Quantificação do Aumento de Temperatura Superficial da Nano à Microescala por Irradiação de Feixe de Elétrons

Resumo

Feixes de elétrons (e-beams) têm sido aplicados como sondas de detecção e fontes de energia limpa em muitas aplicações. Neste trabalho, investigamos várias abordagens para medição e estimativa da faixa e distribuição de temperaturas locais na superfície de um material sob irradiação de e-beams na nano-microescala. Mostramos que um e-beam de alta intensidade com densidade de corrente de 10^5-6 A/cm² pode resultar na vaporização de Si e Au sólidos em segundos, com temperatura superficial local superior a 3000 K. Com intensidade de feixe menor, de 10^3-4 A/cm², e-beams podem introduzir temperatura superficial local na faixa de 1000-2000 K em pouco tempo, causando fusão local em nanofios metálicos e filmes finos de Cr, Pt e Pd, e transição de fase em filmes metálicos Mg-B. Demonstramos que termopares de filme fino em uma janela autossustentada de Si₃N₄ eram capazes de detectar temperaturas superficiais locais de pico até 2000 K de forma estável, e temperaturas em faixa mais baixa com alta precisão. Discutimos a distribuição de temperaturas superficiais sob e-beams, dissipação térmica de substrato espesso e uma pequena taxa de conversão da alta energia cinética do e-beam para calor superficial. Os resultados podem oferecer pistas para novas aplicações de e-beams.

Introdução

E-beams têm sido aplicados como sondas e fontes de energia limpa em uma variedade de aplicações práticas, como imagem de morfologia superficial, análise de estruturas cristalinas, produção de padrões de litografia, deposição de filmes finos, etc. Nestes aplicações práticas, o efeito de aquecimento superficial local sob irradiação de e-beams é uma questão interessante. Para algumas aplicações, na litografia de e-beam, por exemplo, esse calor superficial induzido por e-beam pode causar distorção de padrões projetados na nanoescala no processo de escrita, resultando em falha dos dispositivos finais [1-3]. Em outras aplicações, o efeito de aquecimento superficial local é utilizado para deposição de filmes finos [4], recozimento [5-7], ou até mesmo esculpir nanomateriais [8, 9]. No entanto, até hoje, a medição e avaliação precisas das temperaturas superficiais locais sob irradiação de e-beam permanecem como um desafio técnico [10-12].

Quando os "elétrons livres" em metais recebem alta energia cinética, por exemplo, por aquecimento ou alto campo elétrico, eles podem sair do volume do metal para o espaço livre. Feixes de elétrons têm sido amplamente usados em soldagem [13-16], fusão [17], corte de bordas [18], tratamento de superfície [19, 20] e deposição física de vapor [21]. Atualmente, muito progresso recente em processos de manufatura aditiva de metal usando fusão por feixe de elétrons foi feito [22-26]. Tem atraído atenção crescente no uso de e-beam para fusão seletiva de pó metálico. Os e-beams discutidos neste trabalho referem-se àqueles emitidos de canhões de elétrons feitos de fios de tungstênio, pontas de cristal LaB₆ ou pontas de cristal W [27, 28]. Após aceleração sob alto campo elétrico, um e-beam torna-se uma fonte pura de energia com média de 5-30 keV por elétron em microscópios eletrônicos de varredura (SEMs), ou 100-300 keV por elétron em microscópios eletrônicos de transmissão normais (TEMs).

Os fenômenos associados ao processo de reentrada de um e-beam livre no vácuo quando guiado para entrar em uma superfície sólida limpa em um SEM ou TEM são bem estudados. Quando um e-beam de alta energia (5-300 keV) atinge uma superfície sólida, geralmente gera muitos elétrons secundários, elétrons de retroespalhamento, elétrons Auger, etc. Pode também induzir excitação de átomos sob irradiação, e causar "efeito knock-on" que remove alguns átomos superficiais, e pode quebrar a estrutura cristalina local, induzindo desordens e defeitos [29, 30]. Além disso, essas interações elétron-sólido causam incremento da temperatura local do material sob irradiação do e-beam.

Em geral, o incremento de temperatura local resulta da conversão da energia cinética do e-beam para o material sob irradiação. Estudos anteriores mostraram que as temperaturas locais sob um e-beam de alta intensidade (HIEB) poderiam ser muito altas. Um HIEB em um TEM poderia perfurar nano-furos, cortar nano-pontes em nanofios (NWs), e soldar dois NWs formando uma junção [8]. Com procedimentos operacionais cuidadosos, podia-se usar um e-beam para fazer uma ponte de cadeia de átomo único de carbono a partir de um filme fino de carbono contínuo [9]. Usando e-beams como fontes de energia in situ, podia-se obter fase supercondutora MgB₂ a partir de um filme "superrede" multicamadas [Mg-B]_n [5-7].

