Квантование повышения температуры поверхности при облучении нано- и микромасштабными электронными пучками

Аннотация

Электронные пучки (э-пучки) применяются в качестве зондов и чистых источников энергии во многих приложениях. В данной работе исследованы несколько подходов к измерению и оценке диапазона и распределения локальных температур на поверхности образца под облучением нано-микромасштабными э-пучками. Показано, что высокоинтенсивный э-пучок с плотностью тока 10^5–6 А/см² может привести к испарению твердых материалов Si и Au за секунды, с локальной температурой поверхности выше 3000 К. При более низкой интенсивности пучка 10^3–4 А/см² э-пучки вызывают локальные температуры в диапазоне 1000–2000 К за короткое время, вызывая локальное плавление в металлических нанопроводах и тонких пленках Cr, Pt, Pd, и фазовый переход в металлических Mg-B пленках. Продемонстрировано, что тонкопленочные термопары на свободно стоящем окне Si₃N₄ способны детектировать пиковые локальные температуры до 2000 К и стабильные температуры в более низком диапазоне с высокой точностью. Обсуждаются распределение температур поверхности под э-пучками, термическая диссипация толстых подложек и малый коэффициент преобразования высокой кинетической энергии э-пучка в поверхностное тепло. Результаты могут дать ключи к новым применениям э-пучков.

Введение

Э-пучки применяются в качестве зондов и чистых источников энергии во множестве практических приложений, таких как визуализация поверхностной морфологии, анализ кристаллических структур, создание литографических паттернов, осаждение тонких пленок и др. В этих приложениях локальный нагрева поверхности под облучением э-пучками представляет интерес. Для некоторых приложений, например в электронно-лучевой литографии, этот тепловой эффект может вызывать искажение проектируемых паттернов на наномасштабе в процессе записи э-пучком, что ведет к отказу конечных устройств [1–3]. В других приложениях локальный нагрев используется для осаждения тонких пленок [4], отжига [5–7] или даже лепки наноматериалов [8, 9]. Однако до сих пор точное измерение и оценка локальных температур поверхности под облучением э-пучками остаются технической проблемой [10–12].

Когда «свободные электроны» в металлах получают высокую кинетическую энергию, например, при нагреве или сильном электрическом поле, они могут выбежать из объема металла в свободное пространство. Электронные пучки широко использовались в сварке [13–16], плавлении [17], обрезке краев [18], обработке поверхностей [19, 20] и физическом осаждении из паровой фазы [21]. В последнее время достигнут значительный прогресс в аддитивном производстве металлов с использованием электронно-лучевого плавления [22–26], что привлекло внимание к селективному плавлению металлического порошка э-пучками. Э-пучки в данной работе относятся к испускаемым из электронных пушек на вольфрамовых проволоках, кристаллах LaB₆ или W [27, 28]. После разгона под высоким электрическим полем э-пучок становится чистым источником энергии со средней энергией 5–30 кэВ на электрон в сканирующих электронных микроскопах (SEM) или 100–300 кэВ в обычных трансляционных электронных микроскопах (TEM).

Явления, связанные с процессом повторного входа свободного э-пучка в вакуум при его направлении на чистую твердую поверхность в SEM или TEM, хорошо изучены. Когда высокоэнергетический (5–300 кэВ) э-пучок достигает твердой поверхности, он обычно генерирует много вторичных электронов, обратно рассеянных электронов, Оже-электронов и т.д. Он также может индуцировать возбуждение атомов под облучением, вызывать «эффект выбивания», удаляющий поверхностные атомы, и нарушать локальную кристаллическую структуру, индуцируя беспорядок и дефекты [29, 30]. Кроме того, эти взаимодействия электронов с твердым телом вызывают повышение локальной температуры объекта под облучением э-пучком.

В общем, повышение локальной температуры результатирует из преобразования кинетической энергии э-пучка в объект под облучением. Предыдущие исследования показали, что локальные температуры под высокоинтенсивным э-пучком (HIEB) могут быть очень высокими. HIEB в TEM мог просверливать наноотверстия, разрезать наномосты в нанопроводах (NW) и сваркивать два NW, формируя переход [8]. С тщательными процедурами можно использовать э-пучок для создания моста из одноатомной цепочки углерода из непрерывной углеродной тонкой пленки [9]. Используя э-пучки как in situ источники энергии, можно получить сверхпроводящую фазу MgB₂ из многослойной пленки [Mg-B]_n «суперрешетки» [5–7].

