Medição e avaliação da temperatura da superfície local induzida pela irradiação de feixes de elétrons em escala nanométrica ou microescala

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 objeto sob irradiação de feixes eletrônicos em nano-microescala. Mostramos que um feixe eletrônico de alta intensidade com densidade de corrente de 10 ^5-6 A / cm ² pode resultar na vaporização de materiais sólidos de Si e Au em segundos, com uma temperatura de superfície local superior a 3000 K. Com uma intensidade de feixe inferior a 10 ^3-4 A / cm ² , e-feixes poderiam introduzir temperatura de superfície local na faixa de 1000–2000 K em breve, causando fusão local em nanofios metálicos e filmes finos de Cr, Pt e Pd e transição de fase em filmes metálicos de Mg-B. Demonstramos que termopares de filme fino em um Si autônomo ₃ N ₄ janela foram capazes de detectar temperaturas superficiais locais de pico de até 2.000 K e estáveis, e temperaturas em uma faixa inferior com alta precisão. Discutimos a distribuição das temperaturas da superfície sob os e-feixes, a dissipação térmica do substrato espesso e uma pequena razão de conversão da alta energia cinética do e-feixe para o calor da superfície. Os resultados podem oferecer algumas pistas para novas aplicações de e-beams.

Introdução

Os feixes-E têm sido aplicados como sondas e fontes de energia limpa em uma variedade de aplicações práticas, como morfologia de superfície de imagem, análise de estruturas cristalinas, produção de padrões de litografia, depósito de filmes finos, etc. Nessas aplicações práticas, efeito de aquecimento local da superfície sob irradiação de e-beams é uma questão interessante. Para algumas aplicações, em litografia de feixe e, por exemplo, este calor de superfície induzido por feixe de e pode causar distorção dos padrões projetados em nanoescala no processo de gravação de feixe de e, resultando em falha dos dispositivos finais [1,2, 3]. Em algumas outras aplicações, o efeito de aquecimento local da superfície é utilizado para deposição de filme fino [4], recozimento [5,6,7] ou mesmo esculpindo nanomateriais [8, 9]. Ainda até o momento, a medição precisa e avaliação das temperaturas locais da superfície sob irradiação de feixe eletrônico permanecem como um desafio técnico [10,11,12].

Quando os "elétrons livres" em metais recebem alta energia cinética, por exemplo, por aquecimento ou um alto campo elétrico, eles podem sair da massa de metal para o espaço livre. O feixe de elétrons tem sido amplamente utilizado em soldagem [13,14,15,16], fusão [17], corte de aresta [18], tratamento de superfície [19, 20] e deposição física de vapor [21]. Hoje em dia, muito progresso recente nos processos de fabricação de aditivos de metal usando fusão por feixe de elétrons foi feito [22,23,24,25,26]. Ele tem atraído cada vez mais atenção ao fazer uso do feixe eletrônico para derreter seletivamente o pó metálico. Os e-beams discutidos neste trabalho referem-se aos que emitem de canhões de elétrons feitos de fios de tungstênio, LaB ₆ pontas de cristal ou pontas de cristal W [27, 28]. Depois de acelerar sob um alto campo elétrico, um feixe de luz se torna uma fonte de energia pura com uma média de 5-30 keV por elétron em microscópios eletrônicos de varredura (SEMs), ou de 100-300 keV por elétron em microscópios eletrônicos de transmissão normal (TEMs )

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

Em geral, o incremento da temperatura local resulta da conversão da energia cinética do feixe de luz para o sujeito sob irradiação. Estudos anteriores mostraram que as temperaturas locais sob um feixe elétrico de alta intensidade (HIEB) podem 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 de operação cuidadosos, pode-se usar um feixe eletrônico para fazer uma ponte de cadeia de átomo único de carbono a partir de um filme fino de carbono contínuo [9]. Usando feixes elétricos como fontes de energia in situ, pode-se obter MgB supercondutor ₂ fase de um multicamadas [Mg-B] _n Filme “superlattice” [5,6,7].

