عالية الدقة الحراري مايكرو التصوير عن طريق اليوروبيوم كلات الفلورسنت الطلاء
Summary
اليوروبيوم thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) لديه خط التلألؤ البصرية في 612 نانومتر، الذي يقلل بقوة مع درجة الحرارة كفاءة التنشيط. إذا عينة المغلفة مع طبقة رقيقة من هذه المواد متناهية الصغر تصوير، قد يتم تحويل نانومتر كثافة استجابة الانارة 612 إلى خريطة مباشرة لدرجة حرارة سطح العينة.
Abstract
الأجهزة الالكترونية الدقيقة غالبا ما تخضع كبيرة التدفئة الذاتية عندما منحازة لظروف التشغيل العادية الخاصة بهم. وتصف هذه الورقة تقنية التصوير الدقيقة البصرية المريحة التي يمكن استخدامها لرسم وتحديد مثل هذا السلوك. اليوروبيوم thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) لديها خط التلألؤ 612 نانومتر الذي تفعيل كفاءة يسقط بقوة مع ارتفاع درجة الحرارة، ويرجع ذلك إلى T التفاعلات التي تعتمد على بين الاتحاد الأوروبي 3+ أيون ومجمع مخلبية العضوية. هذه المواد قد تكون مغلفة بسهولة الدخول إلى سطح العينة التي كتبها التسامي الحراري في الفراغ. عندما الطلاء هو متحمس مع ضوء الأشعة فوق البنفسجية (337 نانومتر) والبصرية صورة صغيرة للاستجابة الانارة نانومتر 612 يمكن تحويلها مباشرة إلى خريطة لدرجة حرارة سطح العينة. تقدم هذه التقنية القرار المكانية وقلة فقط من البصريات المجهر (حوالي 1 ميكرون) والقرار الوقت محدودة بسبب سرعة الكاميرا المستخدمة. ويقدم مزايا إضافية فقطتتطلب معدات بسيطة نسبيا وغير المتخصصة، وإعطاء التحقيق الكمي من درجة حرارة العينة.
Introduction
العديد من الأجهزة الإلكترونية تخضع قوية التدفئة الذاتية عندما منحازة كهربائيا لظروف التشغيل العادية. هذا عادة ما يكون نتيجة لمزيج من الموصلية الحرارية المنخفضة (مثل أشباه الموصلات)، والطاقة العالية الكثافة تبديد. وعلاوة على ذلك، في الأجهزة مع المقاومة الكهربائية مثل شبه الموصلة (أي مع ∂ρ / ∂ T <0) منذ فترة طويلة كان من المعروف أن هناك إمكانية الهروب الحراري الموضعي تحت بعض الظروف يتحامل 1، 2، الذي التدفقات الحالية التحيز غير موحد من خلال الجهاز، ولكن ليس في خيوط الضيقة التي ترتبط مع محلية شديدة التدفئة الذاتي، وعادة على مقياس من ميكرون.
فهم هذه الفيزياء التدفئة الذاتية قد تكون في بعض الحالات ضروري لتحقيق الاستفادة المثلى من تصميم جهاز معين، وهذا يعني أن تقنيات التصوير لدرجات الحرارة على جداول ميكرون هيمفيد جدا. كان هناك تجدد في الآونة الأخيرة الاهتمام بمثل هذه التقنيات من منطقتين في تطوير التكنولوجيا. وأول هذه العناصر هو لعمليات إخماد التصوير في الأشرطة فائقة التوصيل درجات الحرارة العالية التي الحرارية التصوير الجزئي يسمح إخماد مواقع التنوي الكشف عن هويته ودرس 3 و 4. التطبيق الثاني هو لفهم ذاتي التدفئة في جوزيفسون مصادر تيراهيرتز مكدسة الجوهرية تقاطع، والتي يتم تصنيعها من بي 2 الأب 2 CaCu 2 O 8. هذه لها الجمع بين الموصلية الحرارية المنخفضة والموصلية الكهربائية مثل أشباه الموصلات على طول اتجاه ذات الصلة من تدفق التيار (أي من البلورية ج -axis) المذكورة أعلاه. ليس فقط أنها لا تظهر تجريبيا معقدة السلوك غير متجانسة التدفئة الذاتية 5، 6، 7، 8 </sup> و 9 و 10 و 11 كان من المتوقع نظريا أن هذا قد يكون من المفيد لانبعاث قوة THz لل12 و 13.
