Software pro analýzu transportu nosičů náboje u autoemisních katod

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV FYZIKY Software pro analýzu transportu nosičů náboje u autoemisních katod Číslo projektu: GAP102/11/0995 Číslo výsledku: Spolupracující firma: Delong Instruments a.s. Odpovědný pracovník: Ing. Tomáš Trčka Spolupracovníci: Ing. Ondřej Šik, prof. Ing. Lubomír Grmela, CSc., Ing. Alexandr Knápek, Ph.D. Brno 2013

2 Úvodní prohlášení Prezentovaný software vznikl v rámci dohody o spolupráci mezi Vysokým učením technickým v Brně a firmou Delong Instruments a.s. (Palackého třída 3019/153b, Královo Pole, Brno, IČO ). Originál smlouvy o jeho využití na kooperujícím pracovišti je uložen na UFYZ FEKT. Software je licencován pro komerční subjekty (licence je k dispozici u odpovědného pracovníka na pracovišti UFYZ FEKT). Ekonomické parametry nelze jednoduše specifikovat, jelikož spolupracující firma jej prozatím využívá pouze pro výzkumné účely. Výsledný softwarový balík je výsledkem činnosti na projektu GAP102/11/0995 Electron transport, Noise and Diagnostic of Schottky and Autoemission Cathodes a vznikl také díky podpoře projektů SIX - Centrum senzorických, informačních a komunikačních systémů (ED2.1.00/ ) a CEITEC - Středoevropský technologický institut (CZ.1.05/1.1.00/ ). Software pro analýzu transportu nosičů náboje u autoemisních katod byl vytvořen v rámci aplikovaného výzkumu v oblasti optimalizace přípravy těchto specializovaných komponent. Potenciál výzkumu je značný, jelikož vhodně zformované katody (s velmi ostrým hrotem a povrchovou vrstvou dielektrika) vyžadují ve srovnání s běžně používanými autoemisními katodami podstatně nižší extrakční napětí a méně kvalitní vakuum v pozorovací komoře. Toho je s výhodou využito v transmisní elektronové mikroskopii, kde jsou tyto katody použity jakožto zdroj primárního svazku elektronů. Mezi další výhody patří také malý průměr svazku a nižší energiová šířka, což vede k redukci zobrazovacích vad, ke zvýšení rozlišení EM a především k snížení nákladů na jejich výrobu (není potřeba implementovat robustní elektronovou optiku). Tyto a další přednosti, včetně snížené dopadové energie emitovaných elektronů, umožní studium lehkých a především pak biologických vzorků bez většího radiačního poškození, což otevře nové možnosti prozařovací elektronové mikroskopie. Popis a struktura programu Z důvodů existence heterostruktury materiálu katody (wolfram, niob) a ochranné dielektrické (oxidové) vrstvy dochází vlivem přítomnosti parazitních energetických hladin v pásovém diagramu k zachytávání a uvolňování emitovaných elektronů. To se projevuje fluktuací bariéry heteropřechodu, což má za důsledek časovou nestabilitu proudu, zejména pak časově dlouhé ustalování proudu po připojení extrakčního napětí. Dále dochází v systému autoemisní katody k difúzi těžkých iontů. Uvedený difúzní pohyb se opět projevuje fluktuací emisního proudu. Z důvodu vysokoimpedančního charakteru katodového systému bylo nutné použít specializovaný pikoampérmetr Keithley 6517B (měřitelné R až Ω, vstupní impedance 200 TΩ) umožňující analýzu materiálů, které se svým charakterem transportu náboje blíží k izolantům. Součástí tohoto přístroje je také vysokonapěťový zdroj, který umožňuje nastavení extrakčního napětí katody v rozsahu 0 až 1000 V. Navržený softwarový balík byl vytvořen v moderním vývojovém prostředí LabVIEW a s jednotlivými přístroji komunikuje pomocí sběrnice GPIB. Základním požadavkem byla snadná a opakovatelná možnost nastavení parametrů měření a jeho plná automatizace. Aktuální verze obslužného programu nabízí celkem tři základní režimy měření, jejichž podrobnější popis je uveden níže.

