Pengukuran Kenaikan Suhu Permukaan dari Iradiasi Sinar Elektron Skala Nano- hingga Mikro
Abstrak
Sinar elektron (e-beam) telah diterapkan sebagai sonde deteksi dan sumber energi bersih dalam banyak aplikasi. Dalam pekerjaan ini, kami meneliti beberapa pendekatan untuk pengukuran dan estimasi rentang serta distribusi suhu lokal pada permukaan subjek di bawah iradiasi sinar elektron skala nano-mikro. Kami menunjukkan bahwa sinar elektron berintensitas tinggi dengan kepadatan arus 105-6 A/cm2 dapat mengakibatkan penguapan Si dan Au padat dalam hitungan detik, dengan suhu permukaan lokal lebih dari 3000 K. Dengan intensitas sinar yang lebih rendah hingga 103-4 A/cm2, sinar elektron dapat memperkenalkan suhu permukaan lokal dalam rentang 1000–2000 K dalam waktu singkat, menyebabkan peluruhan lokal pada nanowire logam dan tipis film Cr, Pt, dan Pd, serta transisi fase pada tipis film logam Mg-B. Kami menunjukkan bahwa termokopel tipis film pada jendela freestanding Si3N4 mampu mendeteksi suhu permukaan lokal puncak hingga 2000 K yang stabil, dan suhu dalam rentang yang lebih rendah dengan presisi tinggi. Kami membahas distribusi suhu permukaan di bawah sinar elektron, dissipasi panas substrat tebal, dan rasio konversi kecil dari energi kinetik tinggi sinar elektron menjadi panas permukaan. Hasilnya mungkin memberikan beberapa petunjuk untuk aplikasi baru sinar elektron.
Pendahuluan
E-beam telah diterapkan sebagai sonde dan sumber energi bersih dalam berbagai aplikasi praktis, seperti citra morfologi permukaan, analisis struktur kristal, pembuatan pola litografi, penyetoran tipis film, dll. Dalam aplikasi praktis ini, efek pemanasan permukaan lokal di bawah iradiasi sinar elektron adalah masalah yang menarik. Untuk beberapa aplikasi, misalnya dalam litografi sinar elektron, panas permukaan yang diinduksi sinar elektron ini dapat menyebabkan distorsi pola yang dirancang pada skala nano dalam proses penulisan sinar elektron, sehingga mengakibatkan kegagalan perangkat akhir [1,2,3]. Dalam beberapa aplikasi lainnya, efek pemanasan permukaan lokal digunakan untuk penyetoran tipis film [4], aniling [5,6,7], atau bahkan patungan nanomaterial [8, 9]. Namun sampai saat ini, pengukuran dan evaluasi yang presisi dari suhu permukaan lokal di bawah iradiasi sinar elektron masih menjadi tantangan teknis [10,11,12].
Ketika "elektron bebas" dalam logam diberikan energi kinetik tinggi, misalnya melalui pemanasan atau medan listrik tinggi, mereka dapat keluar dari massa logam ke ruang bebas. Sinar elektron telah digunakan secara luas dalam pengelasan [13,14,15,16], peluruhan [17], pemotongan tepi [18], perawatan permukaan [19, 20], dan penyetoran uap fisik [21]. Hampir kini, banyak kemajuan terbaru dalam proses manufaktur aditif logam menggunakan peluruhan sinar elektron telah dicapai [22,23,24,25,26]. Ini telah menarik perhatian yang meningkat untuk menggunakan sinar elektron untuk melelehkan secara selektif bubuk logam. Sinar elektron yang dibahas dalam pekerjaan ini merujuk pada yang dipancarkan dari pistol elektron yang terbuat dari kawat tungsten, ujung kristal LaB6, atau ujung kristal W [27, 28]. Setelah dipercepat di bawah medan listrik tinggi, sinar elektron menjadi sumber energi murni dengan rata-rata 5–30 keV per elektron dalam mikroskop elektron skaning (SEM), atau 100–300 keV per elektron dalam mikroskop elektron transmisi (TEM) normal.
Fenomena yang terkait dengan proses reentry sinar elektron bebas dalam vakum ketika diarahkan untuk memasuki permukaan padat bersih dalam SEM atau TEM telah dipelajari dengan baik. Ketika sinar elektron berenergi tinggi (5–300 keV) mencapai permukaan padat, biasanya menghasilkan banyak elektron sekunder, elektron pencaran balik, elektron Auger, dll. Ini juga dapat menginduksi excitasi atom di bawah iradiasi, dan menyebabkan "efek knock-on" yang menghilangkan beberapa atom permukaan, dan mungkin merusak struktur kristal lokal sehingga menginduksi gangguan dan cacat [29, 30]. Selain itu, interaksi elektron-padat ini menyebabkan peningkatan suhu lokal subjek di bawah iradiasi sinar elektron.