No entanto, permanece uma questão controversa:Qual é a temperatura local exata induzida por um feixe de elétrons? Tecnicamente, é difícil medir diretamente a temperatura local induzida por um feixe eletrônico 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 resistente sob uma irradiação de feixe de luz e foi medido com termopares de filme fino submicron (TFTCs). Perfis de temperatura local com uma resolução espacial de nanômetro foram obtidos com um microscópio eletrônico de transmissão de varredura (STEM) e espectroscopia de perda de energia de elétrons (EELS) [33]. A medição direta da temperatura local em ambiente em nanoescala foi realizada em TEM com um ganho de energia de elétron combinado e espectroscopia de perda [34]. Usando o método de difração de elétrons de feixe paralelo, a temperatura local em um TEM foi indiretamente medida a partir da mudança no ângulo de espalhamento induzida pela expansão térmica [35]. Aproveitando um TEM e uma transição de fase sólido-líquido de ilhas metálicas, foram obtidas imagens térmicas em nanoescala, cuja resolução ultrapassa os limites de uma microscopia térmica baseada na técnica de imagem no infravermelho [36]. Usando este método, o mecanismo de aquecimento Joule remoto de um substrato de nitreto de silício por um único nanotubo de carbono de paredes múltiplas foi descoberto [37]. Além disso, os microtermômetros, baseados na transição metal-isolante, poderiam fornecer avaliação quantitativa do aquecimento do feixe de elétrons em detalhes [38].

No entanto, essas tentativas eram aplicáveis apenas a uma faixa de baixa temperatura. Neste trabalho, analisando a mudança da 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 feixes eletrônicos em nanoescala para uma faixa de temperatura de seis ordens de magnitudes com experimentos in situ em TEM e SEM. Para temperaturas superiores a 10 ³ K, estimamos as temperaturas locais sob um feixe de elétrons com mudanças na morfologia em nanofios semicondutores e metálicos, bem como nano-faixas de filmes finos metálicos. Para temperaturas inferiores a 10 ³ K até um atrito de 1 K, medimos as temperaturas locais sob um feixe e com dispositivos micro / nano-TFTC fabricados em Si autônomo ₃ N ₄ filmes. Todo o espectro de temperatura máxima local versus intensidade incidente do feixe eletrônico pode oferecer uma referência valiosa para novas aplicações envolvendo processos de feixe eletrônico.

Detalhes Experimentais

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

Termopares de filme fino Pt-Cr foram fabricados com procedimentos padrão de sala limpa e técnicas de deposição de filme fino, conforme relatado anteriormente [40]. Neste trabalho, o filme fino de Cr foi depositado com um sistema de pulverização catódica de magnetron (PVD75, Kurt J. Lesker, EUA) em gás Ar. Os padrões de Cr apareceram após o processo de decolagem e os padrões de Pt alinhados aos marcadores de Cr foram fabricados com o mesmo parâmetro. Um Cr de 3 nm de espessura foi depositado antecipadamente como camada de adesão para a camada de Pt. Para os arranjos Pt-Cr TFTC, filmes finos de Pt e Cr com espessuras de 90 nm e 50 nm, respectivamente, foram medidos com um perfilador. Em cada wafer de 4 pol., Projetamos 16 matrizes idênticas, dispostas em uma matriz 4 × 4. Cada matriz tinha um tamanho de 16 mm x 16 mm e consistia em um dispositivo de matriz TFTC. Cada matriz de TFTC consistia em 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 (2.400, Keithley) para TFTC com diferentes tamanhos. A energia termelétrica dos TFTCs foi calibrada para ser de 15,0 ± 0,3 μV / K em uma plataforma caseira.

