유로퓸 킬레이트 발광 코팅을 사용하여 고해상도 열 마이크로 이미징

요약

유로퓸 thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC)가 활성화 온도 효율 강하게 감소 612 nm의 광에서 발광 라인을 갖는다. 이 재료의 박막으로 코팅 된 샘플은 마이크로 이미징 경우 612 nm의 발광 강도 응답 샘플 표면 온도를 직접 맵으로 변환 될 수있다.

초록

자신의 일반적인 작동 조건에 바이어스 때 마이크로 전자 장치는 종종 상당한 자체 발열을 받다. 이 논문은 이러한 매핑 동작을 정량화하는데 사용될 수있는 편리한 광학 마이크로 이미징 기술을 설명한다. 유로퓸 thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC)는 그 활성화 효율 승온 강하게 방울의 Eu2 ^+를 이온 및 유기 킬레이트 화합물 간의 상호 의존성을 T로 인하여 612 nm의 발광 선을 갖는다. 이 물질은 용이하게 진공 열 승화하여 시료 표면에 코팅 될 수있다. 코팅은 자외선 광 (337 ㎚) 612 nm의 발광 반응의 광학 마이크로 이미지는 샘플 표면 온도의지도로 직접 전환시킬 수있다 흥분 경우. 이 기술은 사용 된 카메라의 속도에 의해 한정되는 공간 광학 현미경에 의해서만 제한 해상도 (약 1 ㎛) 및 시간 해상도를 제공한다. 그것은 단지의 추가 이점을 제공비교적 간단하고 비 특수 장비를 필요로하고, 시료 온도의 정량적 프로브를 제공.

서문

전기적 정상 동작 상태로 바이어스 될 때 많은 전자 장치는 강한 자기 발열을 겪는다. 이는 낮은 온도 (예를 들면, 반도체와 같이) 전도성 및 높은 소비 전력 밀도의 조합으로 일반적이다. 또, 반도체와 같은 전기 저항을 갖는 소자 내 (예와 ∂ρ / ∂ T <0)이 긴 일정한 바이어스 조건 ^{(1), (2)} 아래에 국부적 열 폭주의 가능성을, 존재하는 것이 알려져있다이되는 바이어스 전류가 흐른다 균일하지 장치를 통해, 오히려 일반적으로 마이크론 크기의 높은 국부 자기 발열에 연결된 좁은 필라멘트이다.

이러한 자체 발열 물리 이해 어떤 경우 미크론 비늘 촬상 온도 기술이라는 것을 의미하는 특정 장치의 설계를 최적화하기 위해 필수적 일 수있다굉장히 유용하다. 기술 개발의 두 영역에서 이러한 기술에 대한 관심이 최근 부활이 있었다. 이 중 첫 번째 열 마이크로 이미징 핵 생성 사이트를 급냉 허용 된 고온 초전도 테이프의 촬상 급랭 공정을위한 ^{식별되고, 4 (3)} 연구한다. 제 ₂ 애플리케이션은 양방향 시니어 ₂ CaCu ₂ O _(8)로부터 제조되는 적층 극한 조셉슨 접합 테라 헤르츠 소스에서 자기 발열을 이해한다. 이 낮은 열전도율 및 전류 흐름의 방향 관련 반도체 형 도전율 (즉, 자신의 결정을 이동시킴으로써 행한다 C)의 조합을 상술. 뿐만 아니라 그들은 실험적으로 ⁸ 복잡한 불 균질 한 자체 발열 거동 ^{5, 6, 7을} 표시 할 >, ^{9, 10가있다 (11)는} 이론적으로 이것은 테라 헤르츠 방사 전력 ^{(12, 13)에} 대한 유익 할 수 있다고 예측 하였다.