وهناك عدد من التقنيات لتصوير درجة حرارة العينة على مستويات طول المجهرية. تقنية الحرارى هو موضح هنا كان يعمل في الأصل لأجهزة شبه الموصلة قرب درجة حرارة الغرفة 14 و 15 و 16 ولكن تم مؤخرا تطبيق في درجات حرارة حمام المبردة إلى الأشرطة فائقة التوصيل ومصادر THz للالموضحة أعلاه 3 و 4 و 10 و 11. وقد مكنت التحسينات في الأداء القرار، والإشارة إلى الضوضاء من كاميرات CCD أداء كبيرالتحسينات في هذه التقنية على مدى العقود القليلة الماضية. الاتحاد الأوروبي-التنسيق اليوروبيوم معقدة thenoyltrifluoroacetonate (EuTFC) له التألق الضوئي وهو بقوة درجة حرارة التابعة. يغاندس العضوية في هذا المجمع استيعاب نحو فعال ضوء الأشعة فوق البنفسجية في نطاق واسع حوالي 345 نانومتر. يتم نقل الطاقة من الإشعاع أقل عن طريق الإثارات داخل الجزيئية لايون الاتحاد الأوروبي 3+، والتي ترجع مجمع لدولة أرض الواقع من خلال انبعاث فوتون التألق في 612 نانومتر. ينشأ الاعتماد درجة الحرارة قوي من عملية نقل الطاقة 17 مما يجعل لتحقيق الحراري حساسية كائن المغلفة مع هذه المواد. عندما الطلاء هو متحمس مع مصدر قريب من الأشعة فوق البنفسجية – مثل مصباح القوس القصير زئبق – المناطق مع انخفاض كثافة التلألؤ تتوافق مع درجة حرارة أعلى المحلية. تقتصر على الصور الناتجة في القرار المكانية بقرار من البصريات المجهر والطول الموجي لللومinescence (عمليا، إلى حوالي 1 ميكرون). اعتمادا على نسبة الإشارة إلى الضوضاء المطلوبة، وقرار وقت محدود فقط من سرعة مصراع الكاميرا، والأهم في الوقت اضمحلال التلألؤ (لا يزيد عن 500 ميكرو ثانية) 15. هذه الخصائص تجعل هذه التقنية تحقيق سريع جدا من درجة حرارة الجهاز، والتي ينتج قياسات درجات الحرارة مباشرة، وذلك باستخدام معدات بسيطة نسبيا واقتصادية.
وقد استخدمت أشكال مختلفة من هذه التقنية التي نشرت في الماضي من قبل مجموعات أخرى تركيزات صغيرة من الاتحاد الأوروبي ويخلب المنحل في أفلام البوليمر وتدور المغلفة على سطح العينة 3 و 4. وهذا يؤدي إلى طلاء وهي شديدة موحدة محليا، ولكن لديه اختلافات سماكة كبيرة في الخطوات في تضاريس العينة – مثل عادة تحدث في الأجهزة بالغة الصغر – مما أدى إلى الاختلافات المكانية قوية في الاستجابة الانارة ذوي الخوذات البيضاءالتراث الثقافي غير المادي يمكن أن تعطي التحف في الصور. تباين الأسلوب الذي وصفنا هنا توظف التسامي الحراري في الفراغ. وهذا لا تجنب سمك الفيلم مشكلة الاختلاف العيانية، ولكن تركيز EuTFC أعلى يتحقق في وحدة المساحة يحسن بشكل كبير من الحساسية ويقلل من وقت الحصول على الصور. وهناك تقنية ذات الصلة توظف طلاء من كربيد حبيبات على سطح بدلا من EuTFC 7 و 8 و 9. تقدم كربيد حساسية درجة حرارة مماثلة لطلاء EuTFC الموصوفة هنا، ولكن حجم الحبيبات يحد من سلاسة ودقة الصور الناتجة.
العديد من التقنيات الأخرى موجودة، والتي تقدم مجموعات مختلفة من مزايا وعيوب. التصوير بالأشعة تحت الحمراء المباشر للإشعاع الجسم الأسود من العينة بسيط ولديه قرار المكاني لبضعة ميكرونات، ولكن لا تكون فعالة إلا عندما تكون العينة كبيرةلاي درجة حرارة الغرفة المذكورة أعلاه. المسح التحقيق تقنيات المجهر الحرارية (مثل المجهر الحرارية أو كلفن التحقيق المجهر) توفر حساسية ممتازة والقرار المكانية، ولكن لديها بطيئة مرات الحصول على الصور، محدودة بالضرورة سرعة المسح الضوئي من طرف، وكذلك تتطلب معدات معقدة للغاية. المسح بالليزر أو مسح شعاع الإلكترون المجهري التدابير الحراري اضطراب الجهد عند rastered شعاع التضمين عبر سطح الجهاز الحالي المنحازة 6 و 7 و 18. وهذا يتيح حساسية ممتازة، وأسرع إلى حد ما من مسح تقنيات التحقيق، ولكن مرة أخرى تتطلب معدات معقدة للغاية، وأيضا يعطي خريطة غير المباشرة، النوعية من درجة حرارة العينة.