Secara umum, kenaikan suhu lokal berasal dari konversi energi kinetik sinar elektron ke subjek di bawah iradiasi. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa suhu lokal di bawah sinar elektron berintensitas tinggi (HIEB) bisa sangat tinggi. Sebuah HIEB dalam TEM dapat membor lubang nano, memotong jembatan nano dalam nanowire (NW), dan melemahkan dua NW membentuk junc [8]. Dengan prosedur operasi yang hati-hati, seseorang dapat menggunakan sinar elektron untuk membuat jembatan rantai atom tunggal karbon dari tipis film karbon kontinu [9]. Menggunakan sinar elektron sebagai sumber energi in situ, seseorang dapat memperoleh fase superkonduktor MgB2 dari film "superlattice" berlapis [Mg-B]n [5,6,7].
Namun, tetap menjadi isu yang kontroversial: Berapa suhu lokal tepat yang diinduksi oleh sinar elektron? Secara teknis, sulit untuk mengukur secara langsung suhu lokal yang diinduksi oleh sinar elektron difokus dalam TEM atau SEM. Beberapa upaya telah dilakukan untuk memecahkan masalah ini [31, 32]. Misalnya, profil suhu pada permukaan film resist di bawah iradiasi sinar elektron diukur dengan termokopel tipis film submicron. Profil suhu lokal dengan resolusi spasial nanometer diperoleh dengan mikroskop elektron transmisi skaning (STEM) dan spektroskopi kehilangan energi elektron (EELS) [33]. Pengukuran langsung suhu lokal dalam lingkungan skala nano dilakukan dalam TEM dengan spektroskopi gabungan gain dan kehilangan energi elektron [34]. Menggunakan metode difraksi paralel sinar elektron, suhu lokal dalam TEM diukur secara tidak langsung dari perubahan sudut pencaran yang diinduksi oleh ekspansi termal [35]. Dengan memanfaatkan TEM dan transisi fase padat-cair pulau logam, citra termal skala nano diperoleh, resolusinya melebihi batas mikroskopi termal berdasarkan teknik citra inframerah [36]. Dengan metode ini, mekanisme pemanasan Joule jarak jauh substrat nitrida silikon oleh nanotubus karbon multi-dinding tunggal telah ditemukan [37]. Selain itu, mikro-termometer, yang berdasarkan transisi insulator-logam, dapat memberikan evaluasi kuantitatif pemanasan sinar elektron secara detail [38].
Namun upaya ini hanya berlaku untuk rentang suhu rendah. Dalam pekerjaan ini, dengan menganalisis perubahan struktur material sebelum dan setelah iradiasi, dan dengan mengukur secara langsung suhu lokal dengan perangkat dan teknik pengukuran yang kami kembangkan [39, 40], kami menganalisis efek pemanasan yang diinduksi dengan sinar elektron skala nano untuk rentang suhu enam orde besar dengan eksperimen in situ dalam TEM dan SEM. Untuk suhu di atas 103 K, kami mengestimasi suhu lokal di bawah sinar elektron dengan perubahan morfologi dalam nanowire semiconductornya dan logamnya, serta strip nano tipis film logam. Untuk suhu di bawah 103 K hingga fraksi 1 K, kami mengukur suhu lokal di bawah sinar elektron dengan perangkat termokopel tipis film mikro-/nano yang dibuat pada film freestanding Si3N4. Spektrum lengkap suhu maksimum lokal versus intensitas insiden sinar elektron mungkin memberikan referensi yang berharga untuk aplikasi baru yang melibatkan proses sinar elektron.
Detail Eksperimen
Si nanowire (NW) yang digunakan dalam pekerjaan ini dibuat dengan proses pengendapan uap kimia (CVD) seperti yang dijelaskan sebelumnya [8]. Cu NW, Au NW, dan Ag NW dibuat dengan proses pengendapan elektrokimia pada substrat alumina oksida anodis pori seperti yang dijelaskan sebelumnya [41].
Tipis film termokopel Pt-Cr dibuat dengan prosedur ruang bersih standar dan teknik pengendapan tipis film seperti yang dilaporkan sebelumnya [40]. Dalam pekerjaan ini, tipis film Cr diatur dengan sistem sputter magnetron (PVD75, Kurt J. Lesker, USA) dalam gas Ar. Pola Cr muncul setelah proses lift-off dan pola Pt yang sejajar dengan penanda Cr dibuat dengan parameter yang sama. Sebuah tipis Cr tebal 3 nm diatur sebelumnya sebagai lapisan penempel untuk lapisan Pt. Untuk array TFTC Pt-Cr, tipis film Pt dan Cr dengan ketebalan masing-masing 90 nm dan 50 nm diukur dengan profilometer. Pada setiap wafer 4-in, kami merancang 18 dies identik, diatur dalam array 4 × 4. Setiap die berukuran 16 mm × 16 mm dan terdiri dari satu perangkat array TFTC. Setiap array TFTC terdiri dari 24 TFTC, yang memiliki ukuran junc dari 2.0 μm × 2.5 μm hingga 8.0 μm × 8.5 μm. Resistansi TFTC, berkisar dari 0.7 hingga 75.6 kΩ, diperoleh dengan multimeter digital (2400, Keithley) untuk TFTC dengan ukuran yang berbeda. Termopower TFTC dikalibrasi sebesar 15.0 ± 0.3 μV/K pada platform buatan sendiri.