Однако остается спорным вопрос: какова точная локальная температура, индуцируемая э-пучком? Технически трудно напрямую измерить локальную температуру, индуцируемую сфокусированным э-пучком в TEM или SEM. Было сделано несколько попыток решить эту проблему [31, 32]. Например, температурный профиль на поверхности резистивной пленки под облучением э-пучком измерялся с субмикронными тонкопленочными термопарами (TFTC). Локальные температурные профили с пространственным разрешением в нанометрах получались с помощью сканирующего трансляционного электронного микроскопа (STEM) и электронной энергоспетроскопии потерь (EELS) [33]. Прямое измерение локальной температуры в наноокружении выполнялось в TEM с комбинированной электронной спектроскопией приобретения и потерь энергии [34]. Методом параллельной электронной дифракции локальная температура в TEM измерялась косвенно из изменения угла рассеяния, индуцированного термическим расширением [35]. Используя преимущество TEM и фазового перехода твердое-жидкое в металлических островах, получались наномасштабные тепловые изображения, чье разрешение превосходит пределы термической микроскопии на основе ИК-визуализации [36]. С этим методом был открыт механизм удаленного Джоулевого нагрева подложки нитрида кремния одиночной многостенной углеродной нанотрубкой [37]. Более того, микрометаморы, основанные на металл-диэлектрик переходе, могли дать количественную оценку нагрева э-пучком в деталях [38].

Однако эти попытки были применимы только к низкотемпературному диапазону. В данной работе, анализируя изменение структуры материала до и после облучения, и напрямую измеряя локальную температуру с разработанными нами приборами и техниками измерений [39, 40], мы проанализировали тепловые эффекты, индуцируемые наномасштабными э-пучками, для температурного диапазона в шесть порядков величин с in situ экспериментами в TEM и SEM. Для температур выше 10³ К мы оценивали локальные температуры под э-пучком по морфологическим изменениям в полупроводниковых и металлических нанопроводах, а также нано-полосках металлических тонких пленок. Для температур ниже 10³ К до долей 1 К мы измеряли локальные температуры под э-пучком с микро-/нано-TFTC приборами, изготовленными на свободно стоящих пленках Si₃N₄. Весь спектр локальной максимальной температуры в зависимости от интенсивности падающего э-пучка может предложить ценную справочную информацию для новых приложений, вовлекающих э-пучковые процессы.

Экспериментальные детали

Кремневые нанопроводы (NW), использованные в этой работе, изготавливались процессом химического осаждения из паровой фазы (CVD), как описано ранее [8]. Cu NW, Au NW и Ag NW изготавливались электрохимическим осаждением на пористом анодированном оксиде алюминия, как описано ранее [41].

Pt-Cr тонкопленочные термопары изготавливались стандартными чистороумными процедурами и техниками тонкопленочного осаждения, как сообщалось ранее [40]. В этой работе Cr тонкая пленка осаждалась магнетронным спеттером (PVD75, Kurt J. Lesker, США) в газе Ar. Паттерны Cr появлялись после процесса лифт-офф, а паттерны Pt, выровненные по маркерам Cr, изготавливались с теми же параметрами. 3-нм слой Cr осаждался заранее как адгезионный слой для Pt. Для массивов Pt-Cr TFTC толщины Pt и Cr тонких пленок 90 нм и 50 нм соответственно измерялись шаговым профилометром. На каждой 4-дюймовой пластине спроектировано 16 одинаковых дайсов, расположенных в массиве 4 × 4. Каждый дайс имел размер 16 × 16 мм и состоял из одного прибора TFTC массива. Каждый TFTC массив состоял из 24 TFTC, размеры соединений которых варьировались от 2,0 × 2,5 мкм до 8,0 × 8,5 мкм. Сопротивления TFTC, варьирующиеся от 0,7 до 75,6 кОм, измерялись цифровым мультиметром (2400, Keithley) для TFTC разных размеров. ТермоЭДС TFTC калибровалась как 15,0 ± 0,3 мкВ/К на самодельной платформе.

