Pengukuran dan Evaluasi Suhu Permukaan Lokal yang Diinduksi oleh Iradiasi Berkas Elektron Berskala Nano atau Berskala Mikro

Hasil

Kami pertama-tama menginvestasikan batas atas suhu lokal, T _maks , yang dapat diinduksi oleh e-beam skala nano dalam TEM pada permukaan subjek. Lusinan bukti eksperimental menunjukkan bahwa atom di lapisan permukaan NW padat dapat langsung diuapkan di bawah iradiasi HIEB [8, 42], yang menunjukkan bahwa T yang sesuai _maks nilai lebih tinggi dari suhu penguapan bahan subjek. Gambar 1 menyajikan hasil tipikal yang diambil dalam TEM (Jeol 2010F) pada tegangan operasi 200 kV dan arus e-beam 5 nA. E-beam difokuskan ke diameter sekecil 0,5–1,0 nm, dan intensitasnya cukup tinggi untuk mengebor lubang berdiameter 1 nm di Si NW berdiameter 60 nm dalam waktu kurang dari satu detik. Gambar 1a adalah Si NW asli, di mana 25 nm Au NW terletak paralel sebagai referensi dalam operasi kemiringan. Gambar 1b menunjukkan delapan lubang nano pada Si NW yang dibuat dengan e-beam skala nano masing-masing dalam 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, dan 8 s. Semua lubang memiliki diameter yang sama:~ 1.0 nm. Gambar 1c, d menunjukkan tampak samping lubang untuk Si NW yang sama setelah sampel dimiringkan di tempat masing-masing sebesar 10,0° dan 20,0°. Terlihat bahwa setelah disinari selama 1 detik dengan e-beam berdiameter 0,5–1,0 nm, sebuah lubang telah dibor melalui seluruh Si NW. Dengan bertambahnya durasi penyinaran dari 1 hingga 8 detik, diameter bukaan depan dan bukaan bawah keduanya membesar, sedangkan bagian tengah lubang tembus tetap sama dengan diameter 1 nm, sehingga tampak tidak berubah pada tampilan atas yang ditunjukkan pada Gambar 1b .

Gambar morfologi TEM menunjukkan delapan lubang 1-nm yang dibor dalam kristal tunggal Si NW berdiameter 60nm. Ini dilakukan masing-masing dalam 1–8 s, dengan HIEB berdiameter 0,5–1,0-nm dari arus 5 nA dalam TEM 200 kV. a Si NW asli bersama dengan Au NW berdiameter 25 nm (tampak hitam pada gambar). b Gambar setelah delapan lubang nano telah dibuat oleh HIEB. c , d Gambar sampel yang sama setelah dimiringkan secara in situ masing-masing sebesar 10,0° dan 20,0°

Fakta yang disajikan pada Gambar. 1 adalah bahwa atom Si di daerah titik fokus lokal di bawah HIEB berdiameter 1 nm benar-benar menguap. Demikian pula, HIEB berdiameter 1 nm seperti itu mampu mengebor lubang di Au NW [8]. Kesimpulan logisnya adalah bahwa suhu lokal harus lebih tinggi dari titik didih bahan, di sini, Si atau Au. Seperti ditunjukkan pada Tabel 1, titik didihnya adalah 3173 K untuk Si dan 3081 K untuk Au. Dalam kedua kasus, suhu lokal di bawah HIEB lebih tinggi dari 3000 K. Studi sebelumnya menunjukkan bahwa titik leleh bahan nano sedikit lebih rendah daripada titik leleh [43,44,45], namun pada ukuran 20– 100 nm, penurunan titik leleh ini diperkirakan tidak terlalu besar.

Di sini, karena suhu lokal sangat tinggi sehingga tidak ada metode yang dapat diterapkan untuk mengukur suhu sebenarnya secara langsung. Untuk sensor termal kontak, suhu lokal lebih tinggi dari titik leleh atau bahkan titik didih sensor. Untuk metode pendaran nonkontak, tidak hanya ukuran area lokal yang terlalu kecil untuk serat optik, tetapi juga seluruh proses terjadi terlalu cepat untuk pengukuran optik yang andal.