Para o microdispositivo de filme fino fabricado em um Si autônomo ₃ N ₄ janela que estava em um substrato de Si (100), camadas de nitreto de silício de 400 nm de espessura foram depositadas em ambos os lados do wafer de Si (100) pela técnica de deposição química de vapor de baixa pressão (LPCVD) e mostraram excelentes propriedades mecânicas. Depois que os dispositivos TFTC na superfície frontal foram fabricados, janelas de gravação quadradas foram padronizadas e gravadas na parte traseira do wafer, um processo de gravação úmida foi realizado para gravar através do wafer de Si na parte traseira, deixando um Si _{3 independente} N ₄ janela de filme fino com arranjos TFTC pré-padronizados para medições térmicas em um MEV.

Os experimentos de moagem de feixe de íons focados (FIB) foram conduzidos no sistema FIB / SEM de feixe duplo 820, que reduziu o tamanho da junção TFTC de 5,0 × 5,0 μm ² para 1,0 × 1,0 μm ² . Um Ga ⁺ O feixe de íons, cuja corrente do feixe foi de 12 pA com uma tensão de aceleração de 30 KV, foi utilizado no processo de redução.

Em nossos experimentos de recozimento in situ de filmes finos de Mg / B, aproveitamos os blocos comerciais de magnésio (99,99%) e boro (99,5%) para serem as fontes de evaporação para a deposição de filmes multicamadas de Mg-B. O vácuo de base na câmara de deposição era de cerca de 5,0 × 10 ^{- 6} Pa. Uma camada de magnésio de 15 nm de espessura foi servida como a primeira camada, que foi depositada por evaporação de feixe de elétrons à temperatura ambiente em substratos 6H-SiC (0001) em um revestidor de ultra-alto vácuo (UHV) Balzers UTT 400. Depois disso, uma camada B de 10 nm foi depositada na primeira camada. As camadas de Mg e B, depositadas alternadamente em substratos, foram os filmes precursores com uma estrutura multicamada de [B (10 nm) / Mg (15 nm)] _{N =4} em substrato de SiC. A espessura total da multicamada de Mg-B foi de 100 nm, monitorada por um oscilador de quartzo in situ. A proporção de espessura de Mg:B =3:2 (15 nm:10 nm =3:2) pode satisfazer a composição de Mg:B =1:2. A camada superior de boro com 10 nm de espessura foi servida como uma tampa de filme para reduzir a perda de Mg em certa medida durante o recozimento. Os filmes precursores foram pós-recozidos em um soldador de feixe de elétrons EBW-6 com uma pressão de vácuo de 5,0 × 10 ^{- 3} Pa. A tensão de aceleração de um feixe de elétrons de recozimento foi de 40 KV com uma corrente de feixe de 3 mA. O diâmetro de um feixe de elétrons foi de 1,40 cm e a duração do anelamento foi de 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 feixe de elétrons foi medida em ~ 5 nA com um copo de Faraday. No diâmetro do feixe e de 0,5-1,0 nm, uma densidade de corrente nominal de (0,6-2,5) × 10 ⁶ A / cm ² foi obtido na amostra. Os espécimes de TEM foram preparados em grades de carbono rendadas de suspensões de NWs em etanol. Os procedimentos empregados para a padronização e soldagem de NWs seguiram a descrição na ref. [9]. Os experimentos de SEM foram realizados em um soldador de feixe de elétrons a vácuo EBW-3H e um SEM de emissão de campo (FEI QUANTA 600F). A cablagem complicada e a conexão entre o dispositivo na câmara de vácuo SEM e os instrumentos de medição fora da câmara de vácuo foram especialmente concebidos e realizados. Saídas de sinal de tensão fraca do TFTC sob irradiação do feixe e de SEM em diferentes tamanhos de ponto (de 1 a 7, au) e tensão de aceleração (de 2 a 30 keV) foram medidas com um multiplexador caseiro e um nanovoltímetro Keithley 2182A [ 39].

