1 / 58

Fotoakustyka i spektroskopia fotoakustyczna materiałów półprzewodnikowych

Fotoakustyka i spektroskopia fotoakustyczna materiałów półprzewodnikowych. Mirosław Maliński Wydział Elektroniki Politechnika Koszalińska. Zagadnienia 1. Wstęp - Fale termiczne i efekt fotoakustyczny Zagadnienia podstawowe Opis temperatury chwilowej na powierzchni próbki

clare-davis
Download Presentation

Fotoakustyka i spektroskopia fotoakustyczna materiałów półprzewodnikowych

An Image/Link below is provided (as is) to download presentation Download Policy: Content on the Website is provided to you AS IS for your information and personal use and may not be sold / licensed / shared on other websites without getting consent from its author. Content is provided to you AS IS for your information and personal use only. Download presentation by click this link. While downloading, if for some reason you are not able to download a presentation, the publisher may have deleted the file from their server. During download, if you can't get a presentation, the file might be deleted by the publisher.

E N D

Presentation Transcript

  1. Fotoakustyka i spektroskopia fotoakustyczna materiałówpółprzewodnikowych Mirosław Maliński Wydział Elektroniki Politechnika Koszalińska

  2. Zagadnienia 1 • Wstęp - Fale termiczne i efekt fotoakustyczny • Zagadnienia podstawowe • Opis temperatury chwilowej na powierzchni próbki • Chwilowe rozkłady temperatury w próbce generowane modulowaną wiązką światła • Funkcje R-hiperboliczne w fotoakustyce • Komory fotoakustyczne i konfiguracje pomiarowe

  3. Zagadnienia 2 • Aplikacje metody fotoakustycznej • Metody wyznaczania parametrów termicznych • metodą mikrofonową • metodą piezoelektryczną • Spektroskopia FA mikrofonowa • Spektroskopia FA piezoelektryczna • modele warstwowe próbek • analiza widm piezoelektrycznych • Analiza struktur warstwowych • modele warstwowe struktur • analiza fotoakustyczna układów warstwowych • Pomiary FA materiałów krzemowych • Inne zastosowania metody fotoakustycznej

  4. Wstęp. Etapy powstawania sygnału fototermicznego

  5. Fale termiczne i efekt fotoakustyczny Schemat analizowanego układu: wiązka światła, komora fotoakustyczna, próbka.

  6. Fale termiczne - podstawy • Równanie Laplace’a • Rozkład temperatury wzdłuż grubości próbki termicznie grubej • Długość drogi dyfuzji termicznej

  7. Rozkład temperatury chwilowej-obiekt termicznie gruby Zależność chwilowej temperatury od odległości x[cm] od powierzchnipróbki materiału dla =1 cm2/sek, f=20 Hzw różnych momentach czasu t.Krzywa 1- t=T /4, 2- t=2T /4, 3- t=3T/4, 4- t = T.T –okres modulacji

  8. Rozkład temperatury chwilowej-obiekt termicznie gruby Rozkład chwilowej temperatury wzdłuż grubości próbki dla =1cm2/sek i częstotliwościmodulacji: f=20,40,80,160 Hz. Oznaczenia: linii 1- f=20 Hz, 2- f=40 Hz, 3- f =80 Hz, 4- f=160 Hz.

  9. Zagadnienia podstawowe • Opis temperatury chwilowej na powierzchni próbki • Opis rozkładu przestrzennego temperatury chwilowej w próbce • Dziedzina funkcji R-hiperbolicznych • Konstrukcje komór fotoakustycznych • Konfiguracje pomiarowe

  10. Chwilowe rozkłady temperatury w próbce Temperatura powierzchni próbki

  11. Chwilowe rozkłady temperatury w próbce T(x,l,,,R)Rozkład temperatury wzdłuż grubości próbki

  12. Przykładowe rozkłady temperatury próbkiwzdłuż grubości próbki Rozkłady temperatury chwilowej wzdłuż grubości próbki dla przypadku R=1 oraz R= -1 .Oznaczenia linii: 1 -t=0, 2- t=T/4, 3- t=T/2, 4- t=3T/4. Pozostałe parametry:l=0.1 cm,  =0.1 cm2/s,  =100 cm-1, f=16Hz.

  13. Przypadki szczególne ogólnego rozkładu temperatury chwilowejT(x,l,,,R)

  14. Funkcje R-hiperboliczne w fotoakustyce

  15. Funkcje hiperboliczne Wykresy funkcji sinRh(x,R) dla różnych parametrów R=1(linia 1), R=0.5 (linia 2), R=0 (linia 3),R=-0.5 (linia 4). Wykresy funkcji cosRh(x,R) dla różnych parametrów R=1(linia 1),R=0.5 (linia 2),R=0 (linia 3) R=,-0.5 (linia 4).

