Cuantificación del aumento de temperatura superficial por irradiación de haz de electrones a nano y microescala

Resumen

Los haces de electrones (haces-e) se han aplicado como sondas de detección y fuentes de energía limpia en muchas aplicaciones. En este trabajo, investigamos varios enfoques para la medición y estimación del rango y distribución de temperaturas locales en una superficie sometida a irradiación de haces-e a nano y microescala. Mostramos que un haz-e de alta intensidad con densidad de corriente de 10^5-6 A/cm² podría resultar en la vaporización de materiales sólidos de Si y Au en segundos, con una temperatura superficial local superior a 3000 K. Con una intensidad de haz menor de 10^3-4 A/cm², los haces-e podían introducir temperaturas superficiales locales en el rango de 1000-2000 K en corto tiempo, causando fusión local en nanohilos metálicos y películas delgadas de Cr, Pt y Pd, y transición de fase en películas metálicas Mg-B. Demostramos que termopares de película delgada en una ventana independiente de Si₃N₄ eran capaces de detectar temperaturas superficiales locales pico de hasta 2000 K de forma estable, y temperaturas en un rango inferior con alta precisión. Discutimos la distribución de temperaturas superficiales bajo haces-e, la disipación térmica de sustratos gruesos y una pequeña proporción de conversión de la alta energía cinética del haz-e al calor superficial. Los resultados pueden ofrecer algunas pistas para aplicaciones novedosas de haces-e.

Introducción

Los haces-e se han aplicado como sondas y fuentes de energía limpia en una variedad de aplicaciones prácticas, como imagen de morfología superficial, análisis de estructuras cristalinas, producción de patrones de litografía, deposición de películas delgadas, etc. En estas aplicaciones prácticas, el efecto de calentamiento superficial local bajo irradiación de haces-e es un tema interesante. Para algunas aplicaciones, en la litografía de haz-e por ejemplo, este calor superficial inducido por haz-e puede causar distorsión de patrones diseñados a nanoescala en el proceso de escritura, resultando en fallo de los dispositivos finales [1-3]. En otras aplicaciones, el efecto de calentamiento superficial local se utiliza para deposición de películas delgadas [4], recocido [5-7] o incluso escultura de nanomateriales [8, 9]. Sin embargo, hasta la fecha, la medición y evaluación precisas de las temperaturas superficiales locales bajo irradiación de haz-e siguen siendo un desafío técnico [10-12].

Cuando los "electrones libres" en metales reciben alta energía cinética, por ejemplo, por calentamiento o un campo eléctrico alto, pueden salir del volumen metálico al espacio libre. El haz de electrones se ha utilizado ampliamente en soldadura [13-16], fusión [17], corte de bordes [18], tratamiento superficial [19, 20] y deposición física de vapor [21]. Hoy en día, se ha logrado mucho progreso reciente en procesos de fabricación aditiva de metales usando fusión por haz-e [22-26]. Ha atraído una atención creciente el uso de haz-e para fundir selectivamente polvo metálico. Los haces-e discutidos en este trabajo se refieren a aquellos que emiten de cañones de electrones hechos de hilos de tungsteno, puntas de cristal LaB₆ o puntas de cristal W [27, 28]. Después de acelerar bajo un campo eléctrico alto, un haz-e se convierte en una fuente de energía pura con un promedio de 5-30 keV por electrón en microscopios electrónicos de barrido (SEM), o de 100-300 keV por electrón en microscopios electrónicos de transmisión (TEM) normales.

Los fenómenos asociados con el proceso de reentrada de un haz-e libre en vacío cuando se guía para entrar en una superficie sólida limpia en un SEM o TEM están bien estudiados. Cuando un haz-e de alta energía (5-300 keV) alcanza una superficie sólida, generalmente genera muchos electrones secundarios, electrones retro-dispersados, electrones Auger, etc. También puede inducir excitación de átomos bajo irradiación, y causar "efecto knock-on" que elimina algunos átomos superficiales, y puede romper la estructura cristalina local induciendo desórdenes y defectos [29, 30]. Además, estas interacciones electrón-sólido causan un incremento de la temperatura local del sujeto bajo la irradiación del haz-e.

