En l'estudi de l'epitaxia de semiconductors, les heterounions de pel·lícules primes-, l'enginyeria de dislocacions i els òxids funcionals, la tensió no és només un subproducte secundari del procés d'evolució del creixement estructural; més aviat, serveix com a paràmetre físic bàsic que determina directament l'estructura de la banda d'energia del sistema, el comportament de polarització, les propietats de transport del portador i l'estabilitat interfacial. La importància de la mesura de la tensió en els sistemes de microscòpia electrònica de transmissió (TEM) rau en la seva capacitat per avançar en la caracterització estructural, des de només observar arranjaments atòmics fins a proporcionar descripcions quantitatives de les distorsions de la xarxa.
Entre aquests mètodes, l'anàlisi de fase geomètrica (GPA)¹ és actualment una de les tècniques d'anàlisi de deformació basades en imatges-més clàssiques i àmpliament aplicades; pot extreure distorsions de gelosia locals basades en microscòpia electrònica de transmissió d'alta-resolució (HRTEM) o imatges de camp fosc-anular d'angle elevat- obtingudes mitjançant microscòpia electrònica de transmissió d'escaneig (STEM{-HAADF), reconstruint així camps de desplaçament bi-dimensionals i camps de deformació de nanosinductors locals especialment adequats per a l'anàlisi de l'estructura de semiconductors locals.
Principi de mesura de la tensió GPA
El concepte fonamental de GPA és utilitzar la informació periòdica continguda a les franges de gelosia dins de la imatge de gelosia, seleccionar els components de freqüència corresponents a reflexions de Bragg específiques a l'espai de Fourier i extreure informació de desplaçament de gelosia de la seva fase geomètrica [1]. La intensitat d'una imatge TEM d'alta-resolució d'un cristall intacte i lliure de tensió-es pot expressar com una sèrie de Fourier.
entre
$A_g$ denota l'amplitud d'aquesta component de Fourier, i $P_g$ denota la seva fase. Per als cristalls amb distorsions locals, la relació entre la fase geomètrica $P_g(r)$ i el camp de desplaçament $u(r)$ es pot expressar com:
Per tant, el mapa de fases corresponent a un sol punt de difracció només pot proporcionar la projecció del camp de desplaçament al llarg de la direcció d'un vector recíproc; seleccionant dos vectors recíprocs independents no-colineals, es pot reconstruir un camp de desplaçament bi-dimensional. Prenent la derivada espacial del camp de desplaçament s'obté el tensor de gradient de desplaçament, la part simètrica del qual correspon al tensor de deformació, mentre que la seva part antisimètrica correspon a la rotació de la gelosia local. El mètode basat en GPA-per calcular la tensió no implica llegir directament les constants de la xarxa; en canvi, primer restaura els desplaçaments locals i després deriva el camp de deformació del camp de desplaçament.
En el flux de treball específic de processament de dades, l'anàlisi de GPA sol requerir seleccionar una regió de referència dins de la mateixa imatge que estigui el més propera possible a un estat sense distorsió; aquesta regió de referència sol ser una regió cristal·lina uniforme situada lluny de defectes o interfícies, utilitzada per definir la xarxa de referència. Posteriorment, es compara el canvi de fase de la regió objectiu en relació amb aquesta xarxa de referència per obtenir la distribució local de la soca. Els avantatges d'aquest enfocament inclouen un-procediment computacional ben establert, una gran adaptabilitat a imatges amb gelosies regulars i la capacitat de generar informació simultàniament com ara εxx, εyy, εxy i rotació local-per la qual cosa és especialment adequat per analitzar el desajust epitaxial, la concentració de soca prop dels nuclis de dislocació i l'estructura del dislocador nanoescala. A més, els resultats de l'anàlisi GPA depenen molt de la qualitat de la imatge, la mida de la màscara de Fourier, les condicions de mostreig i la selecció de la regió de referència. Una màscara més gran generalment produeix una resolució espacial més alta, però augmenta la susceptibilitat al soroll; per contra, una màscara més petita produeix resultats més suaus, però fa una mitjana de la informació local. Durant el pas real de processament de dades, es prioritzen dos punts de difracció de Bragg forts no{-colineals amb índexs baixos i relacions senyal-a-altes dins del patró de difracció; Aleshores s'aplica una màscara circular de mida adequada per retenir aquests punts objectiu, seguida d'una transformada de Fourier inversa per obtenir els mapes de distribució de fase corresponents als dos vectors recíprocs de gelosia.