Для тонкопленочного микроприбора, изготовленного на свободно стоящем окне Si₃N₄ на Si (100) подложке, 400-нм слои нитрида кремния осаждались на обе стороны Si (100) пластины методом LPCVD и демонстрировали отличные механические свойства. После изготовления TFTC приборов на передней поверхности, квадратные окна для травления паттернировались и травились на обратной стороне пластины, выполнялся процесс мокрого травления для травления через Si пластину с обратной стороны, оставляя свободно стоящее тонкое окно Si₃N₄ с предварительно паттернированными TFTC массивами для термических измерений в SEM.

Эксперименты по ионно-лучевой фрезеровке (FIB) проводились на двухлучевой системе FIB/SEM 820, которая уменьшила размер соединения TFTC с 5,0 × 5,0 мкм² до 1,0 × 1,0 мкм². В процессе использовался Ga⁺ ионный пучок с током 12 пА и ускоряющим напряжением 30 кВ.

В наших in situ экспериментах по отжигу Mg/B тонких пленок мы использовали коммерческие магниевые слитки (99,99%) и бор (99,5%) как источники испарения для осаждения Mg-B многослойных пленок. Базовое вакууме в камере осаждения составляло около 5,0 × 10⁻⁶ Па. 15-нм магниевый слой служил первым слоем, осажденным электронно-лучевым испарением при комнатной температуре на 6H-SiC (0001) подложках в установке Balzers UTT 400 ультра-высокого вакуума (UHV). После этого 10 нм слой B осаждался на первом слое. Mg и B слои, осаждаемые попеременно на подложках, были предшественниками с многослойной структурой [B(10 нм)/Mg(15 нм)]_{N = 4} на SiC подложке. Общая толщина Mg-B многослойной пленки составляла 100 нм, контролировалась кварцевым осциллятором in situ. Соотношение толщин Mg:B = 3:2 (15 нм:10 нм = 3:2) может удовлетворить стехиометрию Mg:B = 1:2. Верхний 10-нм борный слой служил защитной шапкой для уменьшения потерь Mg до определенной степени при отжиге. Предшественники пленок пост-отжигались в электронно-лучевом сварщике EBW-6 при вакуумном давлении 5,0 × 10⁻³ Па. Ускоряющее напряжение отжигающего э-пучка было 40 кВ с током пучка 3 мА. Диаметр э-пучка 1,40 см и длительность отжига 0,1–1,0 с.

Эксперименты с HIEB в TEM проводились на 200-кВ Jeol 2010F поле-эмиссионном TEM. Ток э-пучка измерялся как ~ 5 нА фарадеевской чашей. При диаметре э-пучка 0,5–1,0 нм номинальная плотность тока (0,6–2,5) × 10⁶ А/см² создавалась на образце. TEM образцы готовились на углеродных решетках из суспензий NW в этаноле. Процедуры паттернирования и сварки NW следовали описанию в ссылке [9]. SEM эксперименты выполнялись в вакуумном электронно-лучевом сварщике EBW-3H и полевом эмиссионном SEM (FEI QUANTA 600F). Сложная проводка и соединения между прибором в вакуумной камере SEM и измерительными приборами снаружи вакуумной камеры были специально спроектированы и реализованы. Слабые напряженные сигналы выхода TFTC под облучением э-пучка SEM при разных размерах пятна (от 1 до 7, у.е.) и ускоряющих напряжениях (от 2 до 30 кэВ) измерялись самодельным мультиплексором и нановольтметром Keithley 2182A [39].

Результаты

Сначала мы исследовали верхний предел локальной температуры, T_max, которую наномасштабный э-пучок в TEM может индуцировать на поверхности объекта. Десятки экспериментальных доказательств показывали, что атомы в поверхностных слоях твердых NW могут мгновенно испаряться под облучением HIEB [8, 42], указывая, что соответствующие значения T_max выше температур кипения материалов. Рисунок 1 представляет типичный результат, полученный в TEM (Jeol 2010F) при рабочем напряжении 200 кВ и токе э-пучка 5 нА. Э-пучок фокусировался в диаметр 0,5–1,0 нм, и его интенсивность была достаточно высокой, чтобы просверлить 1-нм отверстия в 60-нм Si NW менее чем за секунду. Рисунок 1a — исходный Si NW, где 25-нм Au NW расположен параллельно как референс при наклонении. Рисунок 1b показывает восемь наноотверстий на Si NW, сделанных наномасштабным э-пучком за 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 и 8 с соответственно. Все отверстия имеют похожий диаметр: ~ 1,0 нм. Рисунки 1c, d показывают вид сбоку отверстий для того же Si NW после того, как образец был наклонен in situ на 10,0° и 20,0° соответственно. Видно, что после облучения в течение 1 с с 0,5–1,0 нм э-пучком отверстие просверлено через весь Si NW. С увеличением длительности облучения от 1 до 8 с диаметры переднего и заднего отверстий оба расширяются, в то время как центральная область сквозных отверстий остается похожим диаметром 1 нм, поэтому на виде сверху (рис. 1b) они кажутся неизменными.

