एक्स-रे बीम में उनके स्थान के आधार पर, बीम का आकार 1 मिमी चौड़ा हो सकता है, जो ब्लेड की न्यूनतम अवधि को परिभाषित करता है। यदि हेलिकॉप्टर निर्वात में संचालित किया जाता है, रोटेशन आवृत्ति शायद ही कभी सीमित है, कुछ मामलों में भी इलेक्ट्रॉन गुच्छा आवृत्ति मिलान. तथापि, निर्वात में ऐसी गति पर हेलिकॉप्टरों का प्रचालन चुनौतीपूर्ण है, ताकि अधिकांश हेलिकॉप्टर ों को हवा में संचालित किया जा सके। इस मामले में, घूर्णन गति यांत्रिक कंपन द्वारा सीमित है और अंत में ब्लेड के सबसे बाहरी भाग है कि ध्वनि की गति से छोटे होने की जरूरत की गति से. हमारे अनुभव में, काट आवृत्ति अक्सर हवा में 7000 हर्ट्ज तक सीमित है. (3) कई मामलों में, PA की प्रतिक्रिया समय माप गति की ऊपरी सीमा निर्धारित करता है. जैसा कि चित्र 4में दिखाया गया है, पीए के तेजी से वृद्धि के समय को हेलिकॉप्टर से संकेत मॉडुलन का अनुवाद करना आवश्यक है। बड़े प्रवर्धन के लिए, कम शोर वर्तमान एम्पलीफायरों का उपयोग किया जाता है, जो इस तरह के वृद्धि समय के साथ 100 एमएस तक वृद्धि बार है, काट आवृत्ति कुछ हर्ट्ज तक सीमित किया जा सकता है, जो कई सेकंड के रहने के समय की आवश्यकता होगी. इसलिए, सबसे अच्छी रणनीति अक्सर काट आवृत्ति से मेल खाता है कि एक तेजी से प्रतिक्रिया समय के साथ पीए द्वारा एक कम प्रवर्धन का चयन करने के लिए है. हालांकि यह पूर्व amplification के बाद छोटे संकेत करने के लिए शोर के स्तर में तब्दील हो, ताला में प्रवर्धन अक्सर अभी भी एक उच्च गुणवत्ता संग्राहक संकेत पुनः प्राप्त कर सकते हैं.

एक उदाहरण के रूप में, प्रयुक्त पीए $A/V श्रेणी में प्रवर्धन के लिए 10 kHz से अधिक की एक बैंडविड्थ प्रदान करता है, यहां तक कि कम शोर सेटिंग37के लिए. यह kHz रेंज पर काट और माप स्कैनिंग और काट आवृत्ति के बीच एक कट-ऑफ आवृत्ति के साथ एक कम पास फिल्टर के साथ 100-Hz रेंज करने के लिए गति की अनुमति देता है। ये माप की स्थिति हम अक्सर उपयोग कर रहे हैं.

माप कलाकृतियों से बचने के लिए, यह महत्वपूर्ण है प्रवर्धन श्रृंखला के साथ संकेत का विश्लेषण करने के लिए: LIA के कम पास फिल्टर द्वारा सीमा आसानी से नक्शे में लाइन-कलाकृतियों के रूप में पता लगाया जा सकता है (कई भर में XBIC संकेत से बाहर smearing पिक्सल), DUT और पीए की प्रणाली प्रतिक्रिया एक गुंजाइश है, जो LIA में एकीकृत किया जा सकता द्वारा संकेत के निरीक्षण की आवश्यकता है.

(ग) बीम क्षति

एक्स-रे बीम प्रेरित क्षति एक आम मुद्दा है और कई प्रणालियों के लिए चर्चा की गई है, जैविक नमूनों से सिलिकॉन सौर कोशिकाओं और डिटेक्टरों के लिए46,47. हालांकि अकार्बनिक अर्धचालक आम तौर पर कार्बनिक अर्धचालकों या जैविक प्रणालियों की तुलना में एक्स-रे विकिरण के खिलाफ अधिक मजबूत होते हैं, एक्स-रे बीम प्रेरित क्षति पतली फिल्म सौर कोशिकाओं में भी आम है। विशेष रूप से, हम X-किरण बीम CDTe, CIGS29, perovskite18,और कार्बनिक अवशोषक परतों के साथ सौर कोशिकाओं की क्षति प्रेरित देखा है. ध्यान दें कि सौर कोशिकाओं की तरह DUT की इलेक्ट्रॉनिक प्रतिक्रिया पीपीएम स्तर से नीचे दोष सांद्रता के प्रति संवेदनशील है, जहां प्रभारी वाहक पुनर्संयोजन स्पष्ट रासायनिक क्षति के बिना प्रदर्शन को प्रभावित करता है.