Els investigadors solen emprar el mètode GPA per analitzar quantitativament les dislocacions desajustades a prop de les interfícies a les imatges HRTEM. Després d'una anàlisi més detallada de les dislocacions de la interfície observades, es poden extreure conclusions quantitatives sobre, per exemple, com les dislocacions alliberen la tensió, l'abast de la influència de la tensió i si el camp de tensió s'ajusta al model de la teoria elàstica. Amb els avenços en les tècniques de correcció d'aberracions, el mètode GPA s'ha expandit des de la HRTEM tradicional a la imatge de resolució atòmica-HAADF-STEM. En comparació amb els patrons de franges de gelosia TEM, les imatges STEM-HAADF ofereixen una resolució de contrast elemental, proporcionen una major interpretabilitat per a materials multicomponents i interfícies complexes, i són molt-adequades per a la mesura precisa de les posicions de les columnes atòmiques en interfícies heterogènies, superreticules i semiconductors multicapa.
Anàlisi de la resposta Cas pràctic
Cas 1: anàlisi de la tensió de cisalla de la gelosia local en experiments de flexió in-in situ de nanofills de Ni
A l'experiment de flexió TEM in situ de nanofils de Ni, es va realitzar una anàlisi GPA a les imatges HRTEM de resolució d'àtoms-per mapejar la distribució de la soca de cisalla de la gelosia local dins del nanofil a escala atòmica, tal com es mostra a la figura 1.2. A la figura 1(a), la regió amb marc groc es defineix com la zona de referència de tensió zero-; La figura 1(b) presenta la distribució $\\varepsilon_{xy}$ de la tensió de cisalla obtinguda a partir de l'anàlisi GPA; el perfil quantitatiu de la línia de tensió de cisalla extret d'aquesta figura es mostra a la figura 1 (c), on la deformació de cisalla corresponent augmenta de 0 a aproximadament un 35% d'esquerra a dreta; en conseqüència, l'angle $\\alpha$ del pla cristal·lí {111} augmenta contínuament de 70,5 graus (típic per a una estructura FCC) a aproximadament 109 graus durant aquest procés. Al llarg d'aquest procés, no s'han observat dislocacions significatives a la gelosia, la qual cosa confirma a més que la deformació s'origina principalment a partir del cisallament continu de la gelosia lliure de dislocacions-. Després de l'alliberament de la soca, l'anàlisi GPA de les imatges HRTEM (figures 1 (d-f)) va revelar que, excepte a prop dels nuclis de dislocació, la soca de la majoria de les regions va tornar a nivells relativament baixos. Això demostra que el nanofil pot patir una deformació de cisalla de gelosia recuperable substancial, contínua i localitzada en condicions complexes d'esforç de flexió.
Figura 1. Anàlisi GPA de la tensió de cisalla de la gelosia. (a) Imatge HRTEM de la regió de tensió i el seu (b) mapa de tensió de cisalla $\\varepsilon_{xy}$; (c) perfil de línia de tensió de cisalla quantitativa extret de la regió de la caixa discontínua a (b), amb una amplada de línia de 0,4 nm; (d) Imatge HRTEM de la regió d'alliberament de soca i el seu (e) mapa de tensió de cisalla $\\varepsilon_{xy}$; (f) perfil de línia de tensió de cisalla quantitativa extret de la regió de la caixa discontínua a (e), amb una amplada de línia de 0,6 nm².