  16. Konstrukcje komór FA • Komora fotoakustyczna mikrofonowa wodna do pomiarów parametrów termicznych ciał stałych • Komora fotoakustyczna mikrofonowa śrubowa do pomiarów dyfuzyjności termicznej ciał stałych

  17. Konstrukcje komór FA • Komora FA mikrofonowa do pomiarów parametrów termicznych cieczy

  18. Konstrukcje komór PZE • Klasyczna komora piezoelektryczna do pomiarów w konfiguracji rewers • Zmodyfikowana komora fotoakustyczna do pomiarów w konfiguracji front

  19. Udział efektu tłokowego (ET) i efektu membranowego (EM) w sygnale PZE • Parametry przyjęte do obliczeń : =0.1 cm2/s, f=250 Hz, l=0.0637 cm

  20. Generacja wypadkowego sygnału piezoelektrycznego • Widmo amplitudowe i fazowe sygnału piezoelektrycznegow konfiguracji rewers=0.1 cm2/s, f=250 Hz, l=0.0637 cm

  21. Porównanie widm piezoelektrycznych w konfiguracjach front i rewers • Widmo współczynnika absorpcji optycznej GaAs w 300K • Parametry przyjęte do obliczeń=0.1 cm2/s, l=0.053 cm, R=1,f=400Hz, f=800 Hz

  22. Porównanie widm piezoelektrycznych w konfiguracjach front i rewers

  23. Aplikacje metody fotoakustycznej • Wyznaczanie parametrów termicznych • metodą mikrofonową • metodą piezoelektryczną • Spektroskopia FA mikrofonowa • Spektroskopia FA piezoelektryczna • modele warstwowe próbek • analiza widm piezoelektrycznych • Analiza układów warstwowych • modele warstwowe • analiza fotoakustyczna układów warstwowych • Pomiary FA materiałów krzemowych • Inne zastosowania metody fotoakustycznej

  24. 1.Wyznaczanie parametrów termicznych metodą mikrofonową • Charakterystyki fazowe w konfiguracji „rewers” i „front” próbki krzemowej o grubości l=240m. Linie- krzywe teoretyczne: 1- R=1, 2-R=0.9, 3-R=0.76, 4-R=0.5.

  25. 2.Wyznaczanie parametrów termicznych metodą mikrofonową • Charakterystyki częstotliwościowa fazy sygnału FA w konfiguracji „rewers” dla warstwy kleju Eko Solder AX201na podłożu powietrznym (R=1) • Charakterystyki częstotliwościowe fazy sygnału FA w konfiguracji „front” dla próbek kleju Eko Solder AX201 na podłożu miedzianym. x=0.24, R= -0.65 • =0.012×10-4[m2×s-1] e=0.619×104[J×m.-2×s-1/2×K-1]=6.7-7.8 [J×m.-1×K-1×s-1] c=1782 [Jkg-1K-1]

  26. 1.Wyznaczanie parametrów termicznych metodą piezoelektryczną • Widmo współczynnika absorpcji optycznej krzemu w 300K • Piezoelektryczne widma amplitudowe krzemu policzone dla: =0.1cm2/s (linia 1), 0.2cm2/s (linia 2), 0.41cm2/s (linia 3), 0.6 1cm2/s (linia 4), l=0.075 cm, f=200 Hz,R=1

  27. 2.Wyznaczanie parametrów termicznych metodą piezoelektryczną • Teoretyczne piezoelektryczne widma fazowe krzemu • Teoretyczne piezoelektryczne charakterystyki częstotliwościowe krzemu • =0.1cm2/s (linia 1), 0.2cm2/s (linia 2), 0.41cm2/s (linia 3), 0.6 1cm2/s (linia 4), l=0.075 cm, f=200 Hz,R=1

  28. 3.Wyznaczanie parametrów termicznych metodą piezoelektryczną • Charakterystyki fazowe sygnału PZE kryształu ZnSe. 1-=0.01 cm2/s, 2-=0.05 cm2/s, 3 -=0.1 cm2/s, 4 -=0.2 cm2/s Grubość próbki l=0.081 cm, kółka – wyniki doświadczalne • Charakterystyki fazowe sygnału PZE kryształów Zn0.83Be0.17Se. 1-=0.01 cm2/s, 2-=0.05 cm2/s,3 -=0.1 cm2/s, 4 -=0.1 cm2/s. Grubość próbki l=0.1161 cm. Kółka –wyniki doświadczalne

  29. 4.Przykładowe wyniki pomiarów dyfuzyjności termicznej [cm2/s]

  30. 1.Spektroskopia fotoakustyczna Analiza widm mikrofonowych • Model próbki p-p z warstwą powierzchniową • Zmodyfikowana zależność na sygnał FA

  31. 2.Spektroskopia fotoakustyczna Analiza widm mikrofonowych • Widmo współczynnika absorpcji kryształu Zn0.8Mg0.14Be0.06Se • Widmo współczynnika absorpcji kryształu Zn0.8Mg0.14Be0.06Se w obszarze krawędzi Urbacha dla dla =0.6 i =1

  32. 3.Spektroskopia fotoakustyczna Analiza widm mikrofonowych fazowych • Widma fazowe FA kryształu Zn0.8Mg0.14Be0.06Se dla f=21 Hz oraz f=42 Hz • Linia przerywana – model Poulet’a, linia ciągła – model warstwowy, krzyżyki- wartości doświadczalne

  33. 4.Spektroskopia FA mikrofonowa - możliwości określania parametrów Dla kryształów Zn0.8Mg0.06Be0.14Se analiza zmian zachodzących w próbkach :po hodowli, po wygrzewaniu w parach cynku, po wygrzewaniu i mechanicznym polerowaniu

  34. 5.Spektroskopia FA mikrofonowakryształów CdTe w 300 K • Widmo współczynnika absorpcji optycznej CdTe w temperaturze pokojowejEg=1.495 eV • Widma fazowe FA kryształu CdTe dla różnych częstotliwości modulacji.K=50.

  35. Modele warstwowe w spektroskopii PZE 1.Model kryształu jednorodnego 2.Model warstwy nieaktywnej 3.Model warstwy zubożonej 4.Model warstwy wzbogaconej 5.Model kryształu niejednorodnego 6.Model superpozycji Zastosowanie modeli warstwowych 1.Kryształy GaAs,Cd0.73Mn0.27Te 2.Kryształy Si, kryształy mieszane Zn0