Resultados

Primeiro investimos o limite superior da temperatura local, T _máximo , que um feixe eletrônico em nanoescala em um TEM poderia induzir na superfície de um sujeito. Dezenas de evidências experimentais mostraram que os átomos nas camadas superficiais de um sólido NWs podem ser vaporizados instantaneamente sob a irradiação de um HIEB [8, 42], indicando que o correspondente T _máximo os valores foram maiores do que as temperaturas de vaporização dos materiais em questão. A Figura 1 apresenta um resultado típico obtido em um TEM (Jeol 2010F) na tensão de operação de 200 kV e corrente de feixe eletrônico de 5 nA. O feixe de luz foi focado em um diâmetro tão pequeno quanto 0,5-1,0 nm, e sua intensidade foi alta o suficiente para perfurar orifícios de 1 nm de diâmetro em um Si NW de 60 nm de diâmetro em menos de um segundo. A Figura 1a é o Si NW original, onde um Au NW de 25 nm está localizado em paralelo como uma referência na operação de inclinação. A Figura 1b mostra os oito nanofuros no Si NW feitos com o feixe eletrônico em nanoescala em 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7 e 8 s, respectivamente. Todos os orifícios têm diâmetro semelhante:~ 1,0 nm. A Figura 1c, d mostra a vista lateral dos orifícios para o mesmo Si NW após a amostra ter sido inclinada in situ para 10,0 ° e 20,0 °, respectivamente. Vê-se que depois de irradiar por 1 s com o feixe de elétrons de 0,5-1,0 nm de diâmetro, um orifício foi perfurado em todo o Si NW. Com o aumento da duração da irradiação de 1 para 8 s, o diâmetro da abertura frontal e da abertura inferior aumentaram, enquanto a região central dos orifícios de passagem permanece com um diâmetro semelhante de 1 nm, parecendo não mudar na vista superior mostrada na Fig. 1b .

Imagens de morfologia TEM mostrando oito furos de 1 nm perfurados em um Si cristalino NW de 60 nm de diâmetro. Isso é feito em 1–8 s, respectivamente, com um HIEB de 0,5–1,0 nm de diâmetro de 5 nA atual em um TEM de 200 kV. a O Si NW original junto com um Au NW de 25 nm de diâmetro (aparecendo em preto na imagem). b Uma imagem após oito nanofuros foram 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 os átomos de Si na região local do ponto focal sob o HIEB de 1 nm de diâmetro foram totalmente vaporizados. Da mesma forma, tal HIEB de 1 nm de diâmetro foi capaz de fazer furos em um Au NW [8]. Uma conclusão lógica é que a temperatura local deve ser superior aos pontos de ebulição dos materiais, aqui Si ou Au. Conforme 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 foram superiores a 3.000 K. Estudos anteriores mostraram que o ponto de fusão de um nanomaterial é ligeiramente inferior ao do volume [43,44,45], mas no tamanho de 20– 100 nm, esta redução no ponto de fusão não é esperada 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 foi superior ao ponto de fusão ou mesmo ao ponto 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 alta temperatura local estimada acima de 3000 K pode causar discussão. Pode-se argumentar que, em vez da vaporização causada pelo aquecimento térmico, a remoção de átomos de Si locais nos oito nanofuros mostrados na Fig. 1 foi causada pelo "efeito de arrastamento". Se a perfuração de nanofuros com um HIEM foi realmente um efeito indireto, reduzindo o fluxo do HIEM ao aumentar o diâmetro do feixe, pode-se observar continuamente a remoção de átomos da superfície em uma escala de tempo longa. Porém, o que se observou foi o limite existente para a intensidade do feixe, inferior ao qual não foi possível realizar o processo de perfuração em Si NWs, Au NWs, etc. [8]. Considerando que a energia cinética de cada elétron em um TEM 200 kV é em torno de 10 ⁻¹⁴ J, que é maior do que a energia de ligação por átomo de Si em três ordens de magnitude, a vaporização e o efeito de arrastamento têm efeitos sinérgicos em um processo de "perfuração". Portanto, ao definir a temperatura nominal local como um parâmetro que é proporcional à energia cinética média das partículas locais (aqui, átomos de Si), as temperaturas locais nominais nos oito buracos, as regiões eram realmente mais altas do que o ponto de ebulição do Si.