Perkiraan suhu lokal yang tinggi di atas 3000 K dapat menimbulkan pertengkaran. Orang mungkin berpendapat bahwa alih-alih penguapan yang disebabkan oleh pemanasan termal, penghilangan atom Si lokal di delapan lubang nano yang ditunjukkan pada Gambar 1 disebabkan oleh "efek knock-on." Jika pengeboran lubang nano dengan HIEM benar-benar merupakan efek knock-on, maka mengurangi fluks HIEM dengan memperbesar diameter baloknya, seseorang dapat terus mengamati penghilangan atom permukaan dalam skala waktu yang lama. Namun yang diamati adalah ambang batas yang ada untuk intensitas balok, lebih rendah dari itu, proses pemboran di Si NWs, Au NWs, dll tidak dapat dilakukan [8]. Mengingat energi kinetik setiap elektron dalam TEM 200 kV adalah sekitar 10 ⁻¹⁴ J, yang lebih besar dari energi ikat per atom Si tiga kali lipat, efek penguapan dan knock-on memiliki efek sinergis dalam proses "pengeboran". Oleh karena itu, dengan mendefinisikan suhu lokal nominal sebagai parameter yang sebanding dengan energi kinetik rata-rata partikel lokal (di sini, atom Si), suhu lokal nominal di daerah delapan lubang benar-benar lebih tinggi dari titik didih Si.

Sebelumnya, dilaporkan bahwa ketika rapat arus balok berada di kisaran 10 ^3–5 A/cm ² , e-beam di TEM dapat diterapkan untuk memperkenalkan peleburan lokal di NWs berdiri bebas, misalnya, Au NWs, Cu NWs, dll, dalam hitungan menit [8]. Efek leleh yang diamati dengan jelas menunjukkan bahwa suhu lokal pada permukaan logam ini berada dalam kisaran 1000–2000 K, seperti yang tercantum dalam Tabel 1.

Dalam karya ini, kami mengamati bahwa ketika intensitas berkas cukup tinggi dan waktu penyinaran berlangsung selama beberapa menit, berkas elektronik dalam SEM juga dapat menginduksi efek peleburan lokal untuk pengendapan film tipis Pt dan Cr pada Si, seperti yang biasanya disajikan pada Gambar. 2 Dari gambar SEM (Gbr. 2a) dan gambar mikroskop gaya atom (AFM) (Gbr. 2b) dari sampel yang sama setelah iradiasi e-beam intensitas tinggi dalam SEM, orang melihat lubang dan tonjolan di daerah persimpangan dari dua TFTC Pt-Cr (disorot dengan panah merah). Temperatur leleh Cr dan Pt masing-masing adalah 2130 K dan 2045 K. Hasil eksperimen kami menyiratkan bahwa suhu lokal permukaan di bawah iradiasi e-beam lebih tinggi daripada suhu leleh logam ini (~ 2000 K) [46]. Tonjolan yang terjadi di tepi persimpangan beberapa mikron dari lubang leleh mungkin dibentuk oleh difusi dan akumulasi atom Pt dan Cr. Namun, kami gagal mendapatkan nilai suhu lokal waktu nyata dengan sensor TFTC Pt-Cr yang sama di bawah iradiasi. Alih-alih menunjukkan peningkatan suhu lokal 2000 K, kami mengukur peningkatan kurang dari 100 K. Seperti yang akan dibahas nanti, perbedaan besar ini disebabkan oleh disipasi termal substrat Si yang tebal dan ukuran besar sensor TFTC.

Efek leleh lokal diamati dalam SEM. a Gambar SEM dari sampel array TFTC Pt-Cr, menunjukkan dua lubang (disorot dengan panah merah) dibuat dengan iradiasi e-beam di daerah persimpangan dua sensor TFTC Pt-Cr. b Gambar AFM dari dua persimpangan yang sama, menunjukkan informasi 3D rinci dari dua lubang. c Empat sensor TFTC Pd-Cr dibuat pada Si₃ dengan ketebalan 400 nm dan berdiri bebas N₄ jendela film tipis. Dua TFTC (disorot dengan panah putih) di kiri lebar jendela dibakar dengan laser 785 nm terfokus. d Puncak keluaran yang sesuai dari TFTC Pd-Cr saat dibakar dengan laser