Untuk mikro-perangkat tipis film yang dibuat pada jendela freestanding Si3N4 yang berada pada substrat Si (100), lapisan nitrida silikon tebal 400 nm diatur pada kedua sisi wafer Si (100) dengan teknik pengendapan uap kimia tekanan rendah (LPCVD) dan menunjukkan properti mekanik yang baik. Setelah perangkat TFTC pada permukaan depan dibuat, jendela etching persegi diatur dan diukir pada sisi belakang wafer, proses basah dilakukan untuk meng-etch melalui wafer Si dari sisi belakang, meninggalkan jendela tipis film freestanding Si3N4 dengan array TFTC yang telah diatur sebelumnya untuk pengukuran termal dalam SEM.
Eksperimen pemilihan ion terfokus (FIB) dilakukan pada sistem dual beam FIB/SEM 820, yang mengurangi ukuran junc TFTC dari 5.0 × 5.0 μm2 menjadi 1.0 × 1.0 μm2. Sebuah ion beam Ga+, dengan arus beam 12 pA dan tegangan percepatan 30 KV, digunakan dalam proses pengurangan.
Dalam eksperimen aniling in situ kami untuk tipis film Mg/B, kami memanfaatkan slug magnesium komersial (99.99%) dan boron (99.5%) sebagai sumber evaporsi untuk penyetoran tipis film berlapis Mg–B. Vakum dasar di ruang penyetoran sekitar 5.0 × 10− 6 Pa. Lapisan magnesium tebal 15 nm berfungsi sebagai lapisan pertama, yang diatur oleh evaporsi sinar elektron pada suhu ruang pada substrat 6H–SiC (0001) dalam coater UHV Balzers UTT 400. Setelah itu, lapisan B tebal 10 nm diatur pada lapisan pertama. Lapisan Mg dan B, yang diatur secara bergantian pada substrat, adalah film pre-kursor dengan struktur berlapis [B(10 nm)/Mg(15 nm)]N = 4 pada substrat SiC. Ketebalan total berlapis Mg–B adalah 100 nm, dipantau oleh osilator kuarsa in situ. Rasio ketebalan Mg:B = 3:2 (15 nm:10 nm = 3:2) dapat memenuhi komposisi Mg:B = 1:2. Lapisan boron teratas tebal 10 nm berfungsi sebagai cap film untuk mengurangi kehilangan Mg hingga certain tingkat selama aniling. Film pre-kursor di-aniling pasca di dalam pengelasan sinar elektron EBW-6 dengan tekanan vakum 5.0 × 10− 3 Pa. Tegangan percepatan sinar elektron aniling adalah 40 KV dengan arus beam 3 mA. Diameter sinar elektron adalah 1.40 cm dan durasi aniling adalah 0.1–1.0 s.
Eksperimen HIEB dalam TEM dilakukan pada TEM field-emission Jeol 2010F 200-kV. Arus sinar elektron diukur sekitar 5 nA dengan Faraday cup. Pada diameter sinar elektron 0.5–1.0 nm, kepadatan arus nominal (0.6–2.5) × 106 A/cm2 dihasilkan pada spesimen. Spesimen TEM disiapkan pada grid lacey karbon dari suspensi NW dalam etanol. Prosedur yang digunakan untuk pola dan pengelasan NW mengikuti deskripsi dalam ref. [9]. Eksperimen SEM dilakukan pada pengelasan sinar elektron vakum EBW-3H dan mikroskop elektron skaning field emission (FEI QUANTA 600F). Penyambungan dan koneksi yang rumit antara perangkat di ruang vakum SEM dan instrumen pengukuran di luar ruang vakum dirancang dan direalisasikan secara khusus. Sinyal tegangan lemah output dari TFTC di bawah iradiasi sinar elektron SEM pada berbagai ukuran titik (dari 1 hingga 7, a.u.) dan tegangan percepatan (dari 2 hingga 30 keV) diukur dengan multiplexer buatan sendiri dan nanovoltmeter Keithley 2182A [39].
Hasil
Kami pertama-tama menyelidiki batas atas suhu lokal, Tmax, yang dapat diinduksi oleh sinar elektron skala nano dalam TEM pada permukaan subjek. Puluhan bukti eksperimental menunjukkan bahwa atom dalam lapisan permukaan NW padat dapat segera diapu di bawah iradiasi HIEB [8, 42], yang menunjukkan bahwa nilai Tmax yang sesuai 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 sinar elektron 5 nA. Sinar elektron difokus menjadi diameter sekecil 0.5–1.0 nm, dan intensitasnya cukup tinggi untuk membor lubang diameter 1 nm dalam NW Si diameter 60 nm dalam waktu kurang dari satu detik. Gambar 1a adalah NW Si asli, di mana NW Au 25 nm terletak secara paralel sebagai referensi dalam operasi miring. Gambar 1b menunjukkan delapan lubang nano pada NW Si yang dibuat dengan sinar elektron skala nano dalam waktu 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, dan 8 detik, masing-masing. Lubangnya semua memiliki diameter yang sama: ~ 1.0 nm. Gambar 1c, d menunjukkan sisi lubang untuk NW Si yang sama setelah sampel di-miringkan in situ selama 10.0° dan 20.0°, masing-masing. Seseorang melihat bahwa setelah iradiasi selama 1 detik dengan sinar elektron diameter 0.5–1.0 nm, lubang telah dibor melalui seluruh NW Si. Seiring meningkatnya durasi iradiasi dari 1 hingga 8 detik, diameter lubang depan dan lubang dasar keduanya membesar, sementara wilayah tengah lubang melalui tetap memiliki diameter 1 nm yang sama, sehingga tampak tidak berubah pada tampilan atas yang ditunjukkan pada Gambar 1b.