Anteriormente, foi relatado que quando a densidade da corrente do feixe estava na faixa de 10 ^3–5 A / cm ² , um feixe de elétrons em um TEM pode ser aplicado para introduzir fusão local em NWs autônomos, por exemplo, Au NWs, Cu NWs, etc., em minutos [8]. Os efeitos de fusão observados indicaram inequivocamente que as temperaturas locais nessas superfícies de metal estavam na faixa de 1000–2000 K, conforme listado na Tabela 1.

Neste trabalho, observamos que quando a intensidade do feixe era alta o suficiente e o tempo de irradiação durava minutos, os e-beams em um MEV também poderiam induzir o efeito de fusão local para a deposição de filmes finos de Pt e Cr em Si, como tipicamente apresentado na Fig. 2 . A partir da imagem do SEM (Fig. 2a) e da imagem do microscópio de força atômica (AFM) (Fig. 2b) da mesma amostra após a irradiação de um feixe de elétrons de alta intensidade em um SEM, pode-se ver orifícios e saliências nas regiões de junção de dois TFTCs Pt-Cr (destacados com setas vermelhas). As temperaturas de fusão do Cr e Pt foram 2130 K e 2045 K, respectivamente. Nossos resultados experimentais implicaram que as temperaturas locais da superfície sob a irradiação do feixe de elétrons eram mais altas do que as temperaturas de fusão desses metais (~ 2000 K) [46]. As saliências que ocorreram nas bordas da junção a alguns mícrons de distância dos orifícios de fusão foram provavelmente formadas por difusão e acúmulo dos átomos de Pt e Cr. No entanto, não conseguimos obter os valores de temperatura local em tempo real com os mesmos sensores Pt-Cr TFTC sob irradiação. Em vez de mostrar um incremento de temperatura local de 2.000 K, medimos um incremento de menos de 100 K. Como discutido mais tarde, essa enorme diferença foi causada pela dissipação térmica do substrato de Si espesso e o grande tamanho do sensor TFTC.

Efeitos locais de fusão observados em um SEM. a Imagem SEM de uma amostra de matriz Pt-Cr TFTC, mostrando dois orifícios (destacados com setas vermelhas) foram feitas por irradiação de feixe eletrônico nas regiões de junção de dois sensores Pt-Cr TFTC. b Imagem AFM das mesmas duas junções, mostrando informações 3D detalhadas dos dois orifícios. c Quatro sensores Pd-Cr TFTC feitos em um Si autônomo de 400 nm de espessura ₃ N ₄ janela de filme fino. Dois TFTCs (destacados com setas brancas) na largura esquerda da janela foram queimados com um laser de 785 nm focalizado. d O pico de saída correspondente do Pd-Cr TFTC quando foi queimado com o laser

Com a preocupação da confiabilidade do dispositivo para medição de alta temperatura, disponibilizamos nossos referidos experimentos com lasers de alta energia, cujo calor incidindo na junção é suficiente para compensar a dissipação térmica. A Figura 2c mostra nossos dispositivos Pd-Cr TFTC feitos em um Si autônomo de 400 nm de espessura ₃ N ₄ janela de filme fino. O Pd-Cr TFTC feito com o mesmo parâmetro de processo do Pt-Cr TFTC foi usado para medir o laser médico por nossos companheiros de equipe, em vez do Pt-Cr TFTC, 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). Nesse ínterim, o dispositivo mostrou um pico de saída próximo a 50 mV. Usando nossos resultados de calibração obtidos em temperatura ambiente que foi em torno de 20 μV / K, isso representa um pico de temperatura nominal de ~ 2.400 K, conforme mostrado na Fig. 2d. Mas 2.400 K é mais alto do que o ponto de fusão do filme de Pd, 1825 K. Atribuímos esse erro a uma mudança no coeficiente de Seebeck de Pd e Cr em altas temperaturas. No entanto, nossos resultados indicaram que nossos sensores TFTC feitos em Si ₃ N ₄ janela de filme fino foram aplicáveis para medir temperaturas locais até um valor próximo aos pontos de fusão das tiras metálicas, ou seja, 1800 K.