Cas 2: Anàlisi de la tensió de gelosia en estructures de pou quàntic/punt quàntic dins dels LED
La figura 2 mostra la distribució de la dislocació en un LED de-banda multi-de banda única i la concordança de gelosia coherent dins dels pous quàntics múltiples (MQWs) i multi-punts quàntics (MQB)³. Primer, es va utilitzar BFTEM per caracteritzar la distribució de la dislocació (figura 2 (a)), revelant que les dislocacions es concentren predominantment a la part inferior de la capa de tampó del gradient InAsP -, especialment a la interfície entre la primera capa de tampó i el substrat InP. Aquesta concentració s'atribueix al important desajust de gelosia entre aquests dos materials, que indueix la formació de dislocacions no coincidents, tal com es mostra a les figures 2 (g-j). A mesura que avança el creixement epitaxial, aquestes luxacions llisquen al llarg del pla {111} i s'acaben o es bloquegen gradualment; en conseqüència, la densitat de dislocació a les capes de tampó posteriors disminueix significativament. L'anàlisi GPA de les imatges STEM-HAADF indica una concentració de soca localitzada pronunciada a prop dels nuclis de les dislocacions no coincidents, mentre que les regions MQWs/MQB presenten una tensió transversal gairebé -zero εxx, demostrant una excel·lent concordança de gelosia coherent entre els pous quàntics i la barrera. A més, la tensió vertical εyy revela que la tensió de tracció al pou quàntic InAsSb i la tensió de compressió a la barrera quàntica InAsPSb es compensen mútuament, cosa que indica que aquesta estructura equilibra eficaçment les tensions internes dins de l'heteroestructura. Combinant aquests resultats experimentals-incloent interfícies atòmicament nítides i l'absència d'errors d'apilament-, es pot concloure que aquesta estructura permet un creixement epitaxial d'alta-qualitat i una enginyeria de soca estable.
Figura 2. Distribució de la dislocació en un LED multibanda-xip multi-, així com una concordança de gelosia coherent dins de múltiples-pous quàntics (MQW) i multi-punts quàntics (MQB). (a) Una imatge de secció transversal-BFTEM de l'estructura LED, composta per infrarojos d'ona curta{{7} (SWIR; superior), infrarojos d'ona-mitjana (MWIR; mig) i capa de buffer de gradient (inferior); la imatge està superposada amb corbes de distribució elemental d'espectroscòpia de raigs X{-dispersives d'energia EDS, que demostren la distribució i la composició de l'indi (In), l'arsènic (As), el fòsfor (P) i l'antimoni (Sb). (b–j) Imatges STEM-HAADF juntament amb les distribucions corresponents de tensió horitzontal (εxx) i vertical (εyy) obtingudes mitjançant anàlisi GPA, corresponents a la regió SWIR a la part superior (b–d), la regió MWIR al mig (e–g) i la capa de tampó de gradient a la part inferior (h–j), tot en un substrat InP.
Cas 3: Anàlisi de deformació de l'estructura de pel·lícula multicapa BiFeO₃
Utilitzant imatges STEM -HAADF combinades amb anàlisi GPA quantitativa, vam investigar diverses pel·lícules multicapa BiFeO₃/Ca₀.₉₆Ce₀.₀₄MnO₃ (BFO/CCMO) cultivades sobre substrats LaAlO₃ (001) (LAO). Com es mostra a la figura 3, aquest estudi va examinar com el gruix de la pel·lícula regula la microestructura, la distribució de la tensió i la composició de fase; els resultats demostren que totes les pel·lícules multicapa BFO/CCMO presenten fluctuacions de la interfície, amb les capes de BFO de major gruix que mostren fluctuacions més pronunciades, confirmant directament que l'evolució de les característiques microestructurals de la pel·lícula fina-depèn molt del seu gruix⁴.
Figura 3: imatges STEM-HAADF de mostres de LAO/(BFO/CCMO)₄ amb un gruix de BFO d'una sola-capa de (a) 20 UC i (b) 16 UC (cel·la unitat), juntament amb els resultats corresponents de l'anàlisi de tensió de GPA-pla que es mostren a (c) i (d), respectivament.
Capacitat del servei d'anàlisi GRGTESTEM
El GRGTEST Wuxi Integrated Circuit Testing and Analysis Laboratory està equipat amb dos microscopis electrònics de transmissió d'emissió de camp-Thermo Fisher Scientific Talos F200X. Aquesta configuració experimental no només permet la caracterització morfològica, la imatge d'alta -resolució i l'anàlisi elemental, sinó que també facilita la imatge de tensió local i l'anàlisi quantitativa d'heterounions de semiconductors i estructures de pel·lícules multicapa.
Els serveis de proves TEM de GRGTEST estan dissenyats principalment per als clients de la indústria dels semiconductors, inclosos els fabricants de substrats Si/SiC, els proveïdors d'equips de semiconductors, les fàbriques d'hòsties i les instal·lacions d'envasament avançades; a més d'aquests clients centrats en-semiconductors, GRGTEST també dóna servei a universitats i instituts de recerca que es dediquen a la R+D de materials. GRGTEST ofereix serveis de proves d'anàlisi de tensió i TEM d'alta-eficiència i alta-qualitat per a tots aquests clients.