En general, el incremento de temperatura local resulta de la conversión de la energía cinética del haz-e al sujeto bajo irradiación. Estudios previos han mostrado que las temperaturas locales bajo un haz-e de alta intensidad (HIEB) podrían ser muy altas. Un HIEB en un TEM podría perforar nano-agujeros, cortar nano-puentes en nanohilos (NWs), y soldar dos NWs formando una unión [8]. Con procedimientos de operación cuidadosos, se podría usar un haz-e para hacer un puente de cadena de un solo átomo de carbono a partir de una película delgada de carbono continua [9]. Usando haces-e como fuentes de energía in situ, se podría obtener fase superconductora MgB₂ a partir de una película "superred" multicapa [Mg-B]_n [5-7].

Sin embargo, sigue siendo un tema controvertido: ¿Cuál es la temperatura local exacta inducida por un haz-e? Técnicamente, es difícil medir directamente la temperatura local inducida por un haz-e enfocado en un TEM o SEM. Se hicieron varios intentos para resolver este problema [31, 32]. Por ejemplo, el perfil de temperatura en la superficie de una película de resist bajo irradiación de haz-e se midió con termopares de película delgada (TFTC) submicrónicos. Perfiles de temperatura local con resolución espacial de nanómetro se obtuvieron con un microscopio electrónico de transmisión de barrido (STEM) y espectroscopía de pérdida de energía de electrones (EELS) [33]. La medición directa de temperatura local en entorno nanoescala se realizó en TEM con una espectroscopía combinada de ganancia y pérdida de energía de electrones [34]. Usando el método de difracción de haz de electrones paralelo, la temperatura local en un TEM se midió indirectamente a partir del cambio en el ángulo de dispersión inducido por expansión térmica [35]. Aprovechando un TEM y la transición de fase sólido-líquido de islas metálicas, se obtuvieron imágenes térmicas a nanoescala, cuya resolución supera los límites de una microscopía térmica basada en técnica de imagen infrarroja [36]. Usando este método, se descubrió el mecanismo de calentamiento Joule remoto de un sustrato de nitruro de silicio por un solo nanotubo de carbono de paredes múltiples [37]. Además, los micro-termómetros basados en la transición aislante-metal, podían dar evaluación cuantitativa del calentamiento por haz-e en detalle [38].

Sin embargo, estos intentos solo eran aplicables a un rango de baja temperatura. En este trabajo, analizando el cambio de estructura del material antes y después de la irradiación, y midiendo directamente la temperatura local con dispositivos y técnicas de medición que desarrollamos [39, 40], analizamos los efectos de calentamiento inducidos con haces-e a nanoescala para un rango de temperatura de seis órdenes de magnitud con experimentos in situ en TEM y SEM. Para temperaturas superiores a 10³ K, estimamos las temperaturas locales bajo un haz-e con cambios de morfología en nanohilos semiconductores y metálicos, así como nano-rayas de películas delgadas metálicas. Para temperaturas inferiores a 10³ K hasta una fracción de 1 K, medimos las temperaturas locales bajo un haz-e con dispositivos TFTC micro/nano fabricados en películas independientes de Si₃N₄. El espectro completo para la temperatura máxima local versus intensidad incidente de haz-e puede ofrecer una referencia valiosa para aplicaciones novedosas que involucren procesos de haz-e.

Detalles Experimentales

Los nanohilos (NWs) de Si utilizados en este trabajo se fabricaron con un proceso de deposición química de vapor (CVD) como se describió anteriormente [8]. Los NWs de Cu, Au y Ag se fabricaron con proceso de deposición electroquímica sustrato poroso de alúmina anodizada como se describió anteriormente [41].

Los termopares de película delgada Pt-Cr se fabricaron con procedimientos estándar de sala limpia y técnicas de deposición de película delgada como se informó anteriormente [40]. En este trabajo, la película delgada de Cr se depositó con un sistema de sputtering por magnetrón (PVD75, Kurt J. Lesker, USA) en gas Ar. Los patrones de Cr aparecieron después del proceso de lift-off y los patrones de Pt alineados a marcadores de Cr se fabricaron con los mismos parámetros. Se depositó Cr de 3 nm de espesor por adelantado como capa de adhesión para la capa de Pt. Para los arrays de TFTC Pt-Cr, películas delgadas de Pt y Cr con espesores de 90 nm y 50 nm, respectivamente, se midieron con un perfilador de paso. En cada oblea de 4 pulgadas, diseñamos 16 dies idénticos, dispuestos en un array 4 × 4. Cada die tenía un tamaño de 16 mm × 16 mm y consistía en un dispositivo de array TFTC. Cada array TFTC consistía en 24 TFTCs, que tenían tamaño de unión que variaba de 2.0 μm × 2.5 μm a 8.0 μm × 8.5 μm. Las resistencias de los TFTCs, que variaban de 0.7 a 75.6 kΩ, se obtuvieron con un multímetro digital (2400, Keithley) para TFTC con diferentes tamaños. El poder termoeléctrico de los TFTCs se calibró en 15.0 ± 0.3 μV/K en una plataforma casera.