Dengan memperhatikan keandalan perangkat untuk pengukuran suhu tinggi, kami menyediakan eksperimen yang dirujuk dengan laser energi tinggi, yang panasnya berfokus pada sambungan cukup untuk mengimbangi disipasi termal. Gambar 2c menunjukkan perangkat TFTC Pd-Cr kami yang dibuat pada Si₃ berdiri bebas setebal 400 nm. N₄ jendela film tipis. TFTC Pd-Cr yang dibuat dengan parameter proses yang sama dari Pt-Cr TFTC digunakan untuk mengukur laser Medis oleh rekan tim kami, bukan Pt-Cr TFTC, dan hasil yang signifikan dirujuk di sini untuk mengonfirmasi keandalan suhu tinggi dari perangkat jenis ini [47]. Dengan penyinaran pada titik fokus laser 79 mW (daya), 785 nm (panjang gelombang) selama 2 s, dua sambungan Pd-Cr dibakar (disorot dengan panah putih). Sementara itu, perangkat menunjukkan puncak keluaran mendekati 50 mV. Dengan menggunakan hasil kalibrasi kami yang diperoleh pada suhu kamar sekitar 20 μV/K, ini menunjukkan suhu puncak nominal ~ 2400 K, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2d. Namun 2400 K lebih tinggi dari titik leleh film Pd, 1825 K. Kami mengaitkan kesalahan ini dengan koefisien Seebeck yang berubah dari Pd dan Cr pada suhu tinggi. Namun demikian, hasil kami menunjukkan bahwa sensor TFTC kami dibuat pada Si₃ N₄ jendela film tipis dapat digunakan untuk mengukur suhu lokal hingga nilai yang mendekati titik leleh garis-garis logam, yaitu 1800 K.

Batas atas suhu lokal T _maks dalam SEM juga terungkap dengan eksperimen kami pada anil [Mg-B]_N film tipis berlapis-lapis. Hasil penelitian menunjukkan bahwa e-beams dengan intensitas tinggi dapat menginduksi transisi fase pada [Mg-B]_N amorf. film tipis berlapis-lapis dalam 1 s. Akibatnya, multilayer amorf sebagian berubah menjadi MgB₂ fase superkonduktor [5,6,7]. Gambar 3 dan Tabel 2 menyajikan beberapa hasil umum. Film pendahulu, dilambangkan dengan [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_{N = 4} , disiapkan dengan ketebalan total 100 nm. Tegangan percepatan dari e-beam anil adalah 40 kV, dengan arus berkas masing-masing sebesar 9,9 mA, 10,7 mA, dan 12,8 mA. Gambar SEM dari sampel mengungkapkan bahwa arus anil yang berbeda dapat menghasilkan kekasaran yang berbeda pada permukaan film, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3. Pada area sampel 10 × 10 μm ² , kekasaran akar rata-rata kuadrat (RMS) diukur masing-masing menjadi 3,11 nm, 3,56 nm, dan 7,53 nm, untuk sampel ini. Suhu transisi superkonduktor T _c dari sampel ini ditemukan masing-masing 35,1 K, 35,8 K, dan 36,3 K (Tabel 2). Ini menyiratkan bahwa suhu anil sangat penting untuk penguapan Mg, difusi ke dalam lapisan B, dan laju reaksi dengan B. Arus yang lebih besar dapat menghasilkan suhu anil yang lebih tinggi, yang dapat menghasilkan reaksi yang lebih memadai. Menurut diagram fase MgB₂ , suhu minimum yang diperlukan untuk transisi fase untuk membentuk superkonduktor MgB₂ adalah 900–1000 K. Oleh karena itu, e-beams telah menginduksi suhu lokal sekitar 900–1000 K, atau bahkan lebih tinggi. Hasil ini konsisten dengan hasil yang ditunjukkan pada Gambar 2.