다수의 기술은 미세한 길이 스케일에서 샘플의 온도를 묘화 존재한다. 여기에 설명 된 열 기법은 원래 실온 ^{14 (15, 16)} 근처의 반도체 장치에 채용되었지만, 최근 ^{3, 4, 10, 11,} 상술 된 초전도 테이프 및 테라 헤르츠 소스 저온 욕 온도에서 적용되었다. CCD 카메라의 해상도 및 신호 대 잡음 성능의 개선은 상당한 성능을 활성화지난 몇 년 동안이 기술의 개선. 유럽 ​​배위 착물 유로퓸 thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC)는 온도에 따라 크게 좌우되는 광 발광을 갖는다. 복잡한 유기 리간드 효과적으로 광대역 약 345 nm의 UV에서 광을 흡수한다. 에너지는 612 nm에서 발광 광자의 방출을 통해 기저 상태로 복합체를 반환 Eu2 ^+를 이온을 분자 내 기진 통해 방사선 덜 전달된다. 강한 온도 의존성은 에너지 전달 과정에서 발생 ^(17)이 재료로 코팅 대상물의 열 민감성 프로브 제조. 이러한 수은 쇼트 아크 램프와 같은 - - 코팅 근 자외선 소스에 의해 여기되면 하부 발광 강도의 영역은 높은 지역의 온도에 대응한다. 생성 된 이미지는 광학 현미경의 해상도와 LUM의 파장에 의해 공간 분해능에 한정(약 1 마이크론 실제로,) inescence. 요구되는 신호 대 잡음비에 따라 시간 해상도를 발광 (더 이상 500 μS) ^(15)의 감쇠 시간보다 근본적으로 단지 카메라의 셔터 속도에 의해 제한된다. 이러한 특성은 비교적 간단한 기술 및 경제적 인 장치를 사용하여, 직접 온도 측정을 산출 소자 온도의 매우 빠른 프로브 만든다.

다른 그룹에 의해 최근에 발표 된이 기술의 변화는 폴리머 필름에 용해하고, 시료 표면 ^{(3, 4)} 상에 스핀 코팅 EU-킬레이트 작은 농도를 채용했다. 이것은 로컬 매우 균일 한 코팅을 초래하지만, 샘플 지형 단계에서 상당한 두께 변화 갖는다 - 통상적으로 이러한 것이 마이크로 디바이스에서 발생 - 발광 응답 WH 강한 공간적 변화 초래무형 문화 유산은 이미지의 유물을 줄 수 있습니다. 우리는 여기에 설명 된 기술의 변형은 진공 승화 열을 이용한다. 이것은 거시적 인 막 두께 변화의 문제를 피할 수 있지만, 단위 면적당 높은 달성 EuTFC 농도는 상당히 감도 향상 및 영상 획득 시간을 단축 않을뿐만 아니라. 이와 관련된 기술의 SiC 코팅이 표면 대신 EuTFC ^{7, 8, 9에} 과립 이용한다. SiC를 여기에 기술 된 EuTFC 코팅에 비해 온도 감도를 제공하지만, 과립의 크기는 결과 이미지의 부드러움과 해상도를 제한한다.

장점과 단점의 다른 조합을 제공하는 몇 가지 다른 기술 존재한다. 샘플에서 흑체 복사의 직접 적외선 영상은 간단하고 몇 미크론의 공간 분해능을 가지고 있지만 샘플이 중요한 경우에만 유효LY 상기 상온. (예컨대 주사 열전대 현미경 또는 켈빈 프로브 현미경 등) 주사 탐침 열 현미경 기술은 반드시 주사 팁의 속도뿐만 아니라, 복잡한 장치를 필요로 제한 우수한 감도 및 공간 해상도를 제공하지만, 슬로우 영상 획득 시간을 갖는다. 스캐닝 레이저 또는 주사 전자 빔 열 현미경 측정 변조 빔 전류 바이어스 장치 ^{(6), (7), (18)의} 표면에 걸쳐 래스터 (raster)되는 전압 섭동. 이 우수한 감도를 제공하며, 프로브 기술을 스캔보다 다소 빠르지 만, 다시 한 번 매우 복잡한 장비가 필요하고, 또한 시료 온도의 간접적, 질적지도를 제공합니다.