No entanto, permanece uma questão controversa: Qual é a temperatura local exata induzida por um e-beam? Tecnicamente, é difícil medir diretamente a temperatura local induzida por um e-beam focalizado em um TEM ou SEM. Várias tentativas foram feitas para resolver este problema [31, 32]. Por exemplo, o perfil de temperatura na superfície de um filme de resistência sob irradiação de e-beam foi medido com termopares de filme fino submicrométricos (TFTCs). Perfis de temperatura locais com resolução espacial de nanômetro foram obtidos com microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) e espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) [33]. Medição direta de temperatura local em ambiente nanoescala foi realizada em TEM com espectroscopia combinada de ganho e perda de energia de elétrons [34]. Usando o método de difração de feixe paralelo de elétrons, a temperatura local em um TEM foi medida indiretamente a partir da mudança no ângulo de espalhamento induzida por expansão térmica [35]. Aproveitando um TEM e transição de fase sólido-líquido de ilhas metálicas, imagens térmicas nanoescalares foram obtidas, cuja resolução supera os limites de uma microscopia térmica baseada em técnica de imagem infravermelha [36]. Usando este método, o mecanismo de aquecimento Joule remoto de um substrato de nitreto de silício por um único nanotubo de carbono de múltiplas paredes tinha sido descoberto [37]. Além disso, micro-termômetros, baseados na transição isolante-metal, podiam dar avaliação quantitativa do aquecimento por feixe de elétrons em detalhes [38].

No entanto, estas tentativas eram apenas aplicáveis a uma faixa de baixa temperatura. Neste trabalho, analisando a mudança de estrutura do material antes e depois da irradiação, e medindo diretamente a temperatura local com dispositivos e técnicas de medição que desenvolvemos [39, 40], analisamos os efeitos de aquecimento induzidos com e-beams nanoescalares para uma faixa de temperatura de seis ordens de magnitude com experimentos in situ em TEM e SEM. Para temperaturas superiores a 10³ K, estimamos as temperaturas locais sob um e-beam com mudanças de morfologia em nanofios semicondutores e metálicos, bem como nano-fitas de filmes finos metálicos. Para temperaturas inferiores a 10³ K até uma fração de 1 K, medimos as temperaturas locais sob um e-beam com dispositivos micro/nano-TFTC fabricados em filmes autossustentados de Si₃N₄. O espectro completo para temperatura local máxima versus intensidade incidente de e-beam pode oferecer uma referência valiosa para novas aplicações envolvendo processos de e-beam.

Detalhes Experimentais

Nanofios (NWs) de Si usados neste trabalho foram fabricados com processo de deposição química de vapor (CVD) como descrito anteriormente [8]. NWs de Cu, Au e Ag foram fabricados com processo de deposição eletroquímica em substrato de óxido de alumínio anodizado poroso como descrito anteriormente [41].

Termopares de filme fino Pt-Cr foram fabricados com procedimentos padrão de sala limpa e técnicas de deposição de filme fino como relatado anteriormente [40]. Neste trabalho, filme fino de Cr foi depositado com sistema de sputtering magnetrônico (PVD75, Kurt J. Lesker, EUA) em gás Ar. Os padrões de Cr apareceram após processo de lift-off e os padrões de Pt alinhados aos marcadores de Cr foram fabricados com os mesmos parâmetros. Um Cr de 3 nm de espessura foi depositado antecipadamente como camada de adesão para a camada de Pt. Para os arrays de TFTC Pt-Cr, filmes finos de Pt e Cr com espessuras de 90 nm e 50 nm, respectivamente, foram medidos com perfilômetro de passo. Em cada wafer de 4 pol, projetamos 16 dies idênticos, arranjados em array 4 × 4. Cada die tinha tamanho de 16 mm × 16 mm e consistia de um dispositivo de array TFTC. Cada array TFTC consistia de 24 TFTCs, que tinham tamanho de junção variando de 2,0 µm × 2,5 µm a 8,0 µm × 8,5 µm. As resistências dos TFTCs, variando de 0,7 a 75,6 kΩ, foram obtidas por multímetro digital (2400, Keithley) para TFTC com diferentes tamanhos. O termoelétrico dos TFTCs foi calibrado em 15,0 ± 0,3 µV/K em plataforma caseira.