इसलिए, यह आम तौर पर बीम क्षति के लिए एक DUT की संवेदनशीलता का परीक्षण करने के लिए आवश्यक है। व्यवहार में, हम वास्तविक XBIC माप से पहले किसी भी DUT के एक्स-रे बीम प्रेरित गिरावट का मूल्यांकन, और स्थितियों है कि माप गिरावट प्रभाव से कम से कम प्रभावित होने की अनुमति स्थापित.

विभिन्न रणनीतियों एक्स-रे बीम प्रेरित क्षति के साथ सामना करने के लिए मौजूद हैं, लेकिन क्या वे सब आम में है कि वे वहाँ प्रदर्शन के मूल्यांकन से पहले एक माप स्थान पर विकिरण खुराक को कम करने के उद्देश्य. दूसरे शब्दों में, उद्देश्य प्रतिमान के बाद गिरावट को मात देना है "DUT degrades की तुलना में तेजी से उपाय". रणनीतियों में शामिल हैं: (1) कम रहने के समय का उपयोग करें. (2) कदम आकार बढ़ाएँ, माप संकल्प को कम करने. (3) क्षीणन फिल्टर द्वारा एक्स-रे बीम तीव्रता को कम करें। बीमलाइन और ड्यूट के आधार पर, विभिन्न दृष्टिकोणों को चुना जा सकता है या उनके संयोजन को चुना जा सकता है। उदाहरण के लिए, तेजी से शटर या मक्खी स्कैन मोड की कमी बाहर (1), और इस तरह के क्षेत्र प्लेटों द्वारा उत्पन्न उन लोगों के रूप में व्यापक एक्स-रे बीम प्रोफाइल केंद्रीय बीम स्थिति से दूर महत्वपूर्ण गिरावट के लिए नेतृत्व कर सकते हैं।

सौभाग्य से, सबसे गिरावट तंत्र केवल स्थानीय रूप से बढ़ाया प्रभारी वाहक पुनर्संयोजन के लिए नेतृत्व. यह आवेश वाहकों के प्रसार लंबाई के लिए गिरावट के पार्श्व प्रभाव को सीमित करता है, और निम्नीकृत क्षेत्रों से आगे XBIC माप लगभग अप्रभावित रहते हैं। यदि, इसके बजाय, गिरावट तंत्र DUT के स्थानीय शंटिंग के लिए नेतृत्व, आगे XBIC माप गंभीर रूप से बाधित हो जाएगा. एक न्यूनतम करने के लिए जमा विकिरण खुराक रखने के लिए, महत्वपूर्ण माप पहले एक ताजा जगह पर प्रदर्शन किया जाना चाहिए और फिर बाद में, फोटॉन भूख तरीकों, XRF की तरह, कि बीम क्षति के प्रति अधिक उदासीन हैं, एक ही स्थान में उपयोग किया जा सकता है.

(घ) बहु-मोडल मापन

आगे माप मोड के साथ XBIC की संगतता एक साथ मूल्यांकन मानकों23के साथ बिजली के प्रदर्शन के प्रत्यक्ष बिंदु-दर-बिंदु सहसंबंध सक्षम बनाता है। यहाँ, हम शीघ्र ही XBIV, XRF, SAXS, WAXS, और XEOL माप के साथ XBIC माप के संयोजन पर चर्चा. इस तरह के इलेक्ट्रॉन उपज या holography के रूप में आगे माप मोड के साथ संयोजन आसानी से कल्पना की जा सकती है, लेकिन इन तरीकों आम तौर पर setups या स्कैनिंग माप के मोड के साथ संगत नहीं हैं.

यहां तक कि अगर XBIC, XBIV, XRF, SAXS, WAXS, और XEOL के एक साथ माप के लिए डिटेक्टरों और नमूनों की ज्यामितीय व्यवस्था संभव है, वहाँ मौलिक और व्यावहारिक सभी मोड के एक साथ मूल्यांकन पर रोक लगाने के पहलुओं रहे हैं.