TEM-изображения морфологии, показывающие восемь 1-нм отверстий, просверленных в 60-нм одиночно-кристаллическом Si NW. Это сделано за 1–8 с соответственно с 0,5–1,0-нм HIEB током 5 нА в 200 кВ TEM. a Исходный Si NW вместе с 25-нм Au NW (появляется черным на изображении). b Изображение после создания восьми наноотверстий HIEB. c, d Изображения того же образца после in situ наклона на 10,0° и 20,0° соответственно.

Факт, представленный на рис. 1, заключается в том, что Si атомы в фокальной локальной области под 1-нм HIEB полностью испаряются. Аналогично, такой 1-нм HIEB способен просверливать отверстия в Au NW [8]. Логичный вывод: локальная температура должна быть выше точек кипения материалов, здесь Si или Au. Как показано в Таблице 1, точки кипения составляют 3173 К для Si и 3081 К для Au. В обоих случаях локальные температуры под HIEB были выше 3000 К. Предыдущие исследования показывали, что температура плавления наноматериала немного ниже, чем объемного [43–45], однако при размере 20–100 нм это снижение температуры плавления ожидается незначительным.

Здесь, поскольку локальная температура была настолько высока, что никакой метод не применим для прямого измерения реальной температуры. Для контактных тепловых сенсоров локальная температура была выше температуры плавления или даже кипения сенсоров. Для неконтактных люминесцентных методов не только размер локальной области был слишком мал для оптического волокна, но и весь процесс происходил слишком быстро для надежных оптических измерений.

Оцененная высокая локальная температура выше 3000 К может вызвать споры. Можно утверждать, что вместо испарения, вызванного термическим нагревом, удаление локальных Si атомов в восьми наноотверстиях на рис. 1 было вызвано «эффектом выбивания». Если просверливание наноотверстий HIEB действительно было эффектом выбивания, то уменьшение потока HIEB путем увеличения его диаметра позволило бы непрерывно наблюдать удаление поверхностных атомов в длинном временном масштабе. Но наблюдался существующий порог интенсивности пучка, ниже которого процесс просверливания в Si NW, Au NW и т.д. не мог быть выполнен [8]. Учитывая, что кинетическая энергия каждого электрона в 200 кВ TEM составляет около 10⁻¹⁴ Дж, что на три порядка больше энергии связи на Si атом, испарение и эффект выбивания имеют синергетический эффект в процессе «сверления». Поэтому, определяя номинальную локальную температуру как параметр, пропорциональный средней кинетической энергии локальных частиц (здесь Si атомов), номинальные локальные температуры в восьми областях отверстий действительно были выше точки кипения Si.

Ранее сообщалось, что при плотности тока пучка в диапазоне 10^3–5 А/см² э-пучок в TEM мог применяться для введения локального плавления в свободно стоящих NW, например Au NW, Cu NW и т.д., за минуты [8]. Наблюдаемые эффекты плавления однозначно указывали, что локальные температуры на поверхностях этих металлов находились в диапазоне 1000–2000 К, как указано в Таблице 1.

В этой работе мы наблюдали, что когда интенсивность пучка достаточно высока и длительность облучения составляет минуты, э-пучки в SEM также могут индуцировать локальный эффект плавления для Pt и Cr тонких пленок, осажденных на Si, как типично представлено на рис. 2. Из SEM-изображения (рис. 2a) и АФМ-изображения (рис. 2b) того же образца после облучения высокоинтенсивным э-пучком в SEM видно, что в областях соединений двух Pt-Cr TFTC (выделены красными стрелками) образуются отверстия и выступа. Температуры плавления Cr и Pt составляли 2130 К и 2045 К соответственно. Наши экспериментальные результаты подразумевали, что локальные температуры поверхности под облучением э-пучком были выше температур плавления этих металлов (~ 2000 К) [46]. Выступы, возникшие на краях соединений в нескольких микрон от отверстий плавления, вероятно, сформировались диффузией и накоплением Pt и Cr атомов. Однако нам не удалось получить значения локальной температуры в реальном времени с теми же Pt-Cr TFTC сенсорами под облучением. Вместо показа локального повышения температуры 2000 К мы измерили приращение менее 100 К. Как обсуждается позже, эта огромная разница была вызвана термической диссипацией толстой Si подложки и большим размером TFTC сенсора.