프로토콜

코팅 샘플의 제조 1

참고 : 가능하면 열 몇 군데 샘플의 표면에서 모든 유기 오염을 제거합니다. 그러한 오염은 침착 EuTFC 막과 반응하여 생성 된 열 화상에 위치 종속 아티팩트를 초래 그 발광 반응을 변경할 수있다. 이것은 대기로부터 유기 오염을 유도하는 경향이 금 표면 전극과 샘플 특히 중요하다. 이 또한 유물이 발생할 수 있으므로, 동시에 시료 표면에 앉아있는 입자 나 먼지를 제거합니다. 저자는 다음과 같은 절차를 권장합니다 :

1. 이러한 초전도 브릿지 또는 저항성 디바이스와 같은 샘플의 장치에 전류와 전압을 연결 확인 (예를 들어 와이어 본드를 그린 온 전도성 에폭시 등을 사용하여 연결)이 단계는 오염을 초래할 수있다으로 박막 코팅 제조에 청소하기 전에 wHICH 코팅하기 전에 제거해야합니다. 가능하면이 필름을 증착 한 후 더 쉽게 저온 유지 장치에 샘플을 연결하는 것 때문에), 금 (Au 와이어를 사용합니다. (아래 4.6 단계를 참조하십시오.)
2. 15 초 동안 초음파 배스에서 100 % 아세톤에 시료를 청소한다.
3. 샘플이 건조되지 않도록하고, 5 초 동안 초음파 배스에서 100 % 이소 프로필 알콜로 세척.
4. 질소 총을 사용하여 샘플의 건조를 불어.
5. 가능한 경우, 산소 플라즈마 애싱을 이용하여 시료 표면 오프 남은 유기 잔여 물을 세척. 이를 위해 60 초 동안 100 W, 22cm ⁽³⁾ / (S)의 O ₂ 유량 160 mTorr의 압력의 가스의 플라즈마 전력을 사용한다. 샘플의 재 오염을 방지하기 위해,이 단계 후에 가능한 빨리 EuTFC 코팅을 증착.

EuTFC 증착 코팅 시스템 (2)의 제조

1. 스테인레스로 만든 특수 제작 보트 20 × 10 × 10 크기 (LXWXH)에서 mm ^3로 구성된 승화 소스를 사용하여S 스틸 박, 약 100 동작, Manganin 저항 와이어 코일 (10)을 둘러싸는 - 200 ° C. 이러한 악영향 새 영화의 특성에 영향을 미칠 것으로, 아세톤에 담가 보트에서 EuTFC의 용융 - 잔류 물을 녹인다.
2. 이소 프로필 알코올 보트를 씻어.
3. 보트는 그것으로 EuTFC를로드하기 전에 공기를 완전히 말리십시오.
4. 이 저장되는 동안 수증기 빛 EuTFC 분말을 보호한다. 철저하게 눈에 보이는 덩어리를 제거하는 마노의 박격포와 유 봉을 사용하여 EuTFC 분말을 분쇄.
   참고 : 분말 수증기로부터 보호되는 경우에도, 여전히 100 마이크론 직경 이상의 큰 덩어리로 구체화 할 수 있습니다. 이러한 승화 할 때 열이 이미지에서 아티팩트를 일으키는 심하게 불균일 막 초래하므로 제거되어야한다.
5. 샘플 약 10mm 직접 소스 보트 위에 위치되도록 진공 코팅 시스템에 샘플 홀더 승화 소스 설치(적절하게 배향 액정 두께 센서는 증착 속도를 모니터링하기 위해). 소스 보트 히터 관련 진공 피드 스루에 접속합니다.
6. 지상 EuTFC 분말의 약 0.2 g에 약 2/3 전체 소스 배를 채 웁니다.
7. 직접 소스 보트 상기 샘플 거꾸로 장착 바람직 오히려 필름을 오염시킬 수있는 진공 그리스보다 양면 테이프 또는 접착 점을 이용하여, (증착 된 막의 균일 성을 확보하기 위해).
8. 시료 표면과 대기 (특히 수증기)에 EuTFC 분말의 노출을 최소화하기 위해 가능한 한 빨리 회전 펌프를 이용하여 증착 챔버의 배기를 시작한다.