(1) सौर सेल की स्थिति XBIC (शॉर्ट सर्किट) और XBIV (खुले सर्किट) माप के एक साथ माप निषिद्ध है. जैसा कि XEOL48,49 इलेक्ट्रॉन-छिद्र युग्मों के विकिरणीय पुनर्संयोजन को मापता है, सौर सेल (XBIC) की मापित धारा एक प्रतिस्पर्धात्मक प्रक्रिया होगी। इसलिए, XEOL माप आमतौर पर ओपन-सर्किट स्थिति के अंतर्गत आयोजित किए जाते हैं, जो एक साथ XBIV माप के साथ संगत है।

(2) यदि बीम क्षति XBIC या XBIV माप के लिए एक मुद्दा है, वे ऐसे XRF या XEOL के रूप में फोटॉन भूख तकनीकों के साथ संयुक्त नहीं किया जा सकता है. अंगूठे के एक नियम के रूप में, बीम क्षति प्रभाव पहले बिजली में दिखाई दे रहे हैं (XBIC और XBIV) और ऑप्टिकल (XEOL) प्रदर्शन, इलेक्ट्रॉनिक दोषों के माध्यम से प्रभारी वाहक पुनर्संयोजन के प्रति संवेदनशील किया जा रहा है. दूसरा, संरचनात्मक क्षति होती है (SAXS और WAXS में दिखाई), XRF में दिखाई compositional संशोधन के बाद.

(3) हालांकि एक्स-रे बीम काट आम तौर पर सभी माप मोड के साथ संगत है, यह कलाकृतियों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं: पहले, पिक्सेल प्रति एकीकृत फोटॉन प्रवाह एक अवधि में हेलिकॉप्टर पहिया गुजर एकीकृत प्रवाह से भिन्न होता है। यह प्रभाव काट और स्कैनिंग आवृत्ति के बीच एक छोटे अनुपात के साथ बड़ा हो जाता है. दूसरा, हेलिकॉप्टर पहिया और एक्स-रे बीम के बीच बातचीत बिखरे हुए, diffracted, और फ्लोरोसेंट फोटॉनों के लिए नेतृत्व कर सकते हैं. तीसरा, एकीकृत फोटॉन फ्लक्स 50% से कम है, जो फोटॉन भूख माप मोड के लिए विशेष रूप से महत्वपूर्ण है.

इन विचारों का एक परिणाम के रूप में, आदर्श माप योजना दी DUT और माप मोड की प्राथमिकता पर निर्भर करता है. हालांकि, यह अक्सर XBIC के लिए अनुकूलित एक माप के साथ शुरू करने के लिए बुद्धिमान है. लॉक-इन प्रवर्धित XBIV की आवश्यकता है, तो यह आमतौर पर दूसरा स्कैन है। अन्यथा, हेलिकॉप्टर हटाया जा सकता है, और मानक XBIV सहित अन्य सभी माप, अब रहने के समय के साथ किया जा सकता है के रूप में सबसे फोटॉन भूख तकनीक के लिए आवश्यक. आदर्श रूप में, XRF डेटा सभी स्कैन के दौरान मापा जाता है, जो नमूना बहाव के लिए खाते में पोस्ट प्रसंस्करण में छवि पंजीकरण के लिए अनुमति देता है.

(ड) बीम-प्रेरित मापनों के लिए विभिन्न जांच

विशिष्ट लाभ और नुकसान के साथ एक DUT के स्थानिक रूप से हल बिजली के प्रदर्शन के आकलन के लिए एक्स-रे बीम के लिए वैकल्पिक जांच कर रहे हैं। अतः इलेक्ट्रॉन-बीम प्रेरित धारा (ईबीआईसी) तथा लेजर-बीम प्रेरित धारा (एलबीआईसी) के साथ एक्सबीआईसी की गुणात्मक तुलना, जैसा कि इलेक्ट्रॉन सूक्ष्मदर्शी में या ऑप्टिकल सेटअप के साथ मापा गया है, सारणी 2में दी गई है।