Локальные эффекты плавления, наблюдаемые в SEM. a SEM-изображение образца Pt-Cr TFTC массива, показывающее два отверстия (выделены красными стрелками), сделанных э-пучком в областях соединений двух Pt-Cr TFTC сенсоров. b АФМ-изображение тех же двух соединений, показывающее детальную 3D информацию двух отверстий. c Четыре Pd-Cr TFTC сенсора, сделанных на 400-нм свободно стоящей тонкой пленке окна Si₃N₄. Два TFTC (выделены белыми стрелками) слева окна были обожжены сфокусированным 785 нм лазером. d Соответствующий выходной пик Pd-Cr TFTC, когда он был обожжен лазером.

С озабоченностью надежностью прибора для высокотемпературного измерения, мы предоставили наши референсные эксперименты с высокоэнергетическими лазерами, чья тепловая фокусировка на соединении достаточно, чтобы компенсировать термическую диссипацию. Рисунок 2c показывает наши Pd-Cr TFTC приборы, сделанные на 400-нм свободно стоящем тонком окне Si₃N₄. Pd-Cr TFTC, сделанный с теми же процессными параметрами, что и Pt-Cr TFTC, использовался для измерения медицинского лазера нашими коллегами вместо Pt-Cr TFTC, и значительные результаты приведены здесь для подтверждения высокотемпературной надежности этого типа прибора [47]. При облучении в фокальной точке 79 мВт (мощность), 785 нм (длина волны) лазера в течение 2 с два Pd-Cr соединения были обожжены (выделены белыми стрелками). В это время прибор показал выходной пик около 50 мВ. Используя наши результаты калибровки, полученные при комнатной температуре около 20 мкВ/К, это представляет номинальную пиковую температуру ~ 2400 К, как показано на рис. 2d. Но 2400 К выше температуры плавления Pd пленки, 1825 К. Мы приписываем эту ошибку изменяющемуся коэффициенту Зеебека Pd и Cr при высоких температурах. Тем не менее, наши результаты указывали, что наши TFTC сенсоры, сделанные на тонком окне Si₃N₄, применимы для измерения локальных температур до значения, близкого к температурам плавления металлических полосок, т.е. 1800 К.

Верхний предел локальной температуры T_max в SEM также был раскрыт нашими экспериментами по отжигу [Mg-B]_N многослойных тонких пленок. Результаты показали, что высокоинтенсивные э-пучки могли индуцировать фазовый переход в аморфных [Mg-B]_N многослойных тонких пленках в течение 1 с. В результате аморфный многослой частично превращался в сверхпроводящую фазу MgB₂ [5–7]. Рисунок 3 и Таблица 2 представляют некоторые типичные результаты. Предшественники пленок, обозначенные [B(10 нм)/Mg(15 нм)]_{N = 4}, готовились с общей толщиной 100 нм. Ускоряющее напряжение отжигающего э-пучка было 40 кВ, с токами пучка 9,9 мА, 10,7 мА и 12,8 мА соответственно. SEM-изображения образцов показали, что разные токи отжига могли приводить к разной шероховатости поверхности пленки, как показано на рис. 3. На площади образца 10 × 10 мкм² среднеквадратичная (RMS) шероховатость измерялась как 3,11 нм, 3,56 нм и 7,53 нм соответственно для этих образцов. Сверхпроводящие переходные температуры T_c этих образцов составляли 35,1 К, 35,8 К и 36,3 К соответственно (Таблица 2). Это подразумевало, что температура отжига была критичной для испарения Mg, диффузии в B слои и скорости реакции с B. Более большой ток мог привести к более высокой температуре отжига, что могло вести к более полной реакции. Согласно фазовой диаграмме MgB₂, минимально необходимая температура для фазового перехода для формирования сверхпроводящего MgB₂ составляла 900–1000 К. Следовательно, э-пучки индуцировали локальные температуры около 900–1000 К или даже выше. Этот результат был согласован с результатами, показанными на рис. 2.