Para el micro-dispositivo de película delgada fabricado en una ventana independiente de Si₃N₄ que estaba en un sustrato Si (100), capas de nitruro de silicio de 400 nm de espesor se depositaron en ambos lados de la oblea Si (100) por técnica de deposición química de vapor a baja presión (LPCVD) y mostraron excelentes propiedades mecánicas. Después de fabricar los dispositivos TFTC en la superficie frontal, se patrónaron y grabaron ventanas de grabado cuadradas en el reverso de la oblea, se realizó un proceso de grabado húmedo para grabar a través de la oblea Si desde el reverso, dejando una ventana de película delgada de Si₃N₄ independiente con arrays TFTC pre-patronados para mediciones térmicas en un SEM.

Los experimentos de fresado con haz de iones enfocado (FIB) se realizaron en el sistema dual FIB/SEM 820, que redujo el tamaño de la unión TFTC de 5.0 × 5.0 μm² a 1.0 × 1.0 μm². Se usó un haz de iones Ga⁺, cuya corriente de haz era 12 pA con un voltaje de aceleración de 30 KV, en el proceso de reducción.

En nuestros experimentos de recocido in situ de películas delgadas Mg/B, aprovechamos lingotes comerciales de magnesio (99.99%) y boro (99.5%) como fuentes de evaporación para la deposición de películas multicapa Mg-B. El vacío base en la cámara de deposición fue de aproximadamente 5.0 × 10⁻⁶ Pa. Una capa de magnesio de 15 nm de espesor sirvió como primera capa, depositada por evaporación de haz-e a temperatura ambiente en sustratos 6H-SiC (0001) en un recubridor Balzers UTT 400 de ultra-alto vacío (UHV). Después de eso, se depositó una capa de B de 10 nm sobre la primera capa. Capas de Mg y B, depositadas alternadamente en sustratos, fueron las películas precursoras con una estructura multicapa de [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_{N = 4} en sustrato SiC. El espesor total de la multicapa Mg-B fue de 100 nm, monitoreado por un oscilador de cuarzo in situ. La relación de espesor Mg:B = 3:2 (15 nm:10 nm = 3:2) puede satisfacer la composición Mg:B = 1:2. La capa superior de boro de 10 nm de espesor sirvió como tapa de película para reducir la pérdida de Mg en cierta medida durante el recocido. Las películas precursoras se recocieron posteriormente en un soldador de haz-e EBW-6 con una presión de vacío de 5.0 × 10⁻³ Pa. El voltaje de aceleración de un haz-e de recocido fue de 40 KV con una corriente de haz de 3 mA. El diámetro de un haz-e fue de 1.40 cm y la duración del recocido fue de 0.1-1.0 s.

Los experimentos HIEB en TEM se realizaron en un TEM Jeol 2010F de emisión de campo de 200 kV. La corriente de haz-e se midió en ~ 5 nA con una copa de Faraday. Con un diámetro de haz-e de 0.5-1.0 nm, se obtuvo una densidad de corriente nominal de (0.6-2.5) × 10⁶ A/cm² en la muestra. Las muestras TEM se prepararon en rejillas de carbono lacey a partir de suspensiones de los NWs en etanol. Los procedimientos empleados para el patrón y soldadura de NWs siguieron la descripción en la ref. [9]. Los experimentos SEM se realizaron en un soldador de haz-e al vacío EBW-3H y un SEM de emisión de campo (FEI QUANTA 600F). El cableado complicado y la conexión entre el dispositivo en la cámara de vacío del SEM y los instrumentos de medición fuera de la cámara de vacío fueron diseñados y realizados especialmente. Las débiles señales de voltaje de salida de los TFTC bajo irradiación del haz-e del SEM en diferentes tamaños de punto (de 1 a 7, a.u.) y voltaje de aceleración (de 2 a 30 keV) se midieron con un multiplexor casero y un nanovoltímetro Keithley 2182A [39].