열 승화 EuTFC 박막 3. 증착

1. 바람직하게는 터보 분자 펌프를 사용하여, 3 × ^10-5 밀리바 이하로 증착 챔버 펌프.
2. 프로그램 결정 두께 모니터는 1.50 g / cm ^3, 막 밀도를 판독한다.
3. EuTFC이 승화 시작할 때까지 부드럽게 원을 따뜻하게, 소스 보트 히터 전력 0.5 W를 적용합니다. 두께 모니터가 상당한 증착 속도를 읽기 시작하는 삼분 - 그것은이 소요됩니다.
4. 7 nm / 분 - 6의 증착 속도를 유지하기 위해 상기 히터 파워를 조정한다. 전원 입력 변화에 대응 2 분 - 증착 속도는 일반적으로 1 걸립니다 만 작은, 느린 조정합니다.
   주 :이 구성에서보다 10 nm / 분 증착 보트에 충분한 온도가 급격히 표면적 때문에 승화 속도를 감소 분말 보트에서 용융시킬 수있다. 더 중요한 것은, 과도한 보트 온도는 화학적으로 EuTFC을 변경할 수 있으며, 따라서 강력하게 그 발광의 열 민감도를 감소시킨다.
5. 막 증착 (두께 모니터 판독)이 200nm 후, 소스의 전원을 끄. 이 범위를 벗어나는 두께의 상당히 낮은 될지라도 (± 20 nm의 여기 허용필름 감도.)
6. 두께 모니터 판독가 0에 도달 한 후, 건조 질소 가스로 챔버를 배기. 제거한 후, 진공 데시 케이 터에서 빛 방지 용기에 저장하여, 가능한 한 빨리 광 수증기로부터 시료를 보호한다.
   참고 :이 각각 EuTFC 박막의 표백 화학 저하를 방지 할 수 있습니다.

측정의 저온에서 샘플 4. 설치

1. 중앙 저온 유지 장치의 시료 대 직경 대개 1 내지 2 ㎜ 정도에 지나지에 진공 그리스의 방울을 놓는다. 원형의 상면과 직경 15 mm의 구리 콜드 핑거를 포함하는 시료 스테이지를 사용한다.
   참고 :이 단계 샘플이 그 위에 평면 아래로 누르면 샘플 사이에 강한 열 접촉을 보장하기 위해 충분한 크기입니다.
2. 샘플 기판은 도전성 경우, 그리스 위에 일러의 10 미크론 시트를 배치하여 스테이지에서 그것을 분리하고, 마찬가지로 제 크기일러 위에 D 블롭.
   주 : 저자는 비교적 고점도 그리스를 사용하는 것이 좋은 것을 발견 (예를 들어 실리콘계 고 진공 그리이스) 후자는 일반적으로 상면에 흐를 수 저점도 성분을 포함하기 때문에, 특수 히트 싱크 화합물보다 샘플의 자사의 EuTFC 코팅을 오염.
3. 동시에 두 대각선 반대 모서리에 힘을 가하지 핀셋을 사용하여 그리스 위에 시료를 누른 후 황동 나사 BeCu 클램프를 사용하여 위치에 적어도 두 모서리 클램프.
   참고 : 샘플이 제대로 위치에 고정되지 않을 경우 전원을 분석 할 결과 이미지 어렵게 여기에 적용될 때, 그것은 현미경에 크게 상대 표류 수 있습니다.
4. 이러한 전류로 필요한 전기적 연결을 위하여 전압 E에 착륙 오염 (땜납 플럭스의 예 방울)을 허용하지 않도록주의하면서 저온 유지 배선 시료로부터 초래uTFC 필름.
   참고 : 일을하고, 바람직하게는이 모든 단계에 대한 플럭스를 사용하지 않도록합니다 플럭스의 최소 금액을 사용하여이 작업을 수행합니다. 금 와이어는 샘플의 연결에 사용하는 경우 자속은 필요하지 않을 것이다.
5. 현미경 아래의 XYZ 번역 단계에서 샘플 저온 유지 장치를 마운트의 방열 및 광학 창을 설치하고, 터보 분자 펌프의 샘플 공간을 대피.
6. 실내의 주변 조명하여 EuTFC의 탈색을 방지하기 위해 알루미늄 박 (또는 유사) 한 조각으로 저온 유지 장치의 광학 창 커버. 손상 또는이 일을 할 때 현미경 렌즈 오염되지 않도록주의 할 것.
7. 관심의 목욕 온도로 저온 유지 장치를 냉각. 이 논문에 설명 된 샘플이 5 K 100 K. 사이 전형적
   참고 :이 범위에서 EuTFC 필름은 결국에 결정화하기 때문에 샘플 단계는, 125 K 175 K의 온도에서 시간의 연장 기간 동안 앉아 허용하지 않음또한 시간이 지남에 표류 수있는 불 균질 한 발광 특성을 가진 polygranular 상태. 2 K / 분이 온도 범위를 통해 냉각 또는 빨리이 문제가 발생하지 않도록합니다. 그라 이오 스탯 실수 너무 오래 동안이 온도 범위에서두면 EuTFC 막을 재현 단지 5 분 동안 190 K 이상으로 저온 유지 장치를 워밍업하여 '재설정'일 수있다.