SEM-микрографии [B(10 нм)/Mg(15 нм)]_{N = 4} многослоев на SiC подложке, отожженных HIEB в SEM с токами отжига a 0 мА, b 9,9 мА, c 10,7 мА и d 12,8 мА соответственно.

Когда интенсивность падающего э-пучка еще больше снижается, или длительность облучения сокращается, э-пучок вызывает измеримый локальный тепловой эффект на поверхности под облучением. Рисунок 4 представляет набор типичных результатов измерений. Рисунок 4a — оптическое изображение одного из четырех типов TFTC массивов, разработанных в этой работе. Сделанный на 400-мкм толстой SiO₂/Si(100) подложке, этот прибор состоит из 24 одинаковых Pt-Cr TFTC. 24 соединения, каждое с площадью 5,0 × 5,0 мкм², расположены в 4 рядах, образуя «крест» в центре изображения. Рисунок 4b — SEM-изображение центра прибора, где более светлые полоски — Pt, а более темные — Cr.

Изображения TFTC образцов на Si и результаты тестирования. a Оптическое изображение TFTC массива на Si с размером соединения 5,0 × 5,0 мкм². b SEM-изображение центра прибора, показывающее 24 сенсорных соединения. c Результаты измерений локального приращения температуры с TFTC под облучением э-пучком при разных ускоряющих напряжениях и токах пучка.

Рисунок 4c изображает некоторые измеренные данные. Они были взяты с разных TFTC сенсоров под облучением э-пучком при разных ускоряющих напряжениях 10, 15, 20 и 25 кВ соответственно с возрастающими токами пучка. Диаметр пятна пучка был зафиксирован на 1 мкм и время измерения зафиксировано на 30 с. Калибровочные эксперименты показали, что средняя чувствительность Pt-Cr TFTC составляла 15,00 ± 0,29 мкВ/К с относительным стандартным отклонением 1,9%. Показано, что локальное приращение температуры линейно увеличивается с током падающего э-пучка. Это указывает на линейный эффект поверхностного нагрева, что нагревательная мощность, преобразованная в локальную поверхность объекта (здесь TFTC соединение), была пропорциональна электронному потоку в падающем э-пучке. В пределах погрешности измерения нагревательная мощность также была пропорциональна ускоряющему напряжению. Однако, как мы обсудим далее, измеренные данные были намного ниже точного локального приращения температуры в центре э-пучка.

Обсуждение

Централизованное распределение локальных температур под наномасштабным э-пучком

Мы заметили, что когда NW облучался наномасштабным э-пучком, центральная область имела гораздо более высокую температуру, чем остальная область. Рисунок 5a показывает одиночно-кристаллический Si NW с четырьмя наноотверстиями, просверленными в TEM с HIEB. Два левых отверстия, выделенные синими стрелками, имеют диаметр 1,2–1,5 нм и являются поверхностными отверстиями, не проникающими сквозь NW. Два правых отверстия, выделенные красными стрелками, — сквозные отверстия с диаметром 2,5 нм и 4,0 нм соответственно. Четко видно, что нано-кольцевая область вокруг отверстия показывает аморфную структуру, в то время как оставшаяся часть NW сохраняет свою исходную кристаллическую структуру. Например, центральная область между двумя соседними отверстиями, которая находится всего в 2–4 нм от края отверстия, показывает четкие кристаллические периоды вдоль двух направлений.

Распределение локальной температуры под облучением наномасштабного э-пучка. a Одиночно-кристаллический Si NW с четырьмя наноотверстиями, просверленными HIEB в TEM. Два поверхностных отверстия выделены синими стрелками, два сквозных — красными стрелками. b Оцененная функция T(r) для локальной температуры в зависимости от расстояния до центральной точки.

Это явление подразумевает, что под нано-э-пучком центр объекта под облучением имеет наивысшую температуру, а отходя от этого центра локальная температура резко снижается. Рисунок 5b схематически иллюстрирует предположение: функция T(r) похожа на дельта-функцию, где T — локальная температура, r — расстояние от центральной точки э-пучка. Можно также предположить, что когда э-пучок увеличивает свой диаметр, в середине кривой T(r) появляется плато, где локальная температура насыщается, и когда диаметр пучка дальше увеличивается, плато увеличивает свою область насыщения.