Citra morfologi TEM yang menunjukkan delapan lubang 1-nm yang dibor dalam NW Si tunggal kristal diameter 60-nm. Ini dilakukan dalam waktu 1–8 detik, masing-masing, dengan HIEB diameter 0.5–1.0-nm arus 5 nA dalam TEM 200 kV. a NW Si asli bersama dengan NW Au diameter 25-nm (tampak hitam dalam citra). b Citra setelah delapan lubang nano dibuat oleh HIEB. c, d Citra sampel yang sama setelah miring in situ 10.0° dan 20.0°, masing-masing
Fakta yang disajikan pada Gambar 1 adalah bahwa atom Si di wilayah lokal titik fokus di bawah HIEB diameter 1-nm sepenuhnya diapu. Sebagai contoh, HIEB diameter 1-nm semakin mampu membor lubang dalam NW Au [8]. Kesimpulan logis adalah bahwa suhu lokal harus lebih tinggi dari titik didih bahan, di sini, Si atau Au. Seperti yang ditunjukkan pada Tabel 1, titik didih adalah 3173 K untuk Si dan 3081 K untuk Au. Dalam kedua kasus, suhu lokal di bawah HIEB lebih dari 3000 K. Studi sebelumnya telah menunjukkan bahwa titik leleh nanomaterial sedikit lebih rendah dari massa [43,44,45], namun pada ukuran 20–100 nm, pengurangan titik leleh ini diharapkan tidak signifikan.
Di sini, karena suhu lokal sangat tinggi sehingga tidak ada metode yang berlaku untuk mengukur suhu aktual secara langsung. Untuk sensor termal kontak, suhu lokal lebih tinggi dari titik leleh atau bahkan titik didih sensor. Untuk metode luminescence nonkontak, tidak hanya ukuran wilayah lokal terlalu kecil untuk serat optik tetapi juga seluruh proses terjadi terlalu cepat untuk pengukuran optik yang andal.
Estimasi suhu lokal tinggi di atas 3000 K mungkin menimbulkan argumen. Seseorang mungkin berpendapat bahwa alih-alih penguapan yang disebabkan oleh pemanasan termal, penghilangan atom Si lokal dalam delapan lubang nano yang ditunjukkan pada Gambar 1 disebabkan oleh "efek knock-on." Jika membor lubang nano dengan HIEM benar-benar merupakan efek knock-on, maka mengurangi flux HIEM dengan memperbesar diameter beam, seseorang mungkin terus-menerus mengamati penghilangan atom permukaan dalam skala waktu lama. Namun, yang diamati adalah adanya ambang batas intensitas beam, di bawahnya proses pembor dalam NW Si, NW Au, dll. tidak dapat dilakukan [8]. Dengan mempertimbangkan bahwa energi kinetik setiap elektron dalam TEM 200 kV sekitar 10−14 J, yang lebih besar dari energi ikatan per atom Si sebanyak tiga orde besar, penguapan dan efek knock-on memiliki efek sinergis dalam proses "pemboran." Oleh karena itu, dengan mendefinisikan suhu lokal nominal sebagai parameter yang proporsional terhadap energi kinetik rata-rata partikel lokal (di sini, atom Si), suhu lokal nominal di wilayah delapan lubang sebenarnya lebih tinggi dari titik didih Si.
Sebelumnya, telah dilaporkan bahwa saat kepadatan arus beam dalam rentang 103–5 A/cm2, sinar elektron dalam TEM dapat digunakan untuk memperkenalkan peluruhan lokal pada NW freestanding, misalnya NW Au, NW Cu, dll., dalam hitungan menit [8]. Efek peluruhan yang diamati secara tidak menyesatkan menunjukkan bahwa suhu lokal pada permukaan logam ini dalam rentang 1000–2000 K, seperti yang tercantum pada Tabel 1.