Resultados

Primero investigamos el límite superior de la temperatura local, T_max, que un haz-e a nanoescala en un TEM podría inducir en una superficie de muestra. Decenas de evidencias experimentales mostraron que los átomos en capas superficiales de NWs sólidos podían vaporizarse instantáneamente bajo irradiación de un HIEB [8, 42], indicando que los valores correspondientes de T_max eran superiores a las temperaturas de vaporización de los materiales sujetos. La Figura 1 presenta un resultado típico tomado en un TEM (Jeol 2010F) a voltaje de operación de 200 kV y corriente de haz-e de 5 nA. El haz-e se enfocó en un diámetro tan pequeño como 0.5-1.0 nm, y su intensidad fue lo suficientemente alta para perforar agujeros de 1 nm de diámetro en un NW de Si de 60 nm de diámetro en menos de un segundo. La Figura 1a es el NW de Si original, donde un NW de Au de 25 nm está ubicado en paralelo como referencia en operación de inclinación. La Figura 1b muestra los ocho nano-agujeros en el NW de Si hechos con el haz-e a nanoescala en 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 y 8 s, respectivamente. Los agujeros tienen todos un diámetro similar: ~ 1.0 nm. La Figura 1c, d muestra la vista lateral de los agujeros para el mismo NW de Si después de que la muestra se inclinó in situ 10.0° y 20.0°, respectivamente. Se ve que después de irradiar durante 1 s con el haz-e de 0.5-1.0 nm de diámetro, se ha perforado un agujero a través de todo el NW de Si. Con el aumento de la duración de irradiación de 1 a 8 s, el diámetro de la apertura frontal y la inferior se agrandaron, mientras que la región central de los agujeros pasantes permanece con un diámetro similar de 1 nm, apareciendo así como no cambiando en la vista superior mostrada en la Fig. 1b.

Cuantificación del aumento de temperatura superficial por irradiación de haz de electrones a nano y microescala — Imágenes de morfología TEM mostrando ocho agujeros de 1 nm perforados en un NW de Si monocristalino de 60 nm de diámetro. Esto se hace en 1-8 s, respectivamente, con un HIEB de 0.5-1.0 nm de diámetro de corriente 5 nA en un TEM de 200 kV. a El NW de Si original junto con un NW de Au de 25 nm de diámetro (aparece negro en la imagen). b Una imagen después de que se hayan creado ocho nano-agujeros por un HIEB. **c, d** Imágenes de la misma muestra después de inclinación in situ de 10.0° y 20.0°, respectivamente.

El hecho presentado en la Fig. 1 fue que los átomos de Si en la región local del punto focal bajo el HIEB de 1 nm de diámetro fueron totalmente vaporizados. De manera similar, tal HIEB de 1 nm de diámetro era capaz de perforar agujeros en un NW de Au [8]. Una conclusión lógica es que la temperatura local debería ser superior a los puntos de ebullición de los materiales, aquí, Si o Au. Como se muestra en la Tabla 1, los puntos de ebullición son 3173 K para Si y 3081 K para Au. En ambos casos, las temperaturas locales bajo un HIEB fueron superiores a 3000 K. Estudios previos han mostrado que el punto de fusión de un nanomaterial es ligeramente inferior al del volumen [43-45], sin embargo, en el tamaño de 20-100 nm, se espera que esta reducción en el punto de fusión no sea notable.

Aquí, como la temperatura local era tan alta que ningún método es aplicable para medir directamente la temperatura real. Para sensores térmicos de contacto, la temperatura local era superior al punto de fusión o incluso al punto de ebullición de los sensores. Para métodos de luminiscencia sin contacto, no solo el tamaño del área local era demasiado pequeño para una fibra óptica sino que todo el proceso ocurría demasiado rápido para mediciones ópticas fiables.

