銅上のア​​トムプローブトモグラフィ研究（、ジョージア州）SE ₂粒界

この手順の全体的な目標は、CIGS粒界の化学組成と構造との間の相関関係を決定することです。これは、最初にCIGS材料の一部を持ち上げ、その一部を透過型電子顕微鏡ハーフグリッドの鋭いモリブデンピンの上に取り付けることによって達成されます。2番目のステップは、集束イオンビームの照準で以前に洗浄されたCIGSピースの断面で電子後方散乱回折測定を行うことです。

次に、選択した粒界の領域で環状ミリングが実行されます。このステップの目的は、直径約50ナノメートルの非常に鋭い先端を端に得ることです。最後のステップは、透過型電子顕微鏡を使用してチップ内の粒界の正確な位置を特定し、集束イオンビームツールを使用してこの粒子境界をチップの頂点近くに配置することです。

最終的に、調製したチップに対して実施されたアトムプローブトモグラフィー研究により、ナノスケールでの選択された粒界の化学組成が示されました。この手法が既存の標準的なリフトアウト法と比較した場合の主な利点は、化学組成を粒界タイプやミス配向などの構造情報と直接相関させることができることです。この方法は、効率の向上による生産コストの削減など、CHSボリュームダイクに関連する主要な質問に答えるのに役立ちます。

実際、グランドバウンダリーなどの内部界面は、電荷の再結合と輸送に影響を与える可能性があるため、極めて重要な役割を果たすことができます。Cos このアプローチは、原則として、APROトモグラフィーで特徴付けることができる500ナノメートルを超える粒径を持つすべての材料に適用できます。一般に、本手法は、集束IおよびB電子後方散乱率および透過型電子顕微鏡技術に熟練する必要があるため、この分野に不慣れな個人にとっては困難です。

この方法を開発するというアイデアを最初に思いついたのは、特定のナトリウムの不純物濃度がCIGS粒界ごとに異なることを発見したときです。このデモンストレーションでは、厚さ3mmのソーダライムガラス基板に500ナノメートルのモリブデンをスパッタリングし、2マイクロメートルのCIGSをモリブデン上に共蒸着しました。次に、試験片の支持に使用する構造を作成します。

マウム透過型電子顕微鏡グリッドを2つの部分に切断し、ハーフグリッドを特別に設計されたホルダーに取り付け、5%水酸化ナトリウムでマウムピンを電解研磨して、2マイクロメートル未満の直径のシャープなポストを取得し、焦点を絞ったディオンビームミルで作業します。CIGSフィルムの2つのトレンチは、約25マイクロメートル×2マイクロメートルの領域を切り取っています。次に、ビームを使用して領域の左側を空けてカットします。

次に、その領域にプラチナ溶接を堆積させ、これを所定の位置にマイクロメートルマニピュレータを取り付けます。領域の右側で最終カットを行い、材料の自立部分を取得します。ハーフグリッドの鋭利なピンの先端をカットして、抽出されたセクションの優れたプラットフォームとジョイントとして、直径2〜3マイクロメートルの表面を作成します。

CIGS材料の抽出部分を白金溶接を使用してピンに取り付けます。サンプルが付着したら、ピンの上部に約2マイクロメートルのCIGS片だけを残すようにフリーカットを行います。最後に、ピンと取り付けられたピースの間の隙間をプラチナで埋めます。

ピンが上を向くようにグリッドの向きを合わせます。フォーカスディオンビームの加速電圧を5キロボルトに設定し、ビーム電流を50ピコアンペア未満に設定します。ビームを使用して、最後にサンプルの断面をクリーニングします。

洗浄した断面に対して電子ビーム後方散乱回折測定を行います。データに基づいて、目的の粒度境界を選択します。理想的には、原子プローブの分析方向に垂直な粒界を選択します。

ここでは、アトムプローブトモグラフィーチップの図式化された位置によって選択が示されています。集束イオンビームをアニュラーミリングして、選択した粒界の近くに鋭い先端を形成するように設定します。最後に環状フライス盤を実行します。