Помимо наблюдений в TEM, как типично показано на рис. 4a, вышеуказанное предположение о распределении локальной температуры было проверено качественно с нашими TFTC массивами под слабым э-пучком в SEM. Рисунок 6a — переднее SEM-изображение для Pt-Cr TFTC массивов, сделанных на Si пластине. На рис. 6b представлены результаты уникального измерения. Данные получены при условии, что э-пучок был сфокусирован до размера пучка 1 мкм, в то время как фокальная точка э-пучка перемещалась in situ по Pt или Cr полоскам каждого Pt-Cr TFTC сенсора. Расстояние от фокальной точки до области соединения TFTC измерялось тщательно. При этой экспериментальной установке мы предполагали, что локальная температура фокальной точки была почти одинаковой, в то время как измеренные данные существенно отличались при изменении расстояния. Результаты показали, что после расстояния 1,5 мм от области соединения тепловой эффект, вызванный фокальным э-пучком, был почти пренебрежимо мал.

TFTC массив и его результаты измерений. a SEM-изображение образца Pt-Cr TFTC массива на передней поверхности Si₃N₄/Si(100)/Si₃N₄ пластины. TFTC массив в центре прибора состоял из 24 TFTC, размеры соединений которых варьировались от 2,0 × 2,5 до 8,0 × 8,5 мкм². b Измеренные выходы от одного TFTC сенсора, когда сфокусированный э-пучок диаметром 1 мкм облучал точку на двух металлических тонкопленочных полосках TFTC, а именно Pt и Cr, на определенном расстоянии до области соединения Pt-Cr.

Влияние размера сенсора на результаты измерений

Мы обнаружили, что размер соединения наших TFTC имел решающее влияние на результаты измерений. На Si с 24 Pt-Cr TFTC исходные соединения имели размер 5,0 × 5,0 мкм². Мы использовали технику фокусированного ионного пучка (FIB) для превращения некоторых соединений в меньший размер 1,0 × 1,0 мкм², как показано на рис. 7a, b. Под тем же облучением э-пучками выходы, взятые от TFTC с малым размером соединения 1,0 × 1,0 мкм², были намного выше, чем от соединений размером 5,0 × 5,0 мкм², как показано на рис. 7c. Например, облученный э-пучком с ускоряющим напряжением 15 кВ и током пучка 113,3 нА, TFTC с размером соединения 5,0 × 5,0 мкм² измерил локальное приращение температуры 35,0 К. При тех же условиях приращение 161,4 К измерялось TFTC с размером соединения 1,0 × 1,0 мкм², увеличенное в пять раз. Опять подтвердилось, что пиковая поверхностная температура под нано-микромасштабным э-пучком локализована в очень малой области.

SEM-изображения TFTC массива и его результаты измерений. a SEM-изображение Pt-Cr TFTC массива на толстой Si пластине с одинаковым исходным размером соединения 5,0 × 5,0 мкм². Одно соединение (выделено желтым пунктирным прямоугольником) было разрезано FIB до площади соединения 1,0 × 1,0 мкм². b SEM-изображение FIB-исполненного соединения в (a). c Измеренные выходы от исходного TFTC и малого соединения TFTC под тем же облучением э-пучком.

Влияние свободно стоящего окна Si₃N₄ на результаты измерений

Подложка для нашего TFTC сенсора играет важную роль в максимальной локальной поверхностной температуре объекта под облучением нано-микромасштабных э-пучков. Когда подложка толстая, тепло, диссипируемое через подложку, может быть намного больше, чем локальное тепло, накапливающееся на поверхности объекта. В результате измеренная локальная температура может быть намного ниже возможного T_max, индуцированного падающим э-пучком.

В общем, падающий нано-микромасштабный э-пучок генерирует количество локального тепла Q на поверхности объекта под облучением, которое можно описать как Q = P·Δt·γ, где P — падающая кинетическая мощность, Δt — длительность, γ — коэффициент преобразования. Игнорируя релятивистский эффект, грубо P·Δt·γ = I·V·Δt·γ, где I — ток пучка, V — ускоряющее напряжение. Часть тепла ожидается диссипироваться через подложку, выводы TFTC и излучение. Оставшаяся часть вызывает приращение локальной поверхностной температуры, измеримой TFTC сенсорами. То есть Q = Q_{подложка} + Q_выводы + Q_{излучение} + Q_сенсор, и Q_сенсор = C·ΔT + λ. Здесь Q_{подложка}, Q_выводы и Q_{излучение} представляют термически диссипируемое тепло через подложку, выводы сенсора и излучение соответственно. Q_сенсор соответствует оставшемуся теслу, измеренному сенсором, C — теплоемкость соединения сенсора, ΔT — приращение локальной температуры по сравнению с холодными концами TFTC, λ — скрытая теплота фазового перехода. Наши предыдущие исследования показывали, что под облучением тех же э-пучков измеренный выход от TFTC сенсоров, сделанных на свободно стоящем окне Si₃N₄, был в 10–30 раз больше, чем от тех же сенсоров на толстых Si пластинах [40]. Этот фактор усиления указывал, что Q_{подложка} был намного больше Q_сенсор.