Para o microdispositivo de filme fino fabricado em uma janela autossustentada de Si₃N₄ que estava em um substrato Si (100), camadas de nitreto de silício de 400 nm de espessura foram depositadas em ambos os lados do wafer Si (100) pela técnica de deposição química de vapor de baixa pressão (LPCVD) e mostraram excelentes propriedades mecânicas. Após a fabricação dos dispositivos TFTC na superfície frontal, janelas de gravação quadradas foram padronizadas e gravadas no verso do wafer, um processo de gravação úmida foi realizado para gravar através do wafer Si pelo verso, deixando uma janela de filme fino de Si₃N₄ autossustentada com arrays TFTC pré-padronizados para medições térmicas em um SEM.

Os experimentos de fresamento por feixe de íons focalizado (FIB) foram conduzidos no sistema dual beam FIB/SEM 820, que reduziu o tamanho da junção TFTC de 5,0 × 5,0 µm² para 1,0 × 1,0 µm². Um feixe de íons Ga⁺, cuja corrente de feixe era 12 pA com tensão de aceleração de 30 KV, foi usado no processo de redução.

Nos nossos experimentos de recozimento in situ de filmes finos Mg/B, aproveitamos lingotes comerciais de magnésio (99,99%) e boro (99,5%) como fontes de evaporação para deposição de filmes multicamadas Mg-B. O vácuo base na câmara de deposição era cerca de 5,0 × 10⁻⁶ Pa. Uma camada de magnésio de 15 nm de espessura serviu como primeira camada, depositada por evaporação por feixe de elétrons à temperatura ambiente em substratos 6H-SiC (0001) em um coater Balzers UTT 400 de ultra-alto vácuo (UHV). Após isso, uma camada de B de 10 nm foi depositada na primeira camada. Camadas de Mg e B, depositadas alternadamente nos substratos, foram os filmes precursores com estrutura multicamadas [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_N=4 em substrato SiC. A espessura total do multicamadas Mg-B era 100 nm, monitorada por um oscilador de quartzo in situ. A razão de espessura Mg:B = 3:2 (15 nm:10 nm = 3:2) pode satisfazer a composição Mg:B = 1:2. A camada superior de boro de 10 nm de espessura serviu como tampa do filme para reduzir a perda de Mg em certa medida durante o recozimento. Os filmes precursores foram pós-recozidos em um soldador por feixe de elétrons EBW-6 com pressão de vácuo de 5,0 × 10⁻³ Pa. A tensão de aceleração de um feixe de elétrons de recozimento era 40 KV com corrente de feixe de 3 mA. O diâmetro de um feixe de elétrons era 1,40 cm e a duração do recozimento era 0,1-1,0 s.

Os experimentos HIEB em TEM foram realizados em um TEM de emissão de campo Jeol 2010F de 200 kV. A corrente do e-beam foi medida em ~ 5 nA com um copo de Faraday. No diâmetro do e-beam de 0,5-1,0 nm, uma densidade de corrente nominal de (0,6-2,5) × 10⁶ A/cm² foi obtida na amostra. Amostras de TEM foram preparadas em grades de carbono lacey a partir de suspensões dos NWs em etanol. Os procedimentos empregados para padronização e soldagem de NWs seguiram a descrição na ref. [9]. Experimentos em SEM foram realizados em um soldador por feixe de elétrons a vácuo EBW-3H e um SEM de emissão de campo (FEI QUANTA 600F). Fiação complicada e conexão entre o dispositivo na câmara de vácuo do SEM e instrumentos de medição fora da câmara de vácuo foram especialmente projetados e realizados. Sinais de tensão fracos das saídas dos TFTC sob irradiação do e-beam do SEM em diferentes tamanhos de ponto (de 1 a 7, a.u.) e tensão de aceleração (de 2 a 30 keV) foram medidos com um multiplexador caseiro e um nanovoltímetro Keithley 2182A [39].

Resultados

Primeiro, investigamos o limite superior da temperatura local, T_max, que um e-beam nanoescalar em um TEM poderia induzir na superfície de um material. Dezenas de evidências experimentais mostraram que átomos em camadas superficiais de NWs sólidos poderiam ser instantaneamente vaporizados sob irradiação de um HIEB [8, 42], indicando que os valores correspondentes de T_max eram superiores às temperaturas de vaporização dos materiais. A Figura 1 apresenta um resultado típico obtido em um TEM (Jeol 2010F) a tensão de operação de 200 kV e corrente de e-beam de 5 nA. O e-beam foi focalizado em um diâmetro tão pequeno quanto 0,5-1,0 nm, e sua intensidade era alta o suficiente para perfurar furos de 1 nm de diâmetro em um NW de Si de 60 nm de diâmetro em menos de um segundo. A Figura 1a é o NW de Si original, onde um NW de Au de 25 nm está localizado em paralelo como referência na operação de inclinação. A Figura 1b mostra os oito nano-furos no NW de Si feitos com o e-beam nanoescalar em 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8 s, respectivamente. Os furos todos têm diâmetro similar: ~ 1,0 nm. A Figura 1c, d mostra vista lateral dos furos para o mesmo NW de Si após a amostra ter sido inclinada in situ para 10,0° e 20,0°, respectivamente. Vê-se que após irradiar por 1 s com o e-beam de 0,5-1,0 nm de diâmetro, um furo foi perfurado através de todo o NW de Si. Com o aumento da duração da irradiação de 1 a 8 s, o diâmetro da abertura frontal e da abertura inferior ambos aumentaram, enquanto a região central dos furos passantes permanece com diâmetro similar de 1 nm, aparecendo assim como não mudando na vista superior mostrada na Fig. 1b.