O limite superior da temperatura local T _máximo em um SEM também foi revelado com nossos experimentos em recozimento de [Mg-B] _N filmes finos multicamadas. Os resultados mostraram que e-beams de alta intensidade podem induzir a transição de fase em amorfo [Mg-B] _N filmes finos multicamadas em 1 s. Como resultado, uma multicamada amorfa foi parcialmente transformada em um MgB ₂ fase supercondutora [5,6,7]. A Figura 3 e a Tabela 2 apresentam alguns resultados típicos. Os filmes precursores, denotados por [B (10 nm) / Mg (15 nm)] _{N =4} , foram preparados com uma espessura total de 100 nm. A tensão de aceleração do e-beam de recozimento foi de 40 kV, com as correntes do feixe de 9,9 mA, 10,7 mA e 12,8 mA, respectivamente. As imagens SEM das amostras revelaram que diferentes correntes de recozimento podem resultar em diferentes rugosidades na superfície do filme, como mostrado na Fig. 3. Em uma área de amostra de 10 × 10 μm ² , a rugosidade quadrática média (RMS) foi medida como sendo 3,11 nm, 3,56 nm e 7,53 nm, respectivamente, para essas amostras. As temperaturas de transição supercondutoras T _c dessas amostras foram 35,1 K, 35,8 K e 36,3 K, respectivamente (Tabela 2). Isso implicava que a temperatura de recozimento era crucial para a evaporação do Mg, a difusão nas camadas B e a taxa de reação com B. Uma corrente maior poderia causar uma temperatura de recozimento mais alta, o que poderia levar a uma reação mais suficiente. De acordo com o diagrama de fase de MgB ₂ , a temperatura mínima necessária para uma transição de fase para formar MgB supercondutor ₂ foi de 900-1000 K. Portanto, os feixes elétricos induziram temperaturas locais em torno de 900-1000 K, ou até mais. Este resultado foi consistente com os resultados mostrados na Fig. 2.

Micrografias SEM de [B (10 nm) / Mg (15 nm)] _{N =4} multicamadas em substrato de SiC recozido com HIEB em um SEM com as 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 feixe e incidente é ainda mais reduzida, ou a duração da irradiação é reduzida, um feixe e causa efeito de aquecimento local mensurável na superfície sob a irradiação. A Figura 4 apresenta um conjunto de resultados de medição típicos. A Figura 4a é uma imagem óptica para um dos quatro tipos de amostras de matriz TFTC desenvolvidas neste trabalho. Fabricado em um SiO ₂ de 400 μm de espessura / Si (100) substrato, este dispositivo consiste em 24 TFTCs Pt-Cr idênticos. As 24 junções, cada uma com uma área de 5,0 × 5,0 μm ² , variam em 4 linhas, fazendo um padrão “cruzado” no centro da imagem. A Figura 4b é uma imagem SEM mostrando o centro do dispositivo, onde os feixes mais brilhantes são as listras Pt e os mais escuros são as listras Cr.

Amostras de imagens TFTC em Si e os resultados dos testes. a Imagem óptica de uma matriz TFTC em Si com tamanho de junção de 5,0 × 5,0 μm ² . b Imagem SEM do centro do dispositivo, mostrando 24 junções de sensores. c Resultados da medição do incremento de temperatura local com os TFTCs sob irradiação de feixe eletrônico com diferentes tensões de aceleração e correntes de feixe

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

Discussões

Distribuição centralizada de temperaturas locais em nanoescala e-Beam

Notamos que quando um NW era irradiado com um feixe de elétrons em nanoescala, a região central tinha uma temperatura muito mais alta do que a região de descanso. A Figura 5a mostra um Si cristalino único NW com quatro nanofuros perfurados em TEM com um HIEB. Os dois orifícios à esquerda, destacados com setas azuis, têm um diâmetro de 1,2-1,5 nm e são orifícios rasos, que não penetram pelo NW. Os dois orifícios da direita, destacados com setas vermelhas, são orifícios passantes com diâmetro de 2,5 nm e 4,0 nm, respectivamente. É claramente mostrado que uma região do nano-anel ao redor do buraco mostra uma estrutura amorfa, enquanto a parte restante do NW mantém sua estrutura cristalina original. Por exemplo, a região central entre dois orifícios vizinhos, que está a apenas 2–4 nm de distância da borda do orifício, mostra períodos cristalinos claros ao longo de duas direções.