एक लेजर द्वारा इलेक्ट्रॉन छेद जोड़ी पीढ़ी सौर कोशिकाओं के आउटडोर आपरेशन के करीब आता है. तथापि, LBIC के स्थानिक संकल्प मूल रूप से लेजर की तरंगदैर्ध्य द्वारा सीमित है. EBIC माप एक अधिक से अधिक स्थानिक संकल्प है कि आम तौर पर DUT के साथ इलेक्ट्रॉन बीम की बातचीत त्रिज्या द्वारा सीमित है प्रदान करते हैं. EBIC माप का मुख्य दोष उनकी सतह संवेदनशीलता है, परत ढेर के माध्यम से अवशोषक परत प्रदर्शन के आकलन में बाधा या यहां तक कि encapsulated उपकरणों में. इसके अलावा, गैर रेखीय द्वितीयक इलेक्ट्रॉन उत्सर्जन प्रभाव के साथ संयोजन में DUT के असमान सतहों अक्सर विकृत EBIC परिणाम के लिए नेतृत्व. इसके विपरीत, XBIC माप शायद ही topological विविधताओं से पीड़ित हैं, के रूप में सबसे संकेत थोक सामग्री में गहरी उत्पन्न होता है और सतह प्रभारी प्रभाव उचित ग्राउंडिंग द्वारा कम कर रहे हैं.

सभी तीन बीम प्रेरित तकनीक आम है कि प्रभारी इंजेक्शन अत्यधिक अजातीय है, बीम की स्थिति पर चोटी. एक परिणाम के रूप में, अतिरिक्त वाहक एकाग्रता और वर्तमान घनत्व असमांग रूप से वितरित कर रहे हैं. एक सरलीकृत तस्वीर में, सौर सेल के बहुमत अंधेरे में चल रही है, और एक छोटी सी जगह एक उच्च इंजेक्शन स्तर है कि ध्यान केंद्रित बीम के लिए सूर्य समकक्ष के सैकड़ों तक पहुँच सकते हैं पर चल रही है. इंजेक्शन स्तर वितरण न केवल बीम आकार और आकार पर निर्भर करता है, लेकिन यह भी बीम ऊर्जा, डिवाइस ढेर, और इंजेक्शन के समय संरचना पर। अब तक, एक्स-रे बीम को एक सतत बीम के रूप में माना गया है, जो कि माइक्रोसेकंड की तुलना में धीमी गति से चार्ज-वाहक संग्रह प्रक्रियाओं के लिए उचित है। हालांकि, सिंक्रोट्रॉन-स्रोत एक्स-रे में भंडारण-अंगूठी भरण पैटर्न के आधार पर तीव्रता और पल्स आवृत्ति के साथ उप-100-पीएस दालों से मिलकर बनता है। हालांकि हम तुलनात्मक रूप से धीमी XBIC माप पर भरने के पैटर्न के किसी भी प्रभाव पर ध्यान नहीं दिया है, अल्पकालिक इंजेक्शन स्तर पर निर्भर करता है. इसके विपरीत, एक एक्स-रे के समय संरचना का उपयोग कर सकते हैं: इसी तरह के समय के लिए प्रदर्शन किया गया है हल XEOL21, एक समय हल XBIC या XBIV माप की कल्पना कर सकते हैं, या XBIC /

असमांग इंजेक्शन के स्तर के परिणामों की एक पर्याप्त चर्चा DUT में 3 डी गतिशीलता और जीवन भर के साथ समय पर निर्भर इंजेक्शन स्तर के convolution सहित सभी प्रासंगिक बीम और डिवाइस मापदंडों के पूर्ण 3 डी सिमुलेशन की आवश्यकता है, जो इस पांडुलिपि के दायरे से परे है. हालांकि, यह अवधारणात्मक सभी बीम प्रेरित वर्तमान और वोल्टेज माप के लिए एक ही है और हम EBIC50 और LBIC51 माप के इंजेक्शन स्तर निर्भरता पर चर्चा साहित्य का उल्लेख.