Imagens de morfologia TEM mostrando oito furos de 1 nm perfurados em um NW de Si monocristalino de 60 nm de diâmetro. Isto é feito em 1-8 s, respectivamente, com um HIEB de 0,5-1,0 nm de diâmetro de corrente 5 nA em um TEM de 200 kV. a O NW de Si original junto com um NW de Au de 25 nm de diâmetro (aparecendo preto na imagem). b Uma imagem após oito nano-furos terem sido criados por um HIEB. c, d Imagens da mesma amostra após inclinação in situ para 10,0° e 20,0°, respectivamente.

O fato apresentado na Fig. 1 foi que átomos de Si na região local do ponto focal sob o HIEB de 1 nm de diâmetro foram totalmente vaporizados. Similarmente, tal HIEB de 1 nm de diâmetro era capaz de perfurar furos em um NW de Au [8]. Uma conclusão lógica é que a temperatura local deveria ser superior aos pontos de ebulição dos materiais, aqui, Si ou Au. Como mostrado na Tabela 1, os pontos de ebulição são 3173 K para Si e 3081 K para Au. Em ambos os casos, as temperaturas locais sob um HIEB eram superiores a 3000 K. Estudos anteriores mostraram que o ponto de fusão de um nanomaterial é ligeiramente menor que o do material em massa [43-45], ainda no tamanho de 20-100 nm, esta redução no ponto de fusão não é esperada como notável.

Aqui, como a temperatura local era tão alta que nenhum método é aplicável para medir diretamente a temperatura real. Para sensores térmicos de contato, a temperatura local era superior ao ponto de fusão ou até mesmo de ebulição dos sensores. Para métodos de luminescência sem contato, não apenas o tamanho da área local era muito pequeno para uma fibra óptica, mas também todo o processo ocorria muito rápido para medições ópticas confiáveis.

A temperatura local alta estimada acima de 3000 K pode causar argumento. Pode-se argumentar que, em vez de vaporização causada por aquecimento térmico, a remoção de átomos locais de Si nos oito nano-furos mostrados na Fig. 1 foi causada pelo "efeito knock-on". Se perfurar nano-furos com um HIEB fosse verdadeiramente um efeito knock-on, então reduzindo o fluxo de HIEB ao aumentar seu diâmetro de feixe, poderia-se continuamente observar remoção de átomos superficiais em uma longa escala de tempo. Mas o que foi observado foi o limiar existente para a intensidade do feixe, abaixo do qual, o processo de perfuração em NWs de Si, NWs de Au, etc. não podia ser realizado [8]. Considerando que a energia cinética de cada elétron em um TEM de 200 kV é cerca de 10⁻¹⁴ J, que é maior que a energia de ligação por átomo de Si em três ordens de magnitude, a vaporização e o efeito knock-on têm efeitos sinérgicos em um processo de "perfuração". Portanto, definindo a temperatura local nominal como um parâmetro proporcional à energia cinética média de partículas locais (aqui, átomos de Si), as temperaturas locais nominais nas oito regiões de furos eram verdadeiramente superiores ao ponto de ebulição de Si.

Anteriormente, foi relatado que quando a densidade de corrente do feixe estava na faixa de 10^3-5 A/cm², um e-beam em um TEM podia ser aplicado para introduzir fusão local em NWs autossustentados, ex., NWs de Au, NWs de Cu, etc., em minutos [8]. Os efeitos de fusão observados indicavam inequivocamente que as temperaturas locais nestas superfícies metálicas estavam na faixa de 1000-2000 K, como listado na Tabela 1.