鋭利な先端は、さらなる透過型電子顕微鏡に適している必要があります。チップが形成されたら、透過型電子顕微鏡を使用して、その頂点に対する粒界の正確な位置を特定します。粒界を特定したら、サンプルを5キロボルト、50ピコアンペア未満で動作する集束イオンビームに戻します。

サンプルの粉砕を続けて、粒界を最大200ナノメートルの位置に配置します。チップの頂点の下で、二次電子顕微鏡でプロセスをモニターします。次に、透過型電子顕微鏡に戻り、低倍率で露光時間を短縮して損傷を抑え、先端に対する粒界の位置を確認します。

試料の概観画像を作成し、粒界の知識を得ます。試験片の直径とハーフシャンク角度を配置します。プロセスを開始するには、prec charactサンプルをアトムプローブトモグラフィーホルダーに取り付けます。

次に、ホルダーを利用可能な3つのカルーセルのいずれかに取り付けます。カルーセルをロードロックに挿入し、真空ポンプを始動します。ロードロック内の圧力が約100ナノツアーになったら、カルーセルをバッファーチャンバーに挿入します。

次に、分析中に試料表面で原子が拡散しないように、システムを60ケルビン未満に冷却します。装置が冷却されたら、波長532ナノメートル、パルス長12ピコ秒の緑色レーザーを使用して装置をレーザーモードに設定した後、測定を開始します。最後に、データ分析のために装置を自動モードに設定します。

統合された視覚化および分析ソフトウェアを使用します。測定値の生データは、RHIT ファイルに含まれています。3D マップを再構築するには、セットアップ ウィンドウを使用して、正しいファイルがあることを確認します。

Adam の標準セットアップ手順を実行します。プローブトモグラフィーデータの再構築のためのセットアップが完了したら、チッププロファイル方法を選択します。これは、以前に収集された透過型電子顕微鏡データを利用します。

手順が完了したら、[再構築] タブで作成したプレビューを確認し、解析を保存します。これは、アトムプローブトモグラフィー技術によって解析されたA-C-I-G-S高角度粒界の3次元側面図です。この粒界は、サイトスペシフィックな調製方法を使用して選択しました。

このビデオに示されているように、この緑色の境界の向きのずれの角度は 28.5 度です。これらのマップは、境界でのナトリウム、酸素、カリウムの共分離をそれぞれ明確に示しています。これらの不純物は、摂氏600度でのCIGS層の堆積中に、ソーダライムガラス基板から吸収層に拡散した可能性が最も高いです。

同じサンプル濃度の場合、セレン、銅、インジウム、ガリウムの粒界全体の深さプロファイルを左に示します。スケールが異なるため、ナトリウム、酸素、カリウムの濃度深度プロファイルを右側に示します。灰色で強調表示された粒界の濃度は、緑色の内部と比較して異なります。

この緑の境界では銅とガリウムの両方が枯渇しますが、インジウムは濃縮されます。これは、abio密度汎関数理論の計算と一致します。さらに、ナトリウムはこの境界で最も高濃度であり、1.7原子パーセントで、次いで酸素とカリウムがそれぞれ0.4原子パーセントと0.035原子パーセントの濃度で筋肉になります。

サイトスペシフィックサンプル調製は、適切に実施されれば、6つのサンプルに対して20時間で行うことができます。この技術の適用には、INBミリング、透過型電子顕微鏡、電子後方散乱回折、そしてもちろんこの方法に続くアプロトモグラフィーに焦点を当てた4つの異なる技術の経験が必要です。輝度などの他の技術は、組換え、選択されたCHSグランド境界での電荷舞踏病の活動のような追加の質問に答えるために実行することができますその開発後。

この技術は、材料科学の分野の研究者がナノスケールで物理現象を探求し理解するための道を開きました。このビデオを見れば、アトムプローブトモグラフィー法、特にグランドバウンダリーなどの内部界面を分析する必要がある場合に、サイトスペシフィックサンプルを調製する方法を十分に理解できるかもしれません。