La temperatura local alta estimada sobre 3000 K puede causar debate. Se puede argumentar que en lugar de vaporización causada por calentamiento térmico, la eliminación de átomos de Si locales en los ocho nano-agujeros mostrados en la Fig. 1 fue causada por el "efecto knock-on". Si perforar nano-agujeros con un HIEB fuera verdaderamente un efecto knock-on, entonces reduciendo el flujo de HIEB al agrandar su diámetro de haz, se podría observar continuamente la eliminación de átomos superficiales en una escala de tiempo larga. Pero lo observado fue el umbral existente para la intensidad del haz, por debajo del cual, el proceso de perforación en NWs de Si, NWs de Au, etc. no podía llevarse a cabo [8]. Considerando que la energía cinética de cada electrón en un TEM de 200 kV es alrededor de 10⁻¹⁴ J, que es mayor que la energía de enlace por átomo de Si en tres órdenes de magnitud, la vaporización y el efecto knock-on tienen efectos sinérgicos en un proceso de "perforación". Por lo tanto, al definir la temperatura local nominal como un parámetro proporcional a la energía cinética promedio de las partículas locales (aquí, átomos de Si), las temperaturas locales nominales en las ocho regiones de agujeros fueron verdaderamente superiores al punto de ebullición del Si.

Previamente, se informó que cuando la densidad de corriente del haz estaba en el rango de 10^3-5 A/cm², un haz-e en un TEM podía aplicarse para introducir fusión local en NWs independientes, por ejemplo, NWs de Au, NWs de Cu, etc., en minutos [8]. Los efectos de fusión observados indicaban inequívocamente que las temperaturas locales en estas superficies metálicas estaban en el rango de 1000-2000 K, como se lista en la Tabla 1.

En este trabajo, observamos que cuando la intensidad del haz era lo suficientemente alta y el tiempo de irradiación duraba minutos, los haces-e en un SEM también podían inducir efecto de fusión local para películas delgadas de Pt y Cr depositadas en Si, como se presenta típicamente en la Fig. 2. Desde la imagen SEM (Fig. 2a) y la imagen de microscopio de fuerza atómica (AFM) (Fig. 2b) de la misma muestra después de irradiación de un haz-e de alta intensidad en un SEM, se ven agujeros y protuberancias en las regiones de unión de dos TFTCs Pt-Cr (resaltadas con flechas rojas). Las temperaturas de fusión de Cr y Pt eran 2130 K y 2045 K, respectivamente. Nuestros resultados experimentales implicaban que las temperaturas locales de superficie bajo la irradiación de haz-e eran superiores a las temperaturas de fusión de estos metales (~ 2000 K) [46]. Las protuberancias que ocurrían en los bordes de la unión a unos pocos micrones de los agujeros de fusión probablemente se formaron por difusión y acumulación de átomos de Pt y Cr. Sin embargo, fallamos en obtener los valores de temperatura local en tiempo real con los mismos sensores TFTC Pt-Cr bajo irradiación. En lugar de mostrar un incremento de temperatura local de 2000 K, medimos un incremento de menos de 100 K. Como se discute más adelante, esta enorme diferencia fue causada por la disipación térmica del sustrato Si grueso y el gran tamaño del sensor TFTC.

Con la preocupación de la fiabilidad del dispositivo para medición de alta temperatura, proporcionamos nuestros experimentos referidos con láseres de alta energía, cuyo calor enfocado en la unión es suficiente para compensar la disipación térmica. La Figura 2c muestra nuestros dispositivos TFTC Pd-Cr hechos en una ventana de película delgada de Si₃N₄ independiente de 400 nm de espesor. El TFTC Pd-Cr hecho con los mismos parámetros de proceso del TFTC Pt-Cr se usó para medir el láser médico por nuestros compañeros, en lugar del TFTC Pt-Cr, y se refirieron aquí resultados significativos para confirmar la fiabilidad a alta temperatura de este tipo de dispositivo [47]. Con irradiación en el punto focal de un láser de 79 mW (potencia), 785 nm (longitud de onda) durante 2 s, dos uniones Pd-Cr fueron quemadas (resaltadas con flechas blancas). Al mismo tiempo, el dispositivo mostró un pico de salida cercano a 50 mV. Usando nuestros resultados de calibración obtenidos a temperatura ambiente que era alrededor de 20 μV/K, esto representa una temperatura pico nominal de ~ 2400 K, como se muestra en la Fig. 2d. Pero 2400 K es superior al punto de fusión de la película de Pd, 1825 K. Atribuimos este error a un coeficiente Seebeck cambiante de Pd y Cr a altas temperaturas. Sin embargo, nuestros resultados indicaron que nuestros sensores TFTC hechos en ventana de Si₃N₄ eran aplicables para medir temperaturas locales hasta un valor cercano a los puntos de fusión de las rayas metálicas, es decir, 1800 K.