Neste trabalho, observamos que quando a intensidade do feixe era alta o suficiente e o tempo de irradiação durava minutos, e-beams em um SEM também podiam induzir efeito de fusão local para filmes finos de Pt e Cr depositados em Si, como apresentado tipicamente na Fig. 2. Da imagem de SEM (Fig. 2a) e imagem de microscópio de força atômica (AFM) (Fig. 2b) da mesma amostra após irradiação de um e-beam de alta intensidade em um SEM, vê-se furos e protrusões nas regiões de junção de dois TFTCs Pt-Cr (destacados com setas vermelhas). As temperaturas de fusão de Cr e Pt eram 2130 K e 2045 K, respectivamente. Nossos resultados experimentais implicavam que as temperaturas locais da superfície sob irradiação de e-beam eram superiores às temperaturas de fusão destes metais (~ 2000 K) [46]. As protrusões que ocorreram nas bordas da junção a poucos mícrons dos furos de fusão foram provavelmente formadas por difusão e acúmulo dos átomos de Pt e Cr. No entanto, falhamos em obter os valores de temperatura local em tempo real com os mesmos sensores TFTC Pt-Cr sob irradiação. Em vez de mostrar um incremento de temperatura local de 2000 K, medimos um incremento inferior a 100 K. Como discutido posteriormente, esta enorme diferença foi causada pela dissipação térmica do substrato Si espesso e pelo grande tamanho do sensor TFTC.

Efeitos de fusão local observados em um SEM. a Imagem SEM de uma amostra de array TFTC Pt-Cr, mostrando dois furos (destacados com setas vermelhas) feitos por irradiação de e-beam nas regiões de junção de dois sensores TFTC Pt-Cr. b Imagem AFM das mesmas duas junções, mostrando informação 3D detalhada dos dois furos. c Quatro sensores TFTC Pd-Cr feitos em uma janela de filme fino de Si₃N₄ autossustentada de 400 nm de espessura. Dois TFTCs (destacados com setas brancas) no lado esquerdo da janela foram queimados com um laser focalizado de 785 nm. d O pico de saída correspondente do TFTC Pd-Cr quando queimado com o laser.

Com a preocupação de confiabilidade do dispositivo para medição de alta temperatura, fornecemos nossos experimentos de referência com lasers de alta energia, cujo calor focalizado na junção é suficiente para compensar a dissipação térmica. A Figura 2c mostra nossos dispositivos TFTC Pd-Cr feitos em uma janela de filme fino de Si₃N₄ autossustentada de 400 nm de espessura. O TFTC Pd-Cr feito com os mesmos parâmetros de processo do TFTC Pt-Cr foi usado para medir o laser médico por nossos colegas, em vez do TFTC Pt-Cr, e resultados significativos foram referidos aqui para confirmar a confiabilidade de alta temperatura deste tipo de dispositivo [47]. Com irradiação no ponto focal de um laser de 79 mW (potência), 785 nm (comprimento de onda) por 2 s, duas junções Pd-Cr foram queimadas (destacadas com setas brancas). Ao mesmo tempo, o dispositivo mostrou um pico de saída próximo a 50 mV. Usando nossos resultados de calibração obtidos à temperatura ambiente que era cerca de 20 µV/K, isso representa uma temperatura de pico nominal de ~ 2400 K, como mostrado na Fig. 2d. Mas 2400 K é superior ao ponto de fusão do filme de Pd, 1825 K. Atribuímos este erro a um coeficiente Seebeck variável de Pd e Cr em altas temperaturas. No entanto, nossos resultados indicaram que nossos sensores TFTC feitos em janela de filme fino de Si₃N₄ eram aplicáveis para medir temperaturas locais até um valor próximo aos pontos de fusão das listras metálicas, ou seja, 1800 K.

O limite superior da temperatura local T_max em um SEM também foi revelado com nossos experimentos de recozimento de filmes finos multicamadas [Mg-B]_N. Os resultados mostraram que e-beams de alta intensidade podiam induzir transição de fase em filmes finos multicamadas [Mg-B]_N amorfos dentro de 1 s. Como resultado, um multicamadas amorfo era parcialmente transformado em uma fase supercondutora MgB₂ [5-7]. A Figura 3 e Tabela 2 apresentam alguns resultados típicos. Os filmes precursores, denotados por [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_N=4, foram preparados com espessura total de 100 nm. A tensão de aceleração do e-beam de recozimento era 40 kV, com correntes de feixe de 9,9 mA, 10,7 mA e 12,8 mA, respectivamente. As imagens SEM das amostras revelaram que diferentes correntes de recozimento podiam resultar em diferentes rugosidades na superfície do filme, como mostrado na Fig. 3. Em uma área de amostra de 10 × 10 µm², a rugosidade quadrática média (RMS) foi medida em 3,11 nm, 3,56 nm e 7,53 nm, respectivamente, para estas amostras. As temperaturas de transição supercondutora T_c destas amostras foram encontradas em 35,1 K, 35,8 K e 36,3 K, respectivamente (Tabela 2). Implicava que a temperatura de recozimento era crucial para a evaporação de Mg, difusão nas camadas de B e taxa de reação com B. Uma corrente maior podia trazer uma temperatura de recozimento mais alta, que podia levar a uma reação mais suficiente. De acordo com o diagrama de fase de MgB₂, a temperatura mínima requerida para uma transição de fase para formação de MgB₂ supercondutor era 900-1000 K. Portanto, os e-beams tinham induzido temperaturas locais em torno de 900-1000 K, ou até mais altas. Este resultado era consistente com os resultados mostrados na Fig. 2.