Dalam pekerjaan ini, kami mengamati bahwa saat intensitas beam cukup tinggi dan waktu iradiasi berlangsung selama beberapa menit, sinar elektron dalam SEM juga dapat menginduksi efek peluruhan lokal untuk penyetoran tipis film Pt dan Cr pada Si, seperti yang biasanya ditunjukkan pada Gambar 2. Dari citra SEM (Gambar 2a) dan citra mikroskop gaya atom (AFM) (Gambar 2b) dari sampel yang sama setelah iradiasi sinar elektron berintensitas tinggi dalam SEM, seseorang melihat lubang dan protrusion di wilayah junc dari dua TFTC Pt-Cr (disorot dengan panah merah). Titik leleh Cr dan Pt adalah 2130 K dan 2045 K, masing-masing. Hasil eksperimen kami menyiratkan bahwa suhu lokal permukaan di bawah iradiasi sinar elektron lebih tinggi dari titik leleh logam ini (~ 2000 K) [46]. Protrusion yang terjadi di tepi junc beberapa mikron dari lubang peluruhan mungkin terbentuk oleh difusi dan akumulasi atom Pt dan Cr. Namun, kami gagal memperoleh nilai suhu lokal real-time dengan sensor TFTC Pt-Cr yang sama di bawah iradiasi. Alih-alih menunjukkan kenaikan suhu lokal 2000 K, kami mengukur kenaikan kurang dari 100 K. Seperti yang dibahas nanti, perbedaan besar ini disebabkan oleh dissipasi panas substrat Si tebal dan ukuran besar sensor TFTC.
Efek peluruhan lokal yang diamati dalam SEM. a Citra SEM sampel array TFTC Pt-Cr, menunjukkan dua lubang (disorot dengan panah merah) yang dibuat oleh iradiasi sinar elektron di wilayah junc dari dua sensor TFTC Pt-Cr. b Citra AFM dari dua junc yang sama, menunjukkan informasi 3D terperinci dari dua lubang. c Empat sensor TFTC Pd-Cr yang dibuat pada jendela tipis film freestanding Si3N4 tebal 400-nm. Dua TFTC (disorot dengan panah putih) di sisi lebar kiri jendela dibakar dengan laser difokus 785 nm. d Output puncak yang sesuai dari TFTC Pd-Cr ketika dibakar dengan laser
Dengan perhatian keandalan perangkat untuk pengukuran suhu tinggi, kami menyediakan eksperimen rujukan kami dengan laser energi tinggi, pemanasan yang difokus pada junc cukup untuk menutupi dissipasi panas. Gambar 2c menunjukkan perangkat TFTC Pd-Cr kami yang dibuat pada jendela tipis film freestanding Si3N4 tebal 400-nm. TFTC Pd-Cr yang dibuat dengan parameter proses yang sama dengan TFTC Pt-Cr digunakan untuk mengukur laser Medis oleh rekan kami, alih-alih TFTC Pt-Cr, dan hasil signifikant dirujuk di sini untuk mengonfirmasi keandalan suhu tinggi tipe perangkat ini [47]. Dengan iradiasi pada titik fokus laser 79 mW (daya), 785 nm (panjang gelombang) selama 2 detik, dua junc Pd-Cr dibakar (disorot dengan panah putih). Pada saat yang sama, perangkat menunjukkan output puncak sekitar 50 mV. Dengan menggunakan hasil kalibrasi kami yang diperoleh pada suhu ruang yang sekitar 20 μV/K, ini mewakili 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 perubahan koefisien Seebeck Pd dan Cr pada suhu tinggi. Meski demikian, hasil kami menunjukkan bahwa sensor TFTC kami yang dibuat pada jendela tipis film Si3N4 berlaku untuk mengukur suhu lokal hingga nilai mendekati titik leleh strip logam, yaitu 1800 K.
Batas atas suhu lokal Tmax dalam SEM juga diungkap dengan eksperimen kami pada aniling tipis film berlapis [Mg-B]N. Hasilnya menunjukkan bahwa sinar elektron berintensitas tinggi dapat menginduksi transisi fase pada tipis film berlapis [Mg-B]N amorf dalam waktu 1 detik. Akibatnya, berlapis amorf sebagian berubah menjadi fase superkonduktor MgB2 [5,6,7]. Gambar 3 dan Tabel 2 menyajikan beberapa hasil tipikal. Film pre-kursor, yang dinotasikan dengan [B(10 nm)/Mg(15 nm)]N = 4, disiapkan dengan ketebalan total 100 nm. Tegangan percepatan sinar elektron aniling adalah 40 kV, dengan arus beam masing-masing 9.9 mA, 10.7 mA, dan 12.8 mA. Citra SEM sampel mengungkapkan bahwa arus aniling yang berbeda dapat menghasilkan kekasaran yang berbeda pada permukaan film, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3. Pada area sampel 10 × 10 μm2, kekasaran RMS diukur sebesar 3.11 nm, 3.56 nm, dan 7.53 nm, masing-masing, untuk sampel ini. Suhu transisi superkonduktor Tc dari sampel ini ditemukan sebesar 35.1 K, 35.8 K, dan 36.3 K, masing-masing (Tabel 2). Ini menyiratkan bahwa suhu aniling sangat penting untuk evaporsi Mg, difusi ke lapisan B, dan laju reaksi dengan B. Arus yang lebih besar dapat membawa suhu aniling yang lebih tinggi, yang dapat mengarah pada reaksi yang lebih cukup. Menurut diagram fase MgB2, suhu minimum yang diperlukan untuk transisi fase untuk membentuk MgB2 superkonduktor adalah 900–1000 K. Oleh karena itu, sinar elektron telah menginduksi suhu lokal sekitar 900–1000 K, atau bahkan lebih tinggi. Hasil ini konsisten dengan hasil yang ditunjukkan pada Gambar 2.