열 이미지 데이터의 5. 컬렉션

1. 조명 광학 경로에서 500nm의 컷오프 파장이 짧은 패스 필터를 설치한다.
2. 수집 광학 경로에서 통과 대역 중심 파장 = 610 nm의 FWHM과 함께 = 10 nm의 밴드 패스 필터를 설치한다.
   주 :이 아닌 신호에 노이즈에 기여하는 배경 광의 수집을 최소화하여 좁은 통과 대역 여기 유리하다. 필터는 또한 그들 사이의 스펙트럼 크로스 토크를 최소화하기 위해 선택해야합니다.
3. 광원이 따뜻하게 그리고 난에 안정 될 수 있도록정상 상태 작동 온도의 TS, 카메라가 평형 작동 온도로 냉각 할 수 있습니다. 이 두 경우 모두 약 30 분 정도 소요됩니다.
4. (포커스 위치가 파장에 의존하기 때문에) 곳에서 광학 필터를 이용하여 시료를 조명 맞추고 관심 영역에 초점 현미경.
   참고 : 샘플이 몇 군데되지 않는 동안, EuTFC 필름의 샘플 및 결과 표백의 불필요한 조명을 피하기 위해 유사하거나 셔터를 사용합니다.
5. 샘플인가 제로 전류 기준 이미지를 수집한다. 각각의 이미지를 수집 할 때, 발광 신호로부터 실제 이미지 카운트 오프셋을주는 중요한뿐만 아니라, 화소의 화소에서 크게 변할 수 다크 카운트에 대한 보정을 만든다.
   참고 : 실험의 요구 사항에 따라 달라집니다 사용되는 노출 조건 (설명 참조)하지만 이미지가 더 포화 픽셀을 포함하지 않는하도록 노출을 선택하는 것이 중요합니다. 그만큼수집 된 발광 강도가 강하게 보통 시료의 표면의 반사율에 따라 달라 지므로, 참조 화상은 그 온도가 전체적으로 균일 한 경우에도 필요하다.
6. 시료에 전기 바이어스를인가 기준과 동일 노광 조건으로 영상을 수집하고, 이들의 강도 비율을 계산한다. 주 : 필요한 전기 바이어스 레벨이 연구되고 장치 및 자기 발열 동작의 조합에 크게 의존한다. 여기에 제시된 실시 예는 일반적으로 디바이스에 걸쳐 바이어스 몇 볼트 결과 mA 수십 정도의 샘플 바이어스 전류에 기인한다.
   주의 : 샘플을 참조 화상에 대하여 크게 이동 한 경우, 화소 데이터가 이동 보상한다. (단, 카메라의 성능에 따라, 이러한 변화는 시료의 이동이 모든 경우에 POS 최소화되어야하는 이유이다 광 감도에 픽셀 간 차이로부터 잡음을 도입 할 수있다온도 측정 높은 절대 정밀도가 필요하다면 sible.), 램프 세기의 작은 감도가 충분히 멀리있는 시료 (예. 하나의 적절한 영역 (1)로 화상을 참조 비율을 정규화함으로써 보정 될 수있다 자체 가열 장치로)는 그 영향을받지한다.
7. 관심의 모든 바이어스 조건에 대한 단계를 반복 5.6, 목욕 온도를 일정하게 유지하면서.
8. 반복 모든 관심 목욕 온도 5.7까지 5.4 단계를 반복합니다.
   참고 : 저온 유지 장치에 따라 샘플을 재정비하고 각각의 새로운 목욕 온도에서 재 집중해야 할 수도 있습니다.