Micrografias SEM de [B(10 nm)/Mg(15 nm)]_N=4 multicamadas em substrato SiC recozidas com HIEB em um SEM com correntes de recozimento de a 0 mA, b 9,9 mA, c 10,7 mA e d 12,8 mA, respectivamente.

Quando a intensidade de um e-beam incidente é ainda mais reduzida, ou a duração da irradiação é reduzida, um e-beam causa efeito de aquecimento local mensurável na superfície sob irradiação. A Figura 4 apresenta um conjunto de resultados típicos de medição. A Figura 4a é uma imagem óptica para um dos quatro tipos de amostras de array TFTC desenvolvidas neste trabalho. Feita em um substrato SiO₂/Si(100) de 400 µm de espessura, este dispositivo consiste de 24 TFTCs Pt-Cr idênticos. As 24 junções, cada uma com área de 5,0 × 5,0 µm², variam em 4 fileiras, formando um padrão "cruz" no centro da imagem. A Figura 4b é uma imagem SEM mostrando o centro do dispositivo, onde as listras mais brilhantes são as de Pt, e as mais escuras são de Cr.

Imagens de amostras TFTC em Si e resultados de testes. a Imagem óptica de um array TFTC em Si com tamanho de junção 5,0 × 5,0 µm². b Imagem SEM do centro do dispositivo, mostrando 24 junções de sensores. c Resultados de medição de incremento de temperatura local com os TFTCs sob irradiação de e-beam com diferentes tensões de aceleração e correntes de feixe.

A Figura 4c plota alguns dados medidos. Eles foram obtidos de diferentes sensores TFTC sob irradiação de e-beam em diferentes tensões de aceleração de 10, 15, 20 e 25 kV, respectivamente, com correntes de feixe crescentes. O diâmetro do ponto de feixe foi fixado em 1 µm e o tempo de medição foi fixado em 30 s. Experimentos de calibração revelaram que a sensibilidade média dos TFTCs Pt-Cr eram 15,00 ± 0,29 µV/K, com desvio padrão relativo de 1,9%. Mostra que o incremento de temperatura local aumenta linearmente com a corrente do e-beam incidente. Isso indica um efeito de aquecimento superficial linear, que a potência de aquecimento convertida para a superfície local do material (aqui a junção TFTC) era proporcional ao fluxo de elétrons no e-beam incidente. Dentro do erro de medição, a potência de aquecimento também era proporcional à tensão de aceleração. No entanto, como discutiremos a seguir, os dados medidos eram muito menores que o incremento exato de temperatura local no centro do e-beam.

Discussões

Distribuição Centralizada de Temperaturas Locais sob um e-Beam Nanoescalar

Notamos que quando um NW era irradiado com um e-beam nanoescalar, a região central tinha uma temperatura muito mais alta que o resto da região. A Figura 5a mostra um NW de Si monocristalino com quatro nano-furos perfurados em TEM com um HIEB. Os dois furos à esquerda, destacados com setas azuis, têm diâmetro de 1,2-1,5 nm, e são furos rasos, que não penetram através do NW. Os dois furos à direita, destacados com setas vermelhas, são furos passantes com diâmetro de 2,5 nm e 4,0 nm, respectivamente. Mostra-se claramente que uma região de nano-anel ao redor do furo mostra estrutura amorfa, enquanto a parte restante do NW retém sua estrutura cristalina original. Por exemplo, a região central entre dois furos vizinhos, que está apenas a 2-4 nm da borda do furo, mostra períodos cristalinos claros ao longo de duas direções.

Distribuição de temperatura local sob irradiação de um e-beam nanoescalar. a Um NW de Si monocristalino com quatro nano-furos perfurados com um HIEB em TEM. Dois furos rasos são destacados com setas azuis, e dois furos passantes são destacados com setas vermelhas. b Função T(r) estimada para a temperatura local versus distância ao ponto central.

Este fenômeno implica que sob um nano-e-beam, o centro do material sob irradiação tem a temperatura mais alta, e afastando-se deste centro, a temperatura local diminui acentuadamente. A Figura 5b ilustra esquematicamente a suposição: A função T(r) é similar a uma função delta, onde T é a temperatura local e r é a distância do ponto central do e-beam. Também podemos assumir que quando o e-beam aumenta seu diâmetro, há um platô no meio da curva T(r), onde a temperatura local satura, e quando o diâmetro do feixe aumenta ainda mais, o platô aumenta sua área de saturação.