Mikrografi SEM berlapis [B(10 nm)/Mg(15 nm)]N = 4 pada substrat SiC yang di-aniling dengan HIEB dalam SEM dengan arus aniling a 0 mA, b 9.9 mA, c 10.7 mA, dan d 12.8 mA, masing-masing
Ketika intensitas sinar elektron insiden dikurangi lebih lanjut, atau durasi iradiasi dikurangi, sinar elektron menyebabkan efek pemanasan lokal yang dapat diukur pada permukaan di bawah iradiasi. Gambar 4 menyajikan serangkaian hasil pengukuran tipikal. Gambar 4a adalah citra optik untuk salah satu dari empat jenis sampel array TFTC yang dikembangkan dalam pekerjaan ini. Dibuat pada substrat SiO2/Si(100) tebal 400-μm, perangkat ini terdiri dari 24 TFTC Pt-Cr yang identik. 24 junc, masing-masing dengan luas 5.0 × 5.0 μm2, tersebar dalam 4 baris, membentuk pola "salib" di tengah citra. Gambar 4b adalah citra SEM yang menunjukkan pusat perangkat, di mana beam yang lebih terang adalah strip Pt, dan yang lebih gelap adalah strip Cr.
Citra sampel TFTC di Si dan hasil pengujian. a Citra optik array TFTC pada Si dengan ukuran junc 5.0 × 5.0 μm2. b Citra SEM pusat perangkat, menunjukkan 24 junc sensor. c Hasil pengukuran kenaikan suhu lokal dengan TFTC di bawah iradiasi sinar elektron dengan berbagai tegangan percepatan dan arus beam
Gambar 4c memplot beberapa data yang diukur. Data diambil dari berbagai sensor TFTC di bawah iradiasi sinar elektron pada berbagai tegangan percepatan 10, 15, 20, dan 25 kV, masing-masing, dengan arus beam yang meningkat. Diameter spot beam 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 deviasi standar relatif 1.9%. Ini menunjukkan bahwa kenaikan suhu lokal meningkat secara linier dengan arus sinar elektron insiden. Ini menunjukkan efek pemanasan permukaan linier, yaitu daya pemanasan yang dikonversi ke permukaan subjek lokal (di sini junc TFTC) proporsional terhadap flux elektron dalam sinar elektron insiden. Dalam batas kesalahan pengukuran, daya pemanasan juga proporsional terhadap tegangan percepatan. Namun, seperti yang akan kita bahas di bagian berikutnya, data yang diukur jauh lebih rendah dari kenaikan suhu lokal tepat di pusat sinar elektron.
Pembahasan
Distribusi Terpusat Suhu Lokal di Bawah Sinar Elektron Skala Nano
Kami memperhatikan bahwa saat NW diiradiasi dengan sinar elektron skala nano, wilayah tengah memiliki suhu jauh lebih tinggi dari wilayah lainnya. Gambar 5a menunjukkan NW Si tunggal kristal dengan empat lubang nano yang dibor dalam TEM dengan HIEB. Dua lubang kiri, disorot dengan panah biru, memiliki diameter 1.2–1.5 nm, dan merupakan lubang dangkal, yang tidak menembus melalui NW. Dua lubang kanan, disorot dengan panah merah, adalah lubang melalui dengan diameter 2.5 nm dan 4.0 nm, masing-masing. Terlihat jelas bahwa wilayah cincin nano di sekitar lubang menunjukkan struktur amorf, sementara bagian sisa NW mempertahankan struktur kristal aslinya. Misalnya, wilayah tengah di antara dua lubang berdekatan, yang hanya 2–4 nm dari tepi lubang, menunjukkan periode kristal yang jelas di dua arah.
Distribusi suhu lokal di bawah iradiasi sinar elektron skala nano. a NW Si tunggal kristal dengan empat lubang nano yang dibor dengan HIEB dalam TEM. Dua lubang dangkal disorot dengan panah biru, dan dua lubang melalui disorot dengan panah merah. b Fungsi T(r) yang diestimasi untuk suhu lokal versus jarak ke titik pusat
Fenomena ini menyiratkan bahwa di bawah sinar elektron nano, pusat subjek di bawah iradiasi memiliki suhu tertinggi, dan menjauh dari pusat ini, suhu lokal menurun secara tajam. Gambar 5b secara skematis menggambarkan asumsi: Fungsi T(r) mirip dengan fungsi delta, di mana T adalah suhu lokal dan r adalah jarak dari titik pusat sinar elektron. Kami juga dapat mengasumsikan bahwa saat sinar elektron meningkatkan diameternya, terdapat plat di tengah kurva T(r), di mana suhu lokal terpuas, dan saat diameter beam lebih meningkat, plat meningkatkan area kepuasan.