결과 6. 교정

1. 관심의 전체 온도 범위를 커버하기에 충분한 제로인가 전류 기준 이미지를 수집한다. K (20)의 간격이 정확하게 교정 곡선을 생성하기에 충분한 데이터 포인트를 제공하는 동안 각각의 온도에서 3 내지 4 이미지 재현성을 확립하기에 충분할 것이다. (1B <그림 참조/ 강해>).
2. 이 곡선에서, 온도지도로 정규화 강도 이미지를 변환합니다. 절대 발광 강도는 샘플의 국부 표면 반사율에 크게 의존하지만, 온도에 대하여 그 정규화 동작은 매우 약한 영향이입니다.

7. 샘플 보관 및 필름 재사용

1. 언제나처럼, 주변 광에 의해 표백으로부터 보호 필름을 유지한다. 참고 : 필요한 경우, 샘플에 EuTFC 코팅이 반복 열 사이클링을 견딜 수있는, 높은 진공 상태에서 보관하면 해당 속성 2-3 주 기간 동안 안정적으로 유지됩니다.
   참고 : 그러나, 실온에서 고진공에 저장하는 경우에도, 영화는 이상 2~3개월이 저하됩니다. (변색 필름의 요철이 쉽게 광학 현미경으로 볼 수있다.)이 부가적인 열 화상을 요구하는 시료에서 발생하는 경우, 오프 막을 청소 1~3 단계에 따라 교체한다.

결과

온도 대 612 nm의 발광 강도 응답의 전형적인 곡선을도 1b에 도시된다 동안 저온 욕 온도에서 실험을 수행하기위한 전형적인 측정 구성 예는,도 1a에 도시된다.

도 2는 기준 적층 '고유'조셉슨 접합의 '메사'300 X 60 X 0.83 미크론 구성된 양방향 ₂ 시니어 ₂ CaCu ₂

토론

연구 결과에 의해 증명 된 바와 같이,이 문서에서 설명하는 기술은 우수한 감도 및 단순한 광학 현미경 장치를 사용하여 함께 마이크로 디바이스의 고해상도 열 화상을 산출한다. (후술한다) 다른 방법이 기술의 상대적 이점은 가장 중요한 애플리케이션 저온 욕 온도에서 동작하도록 설계된 소자의 자기 발열을 연구 것을 의미하고, 다음 약 250 K에서 최강이다. 이들은 (급랭 핵 키 엔지니어링 관심...

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Europium thenoyltrifluoroacetonate powder	Sigma-Aldrich	176494-1G	Also known as Europium tris[3-(trifluoromethylhydroxymethylene)-(+)-camphorate]
Mercury short-arc lamp with flexible light guide	Lumen Dynamics	X-Cite Exacte	Light source includes internal iris and photosensor for output intensity feedback.
Peltier-cooled CCD camera	Princeton Instruments	PIXIS 1024	1,024 x 1,024 pixels, 16-bit resolution
610 nm band-pass filter	Edmund Optics	65-164	Passband has CWL 610 nm, FWHM 10 nm
500 nm short-pass filter	Edmund Optics	84-706	OD4 in stopband
Helium flow cryostat with optical window	Oxford Instruments	MicrostatHe2
high vacuum grease	Dow Corning
Digital Current source	Keithley	Model 2400	Computer-controllable current & voltage source
Digital Voltmeter	Hewlett-Packard	Model 34420A	Digital Nanovoltmeter now available as Agilent Model 34420A