El límite superior de la temperatura local T_max en un SEM también se reveló con nuestros experimentos de recocido de películas delgadas multicapa [Mg-B]_N. Los resultados mostraron que haces-e de alta intensidad podían inducir transición de fase en películas delgadas multicapa [Mg-B]_N amorfas dentro de 1 s. Como resultado, una multicapa amorfa se convirtió parcialmente en una fase superconductora MgB₂ [5-7]. La Figura 3 y la Tabla 2 presentan algunos resultados típicos. Las películas precursoras, denotadas por [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_{N = 4}, se prepararon con un espesor total de 100 nm. El voltaje de aceleración del haz-e de recocido fue de 40 kV, con corrientes de haz de 9.9 mA, 10.7 mA y 12.8 mA, respectivamente. Las imágenes SEM de las muestras revelaron que diferentes corrientes de recocido podían resultar en diferente rugosidad en la superficie de la película, como se muestra en la Fig. 3. En un área de muestra de 10 × 10 μm², la rugosidad cuadrática media (RMS) se midió en 3.11 nm, 3.56 nm y 7.53 nm, respectivamente, para estas muestras. Las temperaturas de transición superconductora T_c de estas muestras se encontraron en 35.1 K, 35.8 K y 36.3 K, respectivamente (Tabla 2). Implicaba que la temperatura de recocido era crucial para la evaporación de Mg, la difusión en capas B y la tasa de reacción con B. Una corriente mayor podía provocar una temperatura de recocido más alta, lo que podía llevar a una reacción más suficiente. Según el diagrama de fases de MgB₂, la temperatura mínima requerida para una transición de fase para formar MgB₂ superconductor era 900-1000 K. Por lo tanto, los haces-e habían inducido temperaturas locales alrededor de 900-1000 K, o incluso superiores. Este resultado era consistente con los resultados mostrados en la Fig. 2.

Cuando la intensidad de un haz-e incidente se reduce aún más, o la duración de irradiación se reduce, un haz-e causa un efecto de calentamiento local medible en la superficie bajo la irradiación. La Figura 4 presenta un conjunto de resultados de medición típicos. La Figura 4a es una imagen óptica para uno de los cuatro tipos de muestras de array TFTC desarrolladas en este trabajo. Hecho en un sustrato SiO₂/Si(100) de 400 μm de espesor, este dispositivo consiste en 24 TFTCs Pt-Cr idénticos. Las 24 uniones, cada una con un área de 5.0 × 5.0 μm², se distribuyen en 4 filas, formando un patrón de "cruz" en el centro de la imagen. La Figura 4b es una imagen SEM que muestra el centro del dispositivo, donde los haces más brillantes son las rayas de Pt, y los más oscuros son las rayas de Cr.

La Figura 4c grafica algunos datos medidos. Fueron tomados de diferentes sensores TFTC bajo irradiación de haz-e a diferentes voltajes de aceleración de 10, 15, 20 y 25 kV, respectivamente, con corrientes de haz crecientes. El diámetro del punto de haz se fijó en 1 μm y el tiempo de medición se fijó en 30 s. Los experimentos de calibración revelaron que la sensibilidad promedio de los TFTCs Pt-Cr fue de 15.00 ± 0.29 μV/K, con una desviación estándar relativa del 1.9%. Muestra que el incremento de temperatura local aumenta linealmente con la corriente de haz-e incidente. Esto indica un efecto de calentamiento superficial lineal, que la potencia de calor convertida a la superficie local del sujeto (aquí la unión TFTC) era proporcional al flujo de electrones en el haz-e incidente. Dentro del error de medición, la potencia de calor también era proporcional al voltaje de aceleración. Sin embargo, como discutiremos a continuación, los datos medidos eran mucho menores que el incremento exacto de temperatura local en el centro del haz-e.

Discusiones

Distribución Centralizada de Temperaturas Locales Bajo un Haz-e a Nanoescala

Notamos que cuando un NW era irradiado con un haz-e a nanoescala, la región central tenía una temperatura mucho más alta que el resto de la región. La Figura 5a muestra un NW de Si monocristalino con cuatro nano-agujeros perforados en TEM con un HIEB. Los dos agujeros izquierdos, resaltados con flechas azules, tienen un diámetro de 1.2-1.5 nm, y son agujeros someros, que no penetran a través del NW. Los dos agujeros derechos, resaltados con flechas rojas, son agujeros pasantes con diámetro de 2.5 nm y 4.0 nm, respectivamente. Se muestra claramente que una región de nano-anillo alrededor del agujero muestra estructura amorfa, mientras que la parte restante del NW retiene su estructura cristalina original. Por ejemplo, la región central entre dos agujeros vecinos, que está solo a 2-4 nm del borde del agujero, muestra períodos cristalinos claros a lo largo de dos direcciones.