स्थानीय आवेश इंजेक्शन के नकारात्मक परिणामों को प्रायोगिक रूप से 1 सूर्य तुल्य की तीव्रता के साथ पूर्वाग्रह प्रकाश के अनुप्रयोग द्वारा कम किया जा सकता है, और बीम-प्रेरित उत्तेजना केवल अतिरिक्त आवेश वाहकों की नगण्य मात्रा को जोड़ती है। व्यवहार में, इस अवधारणा को तकनीकी रूप से राज्य के अत्याधुनिक लॉक-इन एम्पलीफायरों में 100-120 डीबी के गतिशील आरक्षित द्वारा सीमित है, जो 105 से 106के संकेत-से-शोर अनुपात से मेल खाती है। हालांकि यह बीम आकार के तुलनीय आकार के उपकरणों के लिए suffices, यह स्थूल उपकरणों के लिए प्रासंगिक स्तर पर पूर्वाग्रह प्रकाश के आवेदन की अनुमति नहीं है. स्पष्ट समाधान नमूना आकार को कम करने के लिए है। दुर्भाग्य से, यह अक्सर नमूना सीमा या संपर्क बिंदुओं से कई सौ micrometers अप करने के लिए विद्युत सीमा प्रभाव द्वारा सीमित है.

यह भी ध्यान दें कि एक XBIC माप के इंजेक्शन स्तर निर्भरता का उपयोग कर सकते हैं: EBIC और LBIC के समान, एक्स-रे बीम तीव्रता अलग से इंजेक्शन स्तर श्रृंखला प्रदर्शन प्रमुख पुनर्संयोजन तंत्र और प्रभारी के बारे में जानकारी का अनावरण कर सकते हैं वाहक विसरण52,53.

अंत में, उच्च स्थानिक संकल्प के साथ संयुक्त एक्स-रे के प्रवेश गहराई XBIC एक सहसंबंधी माइक्रोस्कोपी दृष्टिकोण में TF सौर कोशिकाओं के रूप में दफन संरचनाओं के साथ DUT अध्ययन करने के लिए सबसे उपयुक्त तकनीक बनाता है। XBIC माप की बातचीत त्रिज्या आम तौर पर EBIC के लिए की तुलना में छोटा है, और स्थानिक संकल्प अक्सर प्रभारी वाहक के प्रसार लंबाई द्वारा सीमित है. XBIC माप का मुख्य दोष एक्स-रे नैनोप्रोब ्स ्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स्स

Disclosures

लेखकों को खुलासा करने के लिए कुछ भी नहीं है.

Acknowledgments

हम बहुत जे Garreveet, एम Seyrich, ए Schropp, डी Br$ckner, जे Hagemann, के Spiers, और टी Boese Deutes Elektronen-Synchrotron (DESY) और ए कोल्डिट्ज, जे Siebels, जे Flgge, के लिए T. पेट्रा III, DESY में बीमलाइन P06 पर माप का समर्थन; एम होल्ट, जेड कै, एम चेरुकारा, और एएनएल में उन्नत फोटॉन स्रोत (एपीएस) में बीमलाइन 26-आईडी-सी पर माप का समर्थन करने के लिए आर्गन नेशनल लेबोरेटरी (एएनएल) से वी गुलाब; डी सॉलोमन और आर Tucoulou यूरोपीय Synchrotron विकिरण सुविधा से (ESRF) ESRF पर बीमलाइन ID16B पर माप का समर्थन करने के लिए; आर Farshchi, डी Poplavkyy, और मियासोल हाई-टेक कॉर्प से जे बेली, और ई. Avancini, वाई Romanyuk, एस Bcheler, और ए. तिवारी से स्विस संघीय प्रयोगशालाओं से सामग्री विज्ञान और प्रौद्योगिकी (EMPA) सौर कोशिकाओं को उपलब्ध कराने के लिए. हम स्वीकार करते हैं DESY (हैम्बर्ग, जर्मनी), helmholtz एसोसिएशन HGF के एक सदस्य, प्रयोगात्मक सुविधाओं के प्रावधान के लिए. हम सिंक्रोट्रॉन विकिरण सुविधाओं के प्रावधान के लिए यूरोपीय Synchrotron विकिरण सुविधा (ग्रेनोबल, फ्रांस) स्वीकार करते हैं। इस शोध में उन्नत फोटॉन स्रोत के संसाधनों का उपयोग किया गया, जो अमेरिकी ऊर्जा विभाग (डीओई) विज्ञान प्रयोक्ता सुविधा का कार्यालय है जो अनुबंध संख्या के तहत आर्गन राष्ट्रीय प्रयोगशाला द्वारा विज्ञान के डीओई कार्यालय के लिए संचालित है। डे-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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