Distribuição da temperatura local sob irradiação de um feixe eletrônico em nanoescala. a Um Si cristalino único NW com quatro nanofuros perfurados com um HIEB em TEM. Dois orifícios rasos são destacados com setas azuis e dois orifícios passantes são destacados com setas vermelhas. b Estimado T ( r ) função para a temperatura local versus distância ao ponto central

Este fenômeno implica que sob um nano-e-beam, o centro do sujeito sob irradiação tem uma temperatura mais alta, e longe deste centro, a temperatura local diminui drasticamente. A Figura 5b ilustra esquematicamente a suposição:O T ( r ) função é semelhante a uma função delta, onde T é a temperatura local e r é a distância do ponto central da viga. Também podemos supor que quando o feixe de elétrons aumenta seu diâmetro, há um platô no meio do T ( r ) curva, 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 normalmente mostrado na Fig. 4a, a suposição acima da distribuição de temperatura local foi testada qualitativamente com nossos arranjos TFTC sob um feixe de luz fraco em SEM. A Figura 6a é uma imagem SEM do lado frontal para arranjos Pt-Cr TFTC feitos em um wafer de Si. Na Fig. 6b, apresentamos os resultados de uma medição única. Os dados foram obtidos sob a condição de que o feixe eletrônico fosse focado para ter um tamanho de feixe de 1 μm, enquanto o ponto focal do feixe elétrico fosse movido in situ nos feixes Pt ou Cr de cada sensor TFTC Pt-Cr. A distância do ponto focal à região de junção TFTC foi medida cuidadosamente. Sob esta configuração experimental, presumimos 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 feixe eletrônico focal foi quase desprezível.

Uma matriz TFTC e seus resultados de medição. a Imagem SEM de uma amostra de matriz Pt-Cr TFTC na superfície frontal de um Si ₃ N ₄ / Si (100) / Si ₃ N ₄ wafer. A matriz TFTC na central do dispositivo consistia em 24 TFTCs, que tinham tamanho de junção variando de 2,0 × 2,5 a 8,0 × 8,5 μm ² . b Saídas medidas de um sensor TFTC quando um feixe e focado de diâmetro 1 micro estava irradiando em um ponto das duas faixas de filme fino metálico do TFTC, ou seja, Pt e Cr, a certa distância da região de junção Pt-Cr

Influência do tamanho do sensor e nos resultados da medição

Descobrimos que o tamanho da junção de nossos TFTCs teve uma influência crucial nos resultados da medição. Em um Si com 24 Pt-Cr TFTCs, as junções originais tinham um tamanho de 5,0 × 5,0 μm ² . Usamos a técnica de feixe de íons focalizados (FIB) para fazer algumas das junções em um tamanho de junção menor de 1,0 × 1,0 μm ² , como mostrado na Fig. 7a, b. Sob a mesma irradiação de feixes elétricos, as saídas obtidas do TFTC com um pequeno tamanho de junção de 1,0 × 1,0 μm ² eram muito maiores do que aqueles com tamanho de junção de 5,0 × 5,0 μm ² , conforme mostrado na Fig. 7c. Por exemplo, irradiado com um e-bema de tensão de aceleração 15 kV e corrente de feixe 113,3 nA, o TFTC com tamanho de junção de 5,0 × 5,0 μm ² 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 μm ² , aprimorado cinco vezes. Novamente, ele confirmou que o pico de temperatura da superfície sob um feixe eletrônico em nano-microescala estava localizado em uma área muito pequena.