Este fenómeno implica que bajo un nano-haz-e, el centro del sujeto bajo irradiación tiene la temperatura más alta, y alejándose de este centro, la temperatura local disminuye bruscamente. La Figura 5b ilustra esquemáticamente la suposición: La función T(r) es similar a una función delta, donde T es la temperatura local y r es la distancia desde el punto central del haz-e. También podemos suponer que cuando el haz-e aumenta su diámetro, hay una meseta en el medio de la curva T(r), donde la temperatura local se satura, y cuando el diámetro del haz aumenta aún más, la meseta aumenta su área de saturación.

Además de las observaciones en TEM como se muestra típicamente en la Fig. 4a, la suposición anterior de distribución de temperatura local se probó cualitativamente con nuestros arrays TFTC bajo un haz-e débil en SEM. La Figura 6a es una imagen SEM del lado frontal para arrays TFTC Pt-Cr hechos en una oblea Si. En la Fig. 6b, presentamos resultados de una medición única. Los datos se obtuvieron bajo la condición de que el haz-e se enfocó para tener un tamaño de haz de 1 μm, mientras que el punto focal del haz-e se movió in situ en las rayas de Pt o Cr de cada sensor TFTC Pt-Cr. La distancia desde el punto focal a la región de unión TFTC se midió cuidadosamente. Bajo esta configuración experimental, asumimos que la temperatura local del punto focal era casi la misma, mientras que los datos medidos diferían notablemente a medida que cambiaba la distancia. Los resultados mostraron que después de una distancia de 1.5 mm de la región de unión, el efecto térmico causado por el haz-e focal era casi despreciable.

Influencia del Tamaño del Sensor en los Resultados de Medición

Encontramos que el tamaño de la unión de nuestros TFTCs tenía una influencia crucial en los resultados de medición. En un Si con 24 TFTCs Pt-Cr, las uniones originales tenían un tamaño de 5.0 × 5.0 μm². Usamos la técnica de haz de iones enfocado (FIB) para hacer algunas de las uniones en un tamaño de unión menor de 1.0 × 1.0 μm², como se muestra en la Fig. 7a, b. Bajo la misma irradiación de haces-e, las salidas tomadas del TFTC con un tamaño de unión pequeño de 1.0 × 1.0 μm² fueron mucho más altas que las con tamaño de unión de 5.0 × 5.0 μm², como se muestra en la Fig. 7c. Por ejemplo, irradiado con un haz-e de voltaje de aceleración 15 kV y corriente de haz 113.3 nA, el TFTC con tamaño de unión de 5.0 × 5.0 μm² midió un incremento de temperatura local de 35.0 K. Bajo la misma condición, un incremento de 161.4 K fue medido por el TFTC con tamaño de unión de 1.0 × 1.0 μm², mejorado cinco veces. De nuevo, confirmó que la temperatura superficial pico bajo un haz-e a nano-microescala estaba localizada en un área muy pequeña.

Influencia de la Ventana Independiente de Si₃N₄ en los Resultados de Medición

El sustrato para nuestro sensor TFTC juega un papel importante en la temperatura superficial máxima local de un sujeto bajo irradiación de haces-e a nano-microescala. Cuando el sustrato es grueso, el calor disipado a través del sustrato puede ser mucho más que el calor local que se acumula en la superficie del sujeto. Como resultado, la temperatura local medida podría ser mucho menor que el T_max posible inducido por el haz-e incidente.