Мы отметили, что коэффициент преобразования γ, или называемый в некоторых публикациях термическим КПД, очень сильно зависел от средней кинетической энергии. Коэффициент преобразования γ сварочного электронного пучка с ускоряющим напряжением 70 кВ был раскрыт в диапазоне 0,33–0,48, и обнаруживалось, что это отношение мало коррелировало с геометрией шва [48]. Эксперименты проявляли, что под облучением низкоэнергетическим высокоточным импульсным электронным пучком (LEHCPEB) на поверхностях сталей формировался однородный слой, который мог драматически улучшить антикоррозионные свойства сталей [49]. Однако в наших TEM экспериментах значения γ были экстремально ниже единицы на несколько порядков. Базовая физика требует дальнейшего исследования.

Мы обобщаем результаты и обсуждения этой работы на рис. 8. Наши экспериментальные результаты, взятые из облучения высокоинтенсивных э-пучков либо в TEM, либо в SEM, были согласованы друг с другом. Локальная поверхностная T_max выше 1800–2000 К была достижима и в TEM, и в SEM, как раскрывалось локальными явлениями плавления в Au NW, Cu NW, Pt и Cr тонкопленочных полосках. В TEM, поскольку наноматериалы, исследованные в этой работе, были естественно свободно стоящими, T_max выше 3000 К оценивалось из наблюдаемых экспериментов по нано-сверливанию на Si NW и Au NW. Эффекты локального испарения индуцировались за секунды 1-нм э-пучками.

Иллюстрация общей картины номинальных локальных температур под облучением нано-/микромасштабных э-пучков. Серый овал указывает сравнение между малыми и большими TFTC на толстых Si пластинах. Желтый овал указывает сравнение между TFTC на толстых Si пластинах и на свободно стоящих тонких окнах Si₃N₄. Для T > 1500 К точки данных — оцененные значения из морфологии или фазового перехода.

Мы показали, что TFTC на свободно стоящем тонком окне Si₃N₄ давало усиленную чувствительность в 10–30 раз, и показали, что 1-мкм TFTC сенсор имел чувствительность выше, чем 5-мкм TFTC, в 5 раз. Это потому, что толстая подложка и широкие выводы диссипировали большое количество локального тепла. Для точного измерения локальной поверхностной температуры на нано- и микромасштабах идеально нужно изготавливать TFTC сенсоры как можно меньше и размещать их на термически изолирующих слоях, таких как свободно стоящие тонкие окна Si₃N₄ или слои Парилена.

Заключение

Подводя итог, мы исследовали несколько подходов к измерению и оценке локальной поверхностной температуры под облучением нано-микромасштабных э-пучков. Э-пучки 10^5–6 А/см² могли индуцировать локальное испарение Si и Au за секунды, показывая температуру выше 3000 К. Э-пучки с интенсивностью 10^3–4 А/см² могли вводить локальное плавление в Cr, Pt и Pd тонкопленочных полосках; Au и Cu нанопроводах; и фазовый переход в Mg-B тонких пленках, с локальной температурой 1000–2000 К. Мы продемонстрировали, что TFTC массивы на свободно стоящих окнах Si₃N₄ хорошо работали в детектировании пиковых температур до 1500 К и выше. Комбинируя техники анализа поверхностной морфологии, электрического измерения и TFTC сенсоров, мы могли оценить локальную температуру в широком диапазоне. Мы также обсудили распределение температур поверхности под э-пучками, термическую диссипацию толстой подложки и малый коэффициент преобразования высокой кинетической энергии э-пучка в поверхностное тепло.

Результаты полезны для приложений э-пучков и могут дать ценные ключи для разработки новых сенсорных техник и методов оценки высоких температур в диапазоне 1500–3000 К.