3 Režim dlouhodobého měření emisního proudu katody: Uživatel může na přístroji Keithley 6517B nastavit velikost extrakčního napětí (v rozsahu V), celkovou dobu měření a interval vzorkování proudu. Měření proudu probíhá přímou metodou. Proces pravidelného skenování se opakuje, dokud není dosažena požadovaná doba měření. V praxi je tento software používán tak, že je schopen monitorovat časový vývoj emisního proudu po celou životnost katody, tj. v řádu měsíců (viz obr. 1). Naměřené velikosti proudů (včetně dalších dodatečných informací) jsou po každém skenování postupně ukládány do textového souboru v definovaném formátu podle požadavků na další zpracování. Obr. 1: Ukázka obrazovky pro dlouhodobé měření emisního proudu katody. Režim měření VA charakteristik: V tomto režimu dochází k měření proudu totální emise při definované velikosti referenčního napětí. Takto získaná data slouží jako vstupní informace pro numerickou simulaci chování heterostruktury kov oxid založené na Poissonově rovnici. Uživatel může nastavit velikost referenčního napětí (v rozsahu 0 až 2000 V), celkovou dobu měření a časový interval mezi skenováním emisního proudu. Pro dosažení vhodného kompromisu mezi požadovanou přesností měření a dobou snímání měřené veličiny je zde implementována možnost nastavení doby integrace měřeného proudu. Tento režim se od výše uvedeného odlišuje tím, že u něj dochází ke skokovému zvyšování referenčního napětí na zdroji, a to v předem definovaných časových cyklech. Obsluha může nastavit (kromě parametru doby integrace) také počáteční a koncovou hodnotu referenčního napětí a velikost kroku napětí v jednotlivých intervalech rozsahu nastavovaného extrakčního napětí (viz tabulka na obr. 2). Kompletní tabulku lze také volitelně uložit a při opakovaném spuštění programu opět načíst jako šablonu (Load/Save Template).

4 Obr. 2: Ukázka uživatelského rozhraní při volbě režimu měření VA charakteristik. Na obrázku 3 je uvedena ukázka naměřené VA charakteristiky, kde byl využit parametr proměnlivé velikosti napěťových skoků (podle zadané tabulky). Tím byla zvýšena časová efektivita měření. Průběh měření lze sledovat jak prostřednictvím vykreslovaných grafů, tak i pomocí indikátorů s aktuálními hodnotami sledovaných veličin. Měřená data jsou v každém cyklu skenování postupně ukládána do textového souboru, takže nehrozí kompletní ztráta dat při vynuceném ukončení běhu programu nebo nenadálém výpadku elektřiny. Po dokončení měření má uživatel k dispozici kompletní záznam celého měření. Obr. 3: Ukázka VA charakteristiky s proměnlivou velikostí napěťových skoků.

5 Režim dlouhodobého měření VA charakteristik: Z důvodů dlouhodobé nestability emitovaného proudu a posouzení změn dynamiky transportu náboje skrz heterostrukturu kov-oxid byl navržen speciální mód měření VA charakteristik. Kromě parametrů nastavitelných v základním režimu měření VA charakteristik je umožněna také cyklická změna doby připojení extrakčního napětí, po které dojde k odečtení hodnot emisního proudu (viz obr. 4 - sloupec v dialogovém okně s modrými časovými údaji). Takto definované hodnoty prodlev umožňují mapování dynamiky transportu náboje v souvislosti s dlouhodobým ustalováním emitovaného proudu. Program propočtem hodnot prodlevy před skenováním a počtem měření jednotlivých VA charakteristik dokáže určit dobu nezbytnou pro měření v definovaném časovém úseku proudového přechodu. Ukázka výsledného složení VA charakteristik, zpracovaných v programu EasyPlot, je uvedena na obr. 5. Obr. 4: Ukázka obrazovky při volbě režimu dlouhodobého měření VA charakteristik. EU551U VAvsTime 40C celek.ep I s 300 s 120 s 60 s 50 s 30 s 20 s 10 s 5 s 1 s U Obr. 5: Ukázka výsledného složení VA charakteristik (zpracováno v programu EasyPlot).