Além das observações em TEM como mostrado tipicamente na Fig. 4a, a suposição acima da distribuição de temperatura local foi testada qualitativamente com nossos arrays TFTC sob um e-beam fraco em SEM. A Figura 6a é uma imagem SEM do lado frontal para arrays TFTC Pt-Cr feitos em um wafer Si. Na Fig. 6b, apresentamos resultados de uma medição única. Os dados foram obtidos sob a condição de que o e-beam foi focalizado para ter tamanho de feixe de 1 µm, enquanto o ponto focal do e-beam foi movido in situ nas listras de Pt ou Cr de cada sensor TFTC Pt-Cr. A distância do ponto focal à região de junção TFTC foi cuidadosamente medida. Sob este arranjo experimental, assumimos que a temperatura local do ponto focal era quase a mesma, enquanto os dados medidos diferiam notavelmente conforme a distância mudava. Os resultados mostraram que após uma distância de 1,5 mm da região de junção, o efeito térmico causado pelo e-beam focal era quase desprezível.

Um array TFTC e seus resultados de medição. a Imagem SEM de uma amostra de array TFTC Pt-Cr na superfície frontal de um wafer Si₃N₄/Si(100)/Si₃N₄. O array TFTC no centro do dispositivo consistia de 24 TFTCs, que tinham tamanho de junção variando de 2,0 × 2,5 a 8,0 × 8,5 µm². b Saídas medidas de um sensor TFTC quando um e-beam focalizado de diâmetro 1 µm irradiava em um ponto das duas listras de filme fino metálico do TFTC, Pt e Cr, a certa distância da região de junção Pt-Cr.

Influência do Tamanho do Sensor nos Resultados de Medição

Descobrimos que o tamanho da junção de nossos TFTCs tinha influência crucial nos resultados de medição. Em um Si com 24 TFTCs Pt-Cr, as junções originais tinham tamanho de 5,0 × 5,0 µm². Usamos técnica de feixe de íons focalizado (FIB) para tornar algumas das junções em tamanho menor de 1,0 × 1,0 µm², como mostrado na Fig. 7a, b. Sob a mesma irradiação de e-beams, as saídas obtidas do TFTC com tamanho de junção pequeno de 1,0 × 1,0 µm² eram muito maiores que aquelas com tamanho de junção de 5,0 × 5,0 µm², como mostrado na Fig. 7c. Por exemplo, irradiado com um e-beam de tensão de aceleração 15 kV e corrente de feixe 113,3 nA, o TFTC com tamanho de junção de 5,0 × 5,0 µm² mediu um incremento de temperatura local de 35,0 K. Sob a mesma condição, um incremento de 161,4 K foi medido pelo TFTC com tamanho de junção de 1,0 × 1,0 µm², aumentado cinco vezes. Novamente, confirmou que a temperatura superficial de pico sob um e-beam nano-microescalar era localizada em uma área muito pequena.

Imagens SEM de um array TFTC e seus resultados de medição. a Imagem SEM de um array TFTC Pt-Cr em wafer Si espesso com tamanho de junção original idêntico de 5,0 × 5,0 µm². Uma junção (destacada com quadro tracejado amarelo) foi cortada com FIB para área de junção de 1,0 × 1,0 µm². b Imagem SEM da área de junção fabricada por FIB em (a). c Saídas medidas de um TFTC original e do TFTC de junção pequena sob a mesma irradiação de e-beam.

Influência da Janela Autossustentada de Si₃N₄ nos Resultados de Medição

O substrato para nosso sensor TFTC desempenha um papel importante na temperatura superficial local máxima de um material sob irradiação de e-beams nano-microescalares. Quando o substrato é espesso, o calor dissipado através do substrato pode ser muito mais que o calor local acumulado na superfície do material. Como resultado, a temperatura local medida poderia ser muito menor que o possível T_max induzido pelo e-beam incidente.

Geralmente, um e-beam incidente nano-microescalar gera uma quantidade de calor local, Q, na superfície do material sob irradiação, que pode ser descrita por Q = P·Δt·γ, onde P é a potência cinética incidente, Δt é a duração do tempo, e γ é a taxa de conversão. Ignorando o efeito de relatividade, aproximadamente P·Δt·γ = I·V·Δt·γ, onde I é a corrente do feixe, e V é a tensão de aceleração. Espera-se que algum calor dissipe através do substrato, condutores do TFTC e radiação. A parte restante causa incremento da temperatura superficial local que é mensurável pelos sensores TFTC. Ou seja, Q = Q_substrato + Q_condutor + Q_radiação + Q_sensor, e Q_sensor = C·ΔT + λ. Aqui, Q_substrato, Q_condutor e Q_radiação representam calor dissipado termicamente através do substrato, condutores do sensor e efeito de radiação, respectivamente. Q_sensor corresponde ao calor restante medido pelo sensor, C é a capacidade térmica da junção do sensor, ΔT é o incremento de temperatura local comparado aos terminais frios dos TFTCs, e λ é o calor latente de transição de fase. Nossos estudos anteriores mostraram que, sob irradiação dos mesmos e-beams, a saída medida de sensores TFTC feitos em janela autossustentada de Si₃N₄ era 10-30 vezes maior que a obtida dos mesmos sensores em wafers Si espessos [40]. Este fator de aprimoramento indicava que Q_substrato era muito maior que Q_sensor.