Selain pengamatan dalam TEM seperti yang biasanya ditunjukkan pada Gambar 4a, asumsi di atas tentang distribusi suhu lokal diuji secara kualitatif dengan array TFTC kami di bawah sinar elektron lemah dalam SEM. Gambar 6a adalah citra SEM sisi depan untuk array TFTC Pt-Cr yang dibuat pada wafer Si. Pada Gambar 6b, kami menyajikan hasil pengukuran unik. Data diperoleh dalam kondisi sinar elektron difokus untuk memiliki ukuran beam 1 μm, sementara titik fokus sinar elektron dipindahkan in situ pada strip Pt atau Cr dari setiap sensor TFTC Pt-Cr. Jarak dari titik fokus ke wilayah junc TFTC diukur dengan hati-hati. Dalam pengaturan eksperimen ini, kami mengasumsikan bahwa suhu lokal titik fokus hampir sama, sementara data yang diukur sangat berbeda saat jarak berubah. Hasil menunjukkan bahwa setelah jarak 1.5 mm dari wilayah junc, efek termal yang disebabkan oleh sinar elektron difokus hampir tidak signifikan.
Array TFTC dan hasil pengukurannya. a Citra SEM sampel array TFTC Pt-Cr pada permukaan depan wafer Si3N4/Si(100)/Si3N4. Array TFTC di pusat perangkat terdiri dari 24 TFTC, yang memiliki ukuran junc dari 2.0 × 2.5 hingga 8.0 × 8.5 μm2. b Output yang diukur dari satu sensor TFTC ketika sinar elektron difokus dengan diameter 1 mikro mengirradiasi spot pada dua strip tipis film logam TFTC, yaitu Pt dan Cr, pada jarak tertentu dari wilayah junc Pt-Cr
Pengaruh Ukuran Sensor terhadap Hasil Pengukuran
Kami menemukan bahwa ukuran junc TFTC kami memiliki pengaruh yang penting terhadap hasil pengukuran. Pada Si dengan 24 TFTC Pt-Cr, junc asli memiliki ukuran 5.0 × 5.0 μm2. Kami menggunakan teknik pemilihan ion terfokus (FIB) untuk membuat beberapa junc menjadi ukuran junc yang lebih kecil 1.0 × 1.0 μm2, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7a, b. Di bawah iradiasi sinar elektron yang sama, output yang diambil dari TFTC dengan ukuran junc kecil 1.0 × 1.0 μm2 jauh lebih tinggi daripada yang memiliki ukuran junc 5.0 × 5.0 μm2, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7c. Misalnya, diiradiasi dengan sinar elektron tegangan percepatan 15 kV dan arus beam 113.3 nA, TFTC dengan ukuran junc 5.0 × 5.0 μm2 mengukur kenaikan suhu lokal 35.0 K. Dalam kondisi yang sama, kenaikan sebesar 161.4 K diukur oleh TFTC dengan ukuran junc 1.0 × 1.0 μm2, meningkat lima kali lipat. Lagi, ini mengonfirmasi bahwa suhu permukaan puncak di bawah sinar elektron skala nano-mikro terlokalisasi di area yang sangat kecil.
Citra SEM array TFTC dan hasil pengukurannya. a Citra SEM array TFTC Pt-Cr pada wafer Si tebal dengan ukuran junc asli identik 5.0 × 5.0 μm2. Satu junc (disorot dengan bingkai kuning putus-putus) dipotong dengan FIB ke luas junc 1.0 × 1.0 μm2. b Citra SEM area junc yang dibuat FIB pada (a). c Output yang diukur dari TFTC asli dan TFTC junc kecil di bawah iradiasi sinar elektron yang sama
Pengaruh Jendela Freestanding Si3N4 terhadap Hasil Pengukuran
Substrat untuk sensor TFTC kami memainkan peran penting pada suhu permukaan lokal maksimum subjek di bawah iradiasi sinar elektron skala nano-mikro. Ketika substrat tebal, panas yang dissipasi melalui substrat mungkin jauh lebih besar dari panas lokal yang menumpuk pada permukaan subjek. Akibatnya, suhu lokal yang diukur bisa jauh lebih rendah dari Tmax yang mungkin diinduksi oleh sinar elektron insiden.
Secara umum, sinar elektron skala nano-mikro insiden menghasilkan sejumlah panas lokal, Q, pada permukaan subjek di bawah iradiasi, yang dapat dijelaskan dengan Q = P·Δt·γ, di mana P· adalah daya kinetik insiden, Δt adalah durasi waktu, dan γ adalah rasio konversi. Mengabaikan efek relativitas, kasarnya P·Δt·γ = I·V·Δt·γ, di mana I adalah arus beam, dan V adalah tegangan percepatan. Beberapa panas diharapkan dissipasi melalui substrat, kawat TFTC, dan radiasi. Sisa bagian menyebabkan kenaikan suhu permukaan lokal yang dapat diukur oleh sensor TFTC. Itu, Q = Qsubstrate + Qlead + Qradiation + Qsensor, dan Qsensor = C·ΔT + λ. Di sini, Qsubstrate, Qlead, dan Qradiation mewakili panas termal yang dissipasi melalui substrat, kawat sensor, dan efek radiasi, masing-masing. Qsensor sesuai dengan panas sisa yang diukur oleh sensor, C adalah kapasitas termal junc sensor, ΔT adalah kenaikan suhu lokal dibandingkan ujung dingin TFTC, dan λ adalah kalor laten transisi fase. Studi kami sebelumnya telah menunjukkan bahwa, di bawah iradiasi sinar elektron yang sama, output yang diukur dari sensor TFTC yang dibuat pada jendela freestanding Si3N4 10–30 kali lebih besar daripada yang diambil dari sensor yang sama pada wafer Si tebal [40]. Faktor peningkatan ini menyiratkan bahwa Qsubstrate jauh lebih besar dari Qsensor.