SEM images of a TFTC array and its measurement results. a SEM image of a Pt-Cr TFTC array on thick Si wafer with identical original junction size of 5.0 × 5.0 μm² . One junction (highlighted with a dashed yellow frame) was cut with FIB to a junction area of 1.0 × 1.0 μm² . b SEM image of the FIB fabricated junction area in (a ) c Measured outputs from an original TFTC and the small junction TFTC under the same e-beam irradiation

Influence of Freestanding Si₃ N ₄ Window on the Measurement Results

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

Generally, an incident nano-micro-scaled e-beam generates an amount of local heat, Q , at the surface of the subject under irradiation, which can be described by Q = P ·Δt ·γ , where P ·is the incident kinetic power, Δt is the time duration, and γ is the converting ratio. Ignoring the relativity effect, roughly P ·Δt ·γ = eu ·V ·Δt ·γ , onde eu is the beam current, and V is the accelerating voltage. Some heat is expected to dissipate though the substrate, TFTC leads, and radiation. The remaining part causes increment of the local surface temperature that is measurable by the TFTC sensors. That is, Q = Q _substrato + Q _lead + Q _radiation + Q _sensor , and Q _sensor = C ·ΔT + λ . Here, Q _substrato , Q _lead , and Q _radiation represent thermally dissipated heat through the substrate, sensor leads, and radiation effect, respectively. Q _sensor corresponds to the remained heat measured by the sensor, C is the thermal capacity of the sensor junction, ΔT is the increment of local temperature as compared to the cold ends of TFTCs, and λ is the latent heat of phase transition. Our previous studies have shown that, under the irradiation of the same e-beams, the measured output from TFTC sensors made on freestanding Si₃ N ₄ window was 10–30 times larger than that taken from the same sensors on thick Si wafers [40]. This factor of enhancement indicated that Q _substrato was much larger than Q _sensor .

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

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

An illustration for the overall picture of the nominal local temperatures under irradiation of nano-/micro-scale e-beams. The gray oval indicates the comparison between small and large TFTCs on thick Si wafers. The yellow oval indicates the comparison between TFTCs on thick Si wafers and on freestanding Si₃ N ₄ thin film windows. For T > 1500 K, the data points are estimated values from morphology or phase change

We showed that TFTC on a freestanding Si₃ N ₄ thin film window resulted in an enhanced sensitivity by a factor of 10–30 times, and we showed that a 1-μm-wide TFTC sensor had a sensitivity higher than that of a 5-μm-wide TFTC by a factor of five times. This is because thick substrate and wide leads both dissipated a large amount of local heat. For precise measurement of local surface temperature at the nano- and micro-scales, ideally one should fabricate TFTC sensors as small as possible, and make them on thermal isolation layers, such as freestanding Si₃ N ₄ thin film windows or Parylene layers.

Conclusão

In summary, we investigated several approaches for the measurement and estimation of local surface temperature under irradiation of nano-micro-scale e-beams. E-beams of 10^5-6 A/cm² could induce local vaporization of Si and Au in seconds, showing a temperature higher than 3000 K. E-beams with intensity of 10^3-4 A/cm² could introduce local melting in Cr, Pt, and Pd thin film stripes; Au and Cu nanowires; and phase transition in Mg-B thin films, with a local temperature of 1000–2000 K. We demonstrated that TFTC arrays made on freestanding Si₃ N ₄ windows worked well in detecting peaked temperature up to 1500 K or higher. By combining analysis techniques of surface morphology, electrical measurement, and TFTC sensors, we could estimate the local temperature in a wide range. We also discussed the distribution of surface temperatures under e-beams, thermal dissipation of thick substrate, and a small converting ratio from the high kinetic energy of e-beam to the surface heat.

The results are helpful for applications of e-beams, and may offer valuable clues for developing novel sensing techniques and evaluation methods for high temperatures in the range of 1500–3000 K.