Notamos que a taxa de conversão γ, ou referida como valor de eficiência térmica em algumas publicações, dependia muito da energia cinética média. A taxa de conversão γ de um feixe de elétrons de soldagem com tensão de aceleração de 70 kV tinha sido revelada na faixa de 0,33-0,48, e verificou-se que esta razão tinha pouca correlação com a geometria da solda [48]. Experimentos manifestaram que sob irradiação de feixe de elétrons pulsado de alta corrente e baixa energia (LEHCPEB), uma camada homogênea tinha sido formada nas superfícies de aços, que podia melhorar dramaticamente as propriedades anti-corrosão dos aços [49]. No entanto, em nossos experimentos TEM, os valores γ eram extremamente menores que uma unidade por várias ordens de magnitude. A física subjacente precisa de mais investigação.

Resumimos os resultados e discussões deste trabalho na Fig. 8. Nossos resultados experimentais obtidos de irradiação de e-beams de alta intensidade tanto em TEM quanto em SEM eram consistentes entre si. Uma temperatura superficial local T_max superior a 1800-2000 K era alcançável tanto em TEM quanto em SEM, como revelado por fenômenos de fusão local observados em NWs de Au, NWs de Cu, listras de filmes finos de Pt e Cr. Em TEM, como os nanomateriais investigados neste trabalho eram naturalmente autossustentados, T_max superior a 3000 K foi avaliado a partir dos experimentos de nano-perfuração observados em NWs de Si e NWs de Au. Efeitos de vaporização local foram induzidos em segundos por e-beams de 1 nm de diâmetro.

Uma ilustração para o panorama geral das temperaturas locais nominais sob irradiação de e-beams nano/microescalares. O oval cinza indica a comparação entre TFTCs pequenos e grandes em wafers Si espessos. O oval amarelo indica a comparação entre TFTCs em wafers Si espessos e em janelas de filme fino de Si₃N₄ autossustentadas. Para T > 1500 K, os pontos de dados são valores estimados a partir de mudança de morfologia ou fase.

Mostramos que TFTC em uma janela de filme fino de Si₃N₄ autossustentada resultava em sensibilidade aprimorada por um fator de 10-30 vezes, e mostramos que um sensor TFTC de 1 µm de largura tinha sensibilidade maior que a de um TFTC de 5 µm de largura por um fator de cinco vezes. Isso ocorre porque substrato espesso e condutores largos dissipavam grande quantidade de calor local. Para medição precisa de temperatura superficial local na nano e microescalas, idealmente deve-se fabricar sensores TFTC tão pequenos quanto possível, e fazê-los em camadas de isolamento térmico, como janelas de filme fino de Si₃N₄ autossustentadas ou camadas de Paraleno.

Conclusão

Em resumo, investigamos várias abordagens para medição e estimativa de temperatura superficial local sob irradiação de e-beams nano-microescalares. E-beams de 10^5-6 A/cm² podiam induzir vaporização local de Si e Au em segundos, mostrando temperatura superior a 3000 K. E-beams com intensidade de 10^3-4 A/cm² podiam introduzir fusão local em listras de filmes finos de Cr, Pt e Pd; NWs de Au e Cu; e transição de fase em filmes finos Mg-B, com temperatura local de 1000-2000 K. Demonstramos que arrays TFTC feitos em janelas autossustentadas de Si₃N₄ funcionavam bem na detecção de temperatura de pico até 1500 K ou mais. Combinando técnicas de análise de morfologia superficial, medição elétrica e sensores TFTC, podíamos estimar a temperatura local em uma ampla faixa. Também discutimos a distribuição de temperaturas superficiais sob e-beams, dissipação térmica de substrato espesso e uma pequena taxa de conversão da alta energia cinética do e-beam para calor superficial.

Os resultados são úteis para aplicações de e-beams, e podem oferecer pistas valiosas para desenvolvimento de novas técnicas de sensoriamento e métodos de avaliação para altas temperaturas na faixa de 1500-3000 K.