Kami memperhatikan bahwa rasio konversi γ, atau disebut sebagai nilai efisiensi termal dalam beberapa publikasi, sangat bergantung pada energi kinetik rata-rata. Rasio konversi γ dari sinar elektron pengelasan dengan tegangan percepatan 70 kV telah terungkap dalam rentang 0.33–0.48, dan ditemukan bahwa rasio ini hampir tidak berkorelasi dengan geometri pengelasan [48]. Eksperimen telah menunjukkan bahwa di bawah iradiasi sinar elektron pulsed energi rendah arus tinggi (LEHCPEB), lapisan homogen telah terbentuk pada permukaan baja, yang dapat meningkatkan properti anti-korosi baja secara dramatis [49]. Namun, dalam eksperimen TEM kami, nilai γ sangat lebih rendah dari satu satuan beberapa orde besar. Fisika di balik ini perlu penyelidikan lebih lanjut.
Kami merangkum hasil dan pembahasan pekerjaan ini pada Gambar 8. Hasil eksperimen kami yang diambil dari iradiasi sinar elektron berintensitas tinggi baik dalam TEM maupun SEM konsisten satu sama lain. Suhu permukaan lokal Tmax lebih dari 1800–2000 K dapat dicapai baik dalam TEM maupun SEM, seperti yang diungkapkan oleh fenomena peluruhan lokal yang diamati dalam strip tipis film NW Au, NW Cu, Pt, dan Cr. Dalam TEM, karena nanomaterial yang diteliti dalam pekerjaan ini secara alami freestanding, Tmax lebih dari 3000 K dievaluasi dari eksperimen pemboran nano yang diamati pada NW Si dan NW Au. Efek penguapan lokal diinduksi dalam hitungan detik oleh sinar elektron diameter 1 nm.
Ilustrasi gambaran keseluruhan suhu lokal nominal di bawah iradiasi sinar elektron skala nano-/mikro. Lingkaran abu-abu menunjukkan perbandingan antara TFTC kecil dan besar pada wafer Si tebal. Lingkaran kuning menunjukkan perbandingan antara TFTC pada wafer Si tebal dan pada jendela tipis film freestanding Si3N4. Untuk T > 1500 K, titik data adalah nilai estimasi dari morfologi atau perubahan fase
Kami menunjukkan bahwa TFTC pada jendela tipis film freestanding Si3N4 menghasilkan sensitivitas yang ditingkatkan dengan faktor 10–30 kali, dan kami menunjukkan bahwa sensor TFTC lebar 1-μm memiliki sensitivitas lebih tinggi dari sensor TFTC lebar 5-μm dengan faktor lima kali. Ini karena substrat tebal dan kawat lebar keduanya dissipasi sejumlah besar panas lokal. Untuk pengukuran yang presisi suhu permukaan lokal pada skala nano dan mikro, secara ideal seseorang harus memproduksi sensor TFTC sekecil mungkin, dan membuatnya pada lapisan isolasi termal, seperti jendela tipis film freestanding Si3N4 atau lapisan Parylene.
Kesimpulan
Secara ringkasan, kami meneliti beberapa pendekatan untuk pengukuran dan estimasi suhu permukaan lokal di bawah iradiasi sinar elektron skala nano-mikro. Sinar elektron 105-6 A/cm2 dapat menginduksi penguapan lokal Si dan Au dalam hitungan detik, menunjukkan suhu lebih dari 3000 K. Sinar elektron dengan intensitas 103-4 A/cm2 dapat memperkenalkan peluruhan lokal pada strip tipis film Cr, Pt, dan Pd; nanowire Au dan Cu; dan transisi fase tipis film Mg-B, dengan suhu lokal 1000–2000 K. Kami menunjukkan bahwa array TFTC yang dibuat pada jendela freestanding Si3N4 bekerja baik dalam mendeteksi suhu puncak hingga 1500 K atau lebih. Dengan menggabungkan teknik analisis morfologi permukaan, pengukuran listrik, dan sensor TFTC, kami dapat mengestimasi suhu lokal dalam rentang yang luas. Kami juga membahas distribusi suhu permukaan di bawah sinar elektron, dissipasi panas substrat tebal, dan rasio konversi kecil dari energi kinetik tinggi sinar elektron menjadi panas permukaan.
Hasilnya berguna untuk aplikasi sinar elektron, dan mungkin memberikan petunjuk berharga untuk mengembangkan teknik sensing baru dan metode evaluasi untuk suhu tinggi dalam rentang 1500–3000 K.