Protocol
Representative Results
Discussion
كما يتبين من النتائج التي حققناها، وتقنية الموضحة في هذه المقالة غلة عالية الدقة الصور الحرارية من الأجهزة بالغة الصغر، مع حساسية جيدة واستخدام معدات المجهر البصرية بسيطة فقط. مزايا هذه التقنية بالنسبة إلى الطرق البديلة (التي سيتم مناقشتها أدناه) هي أقوى بحوالي 250 K ?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Work at Argonne National Laboratory was funded by the Department of Energy, Office of Basic Energy Sciences, under Contract No. DE-AC02-06CH11357, which also funds Argonne’s Center for Nanoscale Materials (CNM) where the patterning of the BSCCO mesa was performed. We thank R. Divan and L. Ocola for their help with sample fabrication.
Materials
| 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 | 1024 x 1024 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 |
References
- Ridley, B. K. Specific Negative Resistance in Solids. Proc. Phys. Soc. 82, 954-966 (1963).
- Lueder, H., Spenke, E. Über den Einfluß der Wärmeableitung auf das elektrische Verhalten von temperaturabhängigen Widerständen. Physikalische Zeitschrift. 36, 767-773 (1935).
- Haugen, O., et al. High Resolution Thermal Imaging of Hotspots in Superconducting Films. IEEE Trans. Appl. Supercond. 17, 3215-3218 (2007).
- Niratisairak, S., Haugen, O., Johansen, T. H., Ishibashi, T. Observation of hotspot in BSCCO thin film structure by fluorescent thermal imaging. Physica C. 468, 442 (2008).
- Wang, H. B., et al. Hot Spots and Waves in Bi2Sr2CaCu2O8 Intrinsic Josephson Junction Stacks: A Study by Low Temperature Scanning Laser Microscopy. Phys. Rev. Lett. 102, 017006 (2009).
- Wang, H. B., et al. Coherent Terahertz Emission of Intrinsic Josephson Junction Stacks in the Hot Spot Regime. Phys. Rev. Lett. 105, 057002 (2010).
- Minami, H., et al. Local SiC photoluminescence evidence of hot spot formation and sub-THz coherent emission from a rectangular Bi2Sr2CaCu2O8+δ mesa. Phys. Rev. B. 89, 054503 (2014).
- Watanabe, C., Minami, H., Yamamoto, T., Kashiwagi, T., Klemm, R. A., Kadowaki, K. Spectral investigation of hot spot and cavity resonance effects on the terahertz radiation from high-Tc superconducting Bi2Sr2CaCu2O8+δ mesas. J. Phys. Condens. Matter. 26 (17), 172201 (2014).
- Tsujimoto, M., Kambara, H., Maeda, Y., Yoshioka, Y., Nakagawa, Y., Kakeya, I. Dynamic Control of Temperature Distributions in Stacks of Intrinsic Josephson Junctions in Bi2Sr2CaCu2O8+δ for Intense Terahertz Radiation. Phys. Rev. Applied. 2, 044016 (2014).
- Benseman, T. M., et al. Direct imaging of hot spots in Bi2Sr2CaCu2O8+δ mesa terahertz sources. J. Appl. Phys. 113, 133902 (2013).
- Benseman, T. M., et al. Current filamentation in large Bi2Sr2CaCu2O8+δ mesa devices observed via luminescent and scanning laser thermal microscopy. Phys. Rev. Applied. 3, 044017 (2015).
- Koshelev, A. E., Bulaevskii, L. N. Resonant electromagnetic emission from intrinsic Josephson-junction stacks with laterally modulated Josephson critical current. Phys. Rev. B. 77, 014530 (2008).
- Koshelev, A. E. Alternating dynamic state self-generated by internal resonance in stacks of intrinsic Josephson junctions. Phys. Rev. B. 78, 174509 (2008).
- Kolodner, P., Tyson, J. A. Microscopic fluorescent imaging of surface temperature profiles with 0.01°C resolution. Appl. Phys. Lett. 40, 782-784 (1982).
- Kolodner, P., Tyson, J. A. Remote thermal imaging with 0.7-µm spatial resolution using temperature-dependent fluorescent thin films. Appl. Phys. Lett. 42, 117-119 (1983).
- Hampel, G. High power failure of superconducting microwave filters: Investigation by means of thermal imaging. Appl. Phys. Lett. 69, 571-573 (1996).
- Hadjichristov, G. B., Stanimirov, S. S., Stefanov, I. L., Petkov, I. K. The luminescence response of diamine-liganded europium complexes upon resonant and pre-resonant excitation. Spectrochimica Acta A. 69, 443-448 (2008).
- Mayer, B., Doderer, T., Huebener, R. P., Ustinov, A. V. Imaging of one- and two-dimensional Fiske modes in Josephson tunnel junctions. Phys. Rev. B. 44, 12463-12473 (1991).
- Niedernostheide, F. J., Kerner, B. S., Purwins, H. -. G. Spontaneous appearance of rocking localized current filaments in a nonequilibrium distributive system. Phys. Rev. B. 46, 7559 (1992).
- Kustov, M., Grechishkin, R., Gusev, M., Gasanov, O., McCord, J. Thermal Imaging: A Novel Scheme of Thermographic Microimaging Using Pyro-Magneto-Optical Indicator Films. Advanced Materials. 27, 4950 (2015).