Mikrograf SEM [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_{N = 4} multilayer pada substrat SiC yang dianil dengan HIEB dalam SEM dengan arus anil a 0 mA, b 9,9 mA, c 10.7 mA, dan d 12,8 mA, masing-masing

Ketika intensitas sinar-e yang datang dikurangi lebih lanjut, atau durasi penyinaran dikurangi, berkas-e menyebabkan efek pemanasan lokal yang terukur pada permukaan di bawah iradiasi. Gambar 4 menyajikan serangkaian hasil pengukuran biasa. Gambar 4a adalah gambar optik untuk salah satu dari empat jenis sampel susunan TFTC yang dikembangkan dalam karya ini. Dibuat pada SiO setebal 400 m₂ /Si(100) substrat, perangkat ini terdiri dari 24 TFTC Pt-Cr identik. 24 persimpangan, masing-masing dengan luas 5.0 × 5.0 μm ² , rentang dalam 4 baris, buat pola "silang" di tengah gambar. Gambar 4b adalah gambar SEM yang menunjukkan bagian tengah perangkat, di mana sinar yang lebih terang adalah garis-garis Pt, dan yang lebih gelap adalah garis-garis Cr.

Gambar sampel TFTC dalam Si dan hasil pengujiannya. a Gambar optik array TFTC pada Si dengan ukuran sambungan 5.0 × 5.0 μm ² . b Gambar SEM dari pusat perangkat, menunjukkan 24 persimpangan sensor. c Hasil pengukuran kenaikan suhu lokal dengan TFTC di bawah iradiasi e-beam dengan tegangan percepatan dan arus beam yang berbeda

Gambar 4c memplot beberapa data terukur. Mereka diambil dari sensor TFTC yang berbeda di bawah iradiasi e-beam pada tegangan akselerasi yang berbeda masing-masing 10, 15, 20, dan 25 kV, dengan meningkatnya arus pancaran. Diameter titik sinar ditetapkan pada 1 μm dan waktu pengukuran ditetapkan pada 30 s. Eksperimen kalibrasi mengungkapkan bahwa sensitivitas rata-rata TFTC Pt-Cr adalah 15.00 ± 0,29 μV/K, dengan standar deviasi relatif 1,9%. Ini menunjukkan bahwa kenaikan suhu lokal meningkat secara linier dengan arus e-beam yang datang. Ini menunjukkan efek pemanasan permukaan linier, bahwa daya pemanasan yang dikonversi ke permukaan subjek lokal (di sini persimpangan TFTC) sebanding dengan fluks elektron dalam berkas elektronik insiden. Dalam kesalahan pengukuran, daya pemanasan juga sebanding dengan tegangan percepatan. Namun, seperti yang akan kita bahas berikut ini, data terukur jauh lebih rendah daripada kenaikan suhu lokal yang tepat di pusat e-beam.

Diskusi

Distribusi Terpusat dari Suhu Lokal Di Bawah e-Beam Skala Nano

Kami memperhatikan bahwa ketika NW disinari dengan e-beam skala nano, wilayah tengah memiliki suhu yang jauh lebih tinggi daripada wilayah lainnya. Gambar 5a menunjukkan kristal tunggal Si NW dengan empat lubang nano yang dibor di TEM dengan HIEB. Dua lubang kiri, disorot dengan panah biru, memiliki diameter 1,2–1,5 nm, dan merupakan lubang dangkal, yang tidak menembus barat laut. Dua lubang kanan, yang disorot dengan panah merah, masing-masing melalui lubang dengan diameter 2,5 nm dan 4,0 nm. Jelas terlihat bahwa daerah cincin nano di sekitar lubang menunjukkan struktur amorf, sedangkan bagian NW yang tersisa mempertahankan struktur kristal aslinya. Misalnya, wilayah tengah antara dua lubang yang berdekatan, yang hanya berjarak 2–4 nm dari tepi lubang, menunjukkan periode kristalin yang jelas di sepanjang dua arah.

