High-resolution Micro-imagem térmica Usando európio quelato luminescentes Coatings

Muitos dispositivos eletrônicos sofrem forte auto-aquecimento quando eletricamente inclinado às suas condições normais de operação. Isto é geralmente devido a uma combinação de baixa condutividade térmica (tal como em semicondutores) e de densidade elevada dissipação de energia. Além disso, em dispositivos com uma resistividade eléctrica semicondutora do tipo (isto é, com ∂ρ / ∂ t <0) que tem sido conhecido que existe a possibilidade de instabilidade térmica localizada sob certas condições de polarização ^{1, 2,} em que os fluxos de corrente de polarização não uniformemente através do dispositivo, mas sim em filamentos estreitas que são associados com a auto-aquecimento altamente localizado, tipicamente numa escala de microns.

Compreender tais física auto-aquecimento podem, em alguns casos, ser essencial para optimizar a concepção de um dispositivo em particular, o que significa que as técnicas para a temperatura de imagem em escalas são micronmuito útil. Tem havido um ressurgimento recente de interesse em tais técnicas de duas áreas de desenvolvimento de tecnologia. O primeiro destes é o efeito de atenuação para processos de imagiologia em fitas supercondutoras de alta temperatura em que a micro-imagem térmica permite extinguir locais de nucleação para serem identificados e estudados ^{3, 4.} A segunda aplicação é para se compreender o auto-aquecimento em fontes empilhados intrínsecas Josephson junção terahertz, que são fabricados a partir de Bi ₂ Sr ₂ Cacu ₂ O _8. Estes têm a combinação de baixa condutividade térmica e condutividade eléctrica semicondutor semelhante ao longo da direcção em causa do fluxo de corrente (isto é, o seu cristalino c -axis) descrito acima. Não só eles experimentalmente mostrar complexo comportamento não homogêneo auto-aquecimento ^{5, 6, 7, 8} </sup^{>, 9, 10, 11,} tem sido teoricamente previsto que este possa ser benéfico para a emissão de energia THz ^{12, 13.}

Um número de técnicas existentes para imagiologia da temperatura de uma amostra em escalas de comprimento microscópicas. A técnica de termoluminescência descrito aqui foi originalmente empregue para dispositivos semicondutores próxima da temperatura ambiente ^{14, 15, 16,} mas mais recentemente tem sido aplicada a temperaturas de banho criogénico para as fitas supercondutoras e fontes THz descritos acima ^{3, 4, 10, 11.} Melhorias no desempenho resolução e relação sinal-ruído de câmeras CCD permitiram desempenho considerávelmelhorias nesta técnica ao longo das últimas décadas. A UE-coordenação thenoyltrifluoroacetonate európio complexo (EuTFC) tem uma luminescência óptica que é fortemente dependente da temperatura. Os ligandos orgânicos neste complexo absorvem luz UV eficazmente numa ampla banda em torno de 345 nm. A energia é transferida radiação-menos através excitações intra-moleculares para o ião de ^{Eu3 +,} o que devolve o complexo ao seu estado fundamental, através da emissão de um fotão a 612 nm luminescência. A forte dependência da temperatura surge a partir do processo de transferência de energia ¹⁷ para fazer uma sonda térmica sensível de um objecto revestido com este material. Quando o revestimento é animado com uma fonte de ultravioleta próximo – tais como uma lâmpada de arco de Hg de curto – regiões com menor intensidade de luminescência correspondem à temperatura mais elevada local. As imagens resultantes estão limitados na resolução espacial pela resolução do sistema óptico do microscópio e o comprimento de onda da luminescence (na prática, a cerca de 1 mícron). Dependendo da relação de sinal-para-ruído necessário, resolução de tempo é limitado apenas pela velocidade do obturador da câmara, e mais fundamentalmente pelo tempo de decaimento da luminescência (não mais de 500 mS) ^15. Estas características fazem a técnica de uma sonda muito rápido da temperatura do dispositivo, o qual produz medições de temperatura directos, utilizando equipamento relativamente simples e económico.

Variações desta técnica publicada no passado por outros grupos têm empregado pequenas concentrações de Eu-quelatos dissolvidos em películas de polímeros e spin-revestidas sobre a superfície da amostra ^{3, 4.} Isto resulta num revestimento que é altamente uniforme localmente, mas que tem as variações de espessura significativas nos passos na topografia da amostra – tais como ocorrem geralmente em microdispositivos – resultando em fortes variações espaciais na resposta luminescente which pode dar artefatos nas imagens. A variação técnica que descrevemos aqui emprega sublimação térmica em vácuo. Isto não só evitar o problema de espessura de filme variação macroscópica, mas a concentração superior EuTFC conseguida por unidade de área, melhora significativamente a sensibilidade e reduz o tempo de aquisição de imagem. Uma técnica relacionada emprega um revestimento de grânulos de SiC na superfície, em vez do EuTFC ^{7, 8, 9.} SiC oferece uma sensibilidade temperatura comparável aos revestimentos EuTFC descritos aqui, mas o tamanho dos grânulos limita a suavidade e a resolução das imagens resultantes.

Várias outras técnicas existentes, que oferecem diferentes combinações de vantagens e desvantagens. imagiologia de infravermelhos directa da radiação de corpo negro a partir da amostra é simples e tem resolução espacial de poucos microns, mas só é eficaz quando a amostra é significativaly temperatura ambiente acima. sonda digitalização técnicas de microscopia térmica (tais como microscopia de varredura termopar ou microscopia sonda Kelvin) oferecem excelente sensibilidade e resolução espacial, mas têm tempos de aquisição de imagem lentas, necessariamente limitada pela velocidade de varredura da ponta, bem como exigindo que os equipamentos de alta complexidade. De laser de varrimento ou de feixe electrónico de varrimento de microscopia medidas térmico a perturbação de tensão quando um feixe modulado é rastered em toda a superfície de um dispositivo de corrente polarizada ^{6, 7, 18.} Isto oferece excelente sensibilidade, e é um pouco mais rápido do que a digitalização de técnicas de sonda, mas mais uma vez requer equipamentos de alta complexidade, e também dá um mapa indireta, qualitativa da temperatura da amostra.