Generalmente, un haz-e incidente a nano-microescala genera una cantidad de calor local, Q, en la superficie del sujeto bajo irradiación, que puede describirse por Q = P·Δt·γ, donde P es la potencia cinética incidente, Δt es la duración del tiempo, y γ es la relación de conversión. Ignorando el efecto de relatividad, aproximadamente P·Δt·γ = I·V·Δt·γ, donde I es la corriente de haz, y V es el voltaje de aceleración. Se espera que algo de calor se disipe a través del sustrato, conductores del TFTC y radiación. La parte restante causa el incremento de la temperatura superficial local que es medible por los sensores TFTC. Es decir, Q = Q_sustrato + Q_conductor + Q_radiación + Q_sensor, y Q_sensor = C·ΔT + λ. Aquí, Q_sustrato, Q_conductor y Q_radiación representan el calor disipado térmicamente a través del sustrato, conductores del sensor y efecto de radiación, respectivamente. Q_sensor corresponde al calor restante medido por el sensor, C es la capacidad térmica de la unión del sensor, ΔT es el incremento de temperatura local en comparación con los extremos fríos de los TFTCs, y λ es el calor latente de transición de fase. Nuestros estudios previos han mostrado que, bajo la irradiación de los mismos haces-e, la salida medida de sensores TFTC hechos en ventana independiente de Si₃N₄ fue 10-30 veces mayor que la tomada de los mismos sensores en obleas Si gruesas [40]. Este factor de mejora indicaba que Q_sustrato era mucho mayor que Q_sensor.

Notamos que la relación de conversión γ, o referida como valor de eficiencia térmica en algunas publicaciones, dependía mucho de la energía cinética promedio. La relación de conversión γ de un haz-e de soldadura con un voltaje de aceleración de 70 kV había sido revelada en el rango de 0.33-0.48, y se encontró que esta relación tenía poca correlación con la geometría de la soldadura [48]. Los experimentos habían manifestado que bajo irradiación de haz-e pulsado de baja energía y alta corriente (LEHCPEB), se había formado una capa homogénea en las superficies de aceros, lo que podría mejorar dramáticamente las propiedades anti-corrosión de los aceros [49]. Sin embargo, en nuestros experimentos TEM, los valores γ eran extremadamente menores que una unidad en varios órdenes de magnitud. La física subyacente necesita más investigación.

Resumimos los resultados y discusiones de este trabajo en la Fig. 8. Nuestros resultados experimentales tomados de la irradiación de haces-e de alta intensidad ya sea en un TEM o un SEM fueron consistentes entre sí. Una temperatura superficial local T_max superior a 1800-2000 K era alcanzable tanto en TEM como en SEM, como se revela por fenómenos de fusión local observados en NWs de Au, NWs de Cu, rayas de películas delgadas de Pt y Cr. En TEM, dado que los nanomateriales investigados en este trabajo eran naturalmente independientes, T_max superior a 3000 K fue evaluado a partir de los experimentos de nano-perforación observados en NWs de Si y NWs de Au. Efectos de vaporización local fueron inducidos en segundos por haces-e de 1 nm de diámetro.

Mostramos que TFTC en una ventana de película delgada de Si₃N₄ independiente resultaba en una sensibilidad mejorada por un factor de 10-30 veces, y mostramos que un sensor TFTC de 1 μm de ancho tenía una sensibilidad mayor que la de un TFTC de 5 μm de ancho por un factor de cinco veces. Esto es porque el sustrato grueso y los conductores anchos disipaban una gran cantidad de calor local. Para la medición precisa de la temperatura superficial local a nano y microescalas, idealmente se deberían fabricar sensores TFTC lo más pequeños posible, y hacerlos en capas de aislamiento térmico, como ventanas de película delgada de Si₃N₄ independientes o capas de Parylene.

Conclusión

En resumen, investigamos varios enfoques para la medición y estimación de la temperatura superficial local bajo irradiación de haces-e a nano-microescala. Haces-e de 10^5-6 A/cm² podían inducir vaporización local de Si y Au en segundos, mostrando una temperatura superior a 3000 K. Haces-e con intensidad de 10^3-4 A/cm² podían introducir fusión local en rayas de películas delgadas de Cr, Pt y Pd; NWs de Au y Cu; y transición de fase en películas delgadas Mg-B, con una temperatura local de 1000-2000 K. Demostramos que arrays TFTC hechos en ventanas independientes de Si₃N₄ funcionaban bien en la detección de temperaturas pico de hasta 1500 K o superiores. Combinando técnicas de análisis de morfología superficial, medición eléctrica y sensores TFTC, podíamos estimar la temperatura local en un amplio rango. También discutimos la distribución de temperaturas superficiales bajo haces-e, la disipación térmica de sustrato grueso y una pequeña relación de conversión de la alta energía cinética del haz-e al calor superficial.

Los resultados son útiles para aplicaciones de haces-e, y pueden ofrecer pistas valiosas para desarrollar técnicas novedosas de sensado y métodos de evaluación para altas temperaturas en el rango de 1500-3000 K.