Distribusi suhu lokal di bawah iradiasi e-beam skala nano. a Si NW kristal tunggal dengan empat lubang nano yang dibor dengan HIEB di TEM. Dua lubang dangkal disorot dengan panah biru, dan dua lubang tembus disorot dengan panah merah. b Diperkirakan B (r ) berfungsi untuk suhu lokal versus jarak ke titik pusat

Fenomena ini menyiratkan bahwa di bawah nano-e-beam, pusat subjek di bawah iradiasi memiliki suhu tertinggi, dan jauh dari pusat ini, suhu lokal menurun tajam. Gambar 5b secara skematis menggambarkan asumsi:T (r ) fungsi mirip dengan fungsi delta, di mana T adalah suhu lokal dan r adalah jarak dari titik pusat e-beam. Kita juga dapat berasumsi bahwa ketika e-beam meningkatkan diameternya, ada dataran tinggi di tengah T (r ) kurva, di mana suhu lokal jenuh, dan ketika diameter balok semakin meningkat, dataran tinggi meningkatkan area saturasinya.

Selain pengamatan di TEM seperti yang biasanya ditunjukkan pada Gambar. 4a, asumsi distribusi suhu lokal di atas diuji secara kualitatif dengan susunan TFTC kami di bawah e-beam yang lemah di SEM. Gambar 6a adalah gambar SEM sisi depan untuk susunan TFTC Pt-Cr yang dibuat pada wafer Si. Pada Gambar 6b, kami menyajikan hasil pengukuran yang unik. Data diperoleh dengan syarat bahwa e-beam difokuskan untuk memiliki ukuran beam 1 μm, sedangkan titik fokus e-beam dipindahkan in situ pada beam Pt atau Cr dari masing-masing sensor Pt-Cr TFTC. Jarak dari titik fokus ke daerah persimpangan TFTC diukur dengan hati-hati. Di bawah pengaturan eksperimental ini, kami berasumsi bahwa suhu lokal titik fokus hampir sama, sedangkan data yang diukur sangat berbeda saat jarak berubah. Hasil menunjukkan bahwa setelah jarak 1,5 mm dari daerah persimpangan, efek termal yang disebabkan oleh e-beam fokus hampir dapat diabaikan.

Array TFTC dan hasil pengukurannya. a Gambar SEM dari sampel larik Pt-Cr TFTC di permukaan depan Si₃ N₄ /Si(100)/Si₃ N₄ kue wafer. Susunan TFTC di bagian tengah perangkat terdiri dari 24 TFTC, yang memiliki ukuran sambungan berkisar dari 2,0 × 2,5 hingga 8,0 × 8,5 μm ² . b Keluaran terukur dari satu sensor TFTC ketika berkas elektronik terfokus berdiameter 1 mikro disinari pada titik dua strip film tipis logam TFTC, yaitu Pt dan Cr, pada jarak tertentu ke daerah sambungan Pt-Cr

Pengaruh Ukuran Sensor dan Hasil Pengukuran

Kami menemukan bahwa ukuran persimpangan TFTC kami memiliki pengaruh penting pada hasil pengukuran. Pada Si dengan 24 Pt-Cr TFTC, sambungan asli memiliki ukuran 5.0 × 5.0 μm ² . Kami menggunakan teknik berkas ion terfokus (FIB) untuk membuat beberapa sambungan menjadi ukuran sambungan yang lebih kecil 1,0 × 1.0 μm ² , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7a, b. Di bawah iradiasi e-beams yang sama, keluaran diambil dari TFTC dengan ukuran sambungan kecil 1,0 × 1.0 μm ² jauh lebih tinggi dibandingkan dengan ukuran persimpangan 5,0 × 5.0 μm ² , seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7c. Misalnya, disinari dengan e-bema tegangan percepatan 15 kV dan arus berkas 113,3 nA, TFTC dengan ukuran sambungan 5,0 × 5,0 μm ² mengukur kenaikan suhu lokal sebesar 35,0 K. Dalam kondisi yang sama, kenaikan 161,4 K diukur oleh TFTC dengan ukuran persimpangan 1,0 × 1.0 μm ² , ditingkatkan lima kali. Again, it confirmed that the peak surface temperature under a nano-microscale e-beam was localized in a very small area.

SEM images of a TFTC array and its measurement results. a SEM image of a Pt-Cr TFTC array on thick Si wafer with identical original junction size of 5.0 × 5.0 μm ² . One junction (highlighted with a dashed yellow frame) was cut with FIB to a junction area of 1.0 × 1.0 μm ² . b SEM image of the FIB fabricated junction area in (a ). c Measured outputs from an original TFTC and the small junction TFTC under the same e-beam irradiation

Influence of Freestanding Si₃ N₄ Window on the Measurement Results

The substrate for our TFTC sensor plays an important role on the maximum local surface temperature of a subject under irradiation of nano-microscaled e-beams. When the substrate is thick, heat dissipated through the substrate may be much more than the local heat accumulates on the subject surface. As a result, the measured local temperature could be much lower than the possible T _maks induced by the incident e-beam.

Generally, an incident nano-micro-scaled e-beam generates an amount of local heat, Q , at the surface of the subject under irradiation, which can be described by Q  = P ·Δt ·γ , where P ·is the incident kinetic power, Δt is the time duration, and γ is the converting ratio. Ignoring the relativity effect, roughly P ·Δt ·γ  = I ·V ·Δt ·γ , where I is the beam current, and V is the accelerating voltage. Some heat is expected to dissipate though the substrate, TFTC leads, and radiation. The remaining part causes increment of the local surface temperature that is measurable by the TFTC sensors. That is, Q  = Q _substrate + Q _lead + Q _radiation + Q _sensor , and Q _sensor  = C ·ΔT  + λ . Here, Q _substrate , Q _lead , and Q _radiation represent thermally dissipated heat through the substrate, sensor leads, and radiation effect, respectively. Q _sensor corresponds to the remained heat measured by the sensor, C is the thermal capacity of the sensor junction, ΔT is the increment of local temperature as compared to the cold ends of TFTCs, and λ is the latent heat of phase transition. Our previous studies have shown that, under the irradiation of the same e-beams, the measured output from TFTC sensors made on freestanding Si₃ N₄ window was 10–30 times larger than that taken from the same sensors on thick Si wafers [40]. This factor of enhancement indicated that Q _substrate was much larger than Q _sensor .

We noted that the converting ratio γ , or referred as thermal efficiency value in some publications, depended very much on the average kinetic energy. The converting ratio γ of a welding electron beam with an accelerating voltage of 70 kV had been revealed in the range of 0.33–0.48, and it was found that this ration had little correlation with the weld geometry [48]. Experiments had manifested that under low energy high current pulsed electron beam (LEHCPEB) irradiation, a homogeneous layer had been formed on the surfaces of steels, which could improve the anti-corrosion properties of steels dramatically [49]. However, in our TEM experiments, the γ values were extremely lower than one unit by several orders of magnitude. The underlying physics need further investigation.

We summarize the results and discussions of this work in Fig. 8. Our experimental results taken from irradiation of high-intensity e-beams in either a TEM or a SEM were consistent with each other. A local surface T _maks higher than 1800–2000 K was achievable in both TEM and SEM, as revealed by local meting phenomena observed in Au NWs, Cu NWs, Pt, and Cr thin film stripes. In TEM, since the nanomaterials investigated in this work were naturally freestanding, T _maks higher than 3000 K was evaluated from the observed nano-drilling experiments on Si NWs and Au NWs. Local vaporization effects were induced in seconds by 1 nm diameter e-beams.

An illustration for the overall picture of the nominal local temperatures under irradiation of nano-/micro-scale e-beams. The gray oval indicates the comparison between small and large TFTCs on thick Si wafers. The yellow oval indicates the comparison between TFTCs on thick Si wafers and on freestanding Si₃ N₄ thin film windows. For T  > 1500 K, the data points are estimated values from morphology or phase change

We showed that TFTC on a freestanding Si₃ N₄ thin film window resulted in an enhanced sensitivity by a factor of 10–30 times, and we showed that a 1-μm-wide TFTC sensor had a sensitivity higher than that of a 5-μm-wide TFTC by a factor of five times. This is because thick substrate and wide leads both dissipated a large amount of local heat. For precise measurement of local surface temperature at the nano- and micro-scales, ideally one should fabricate TFTC sensors as small as possible, and make them on thermal isolation layers, such as freestanding Si₃ N₄ thin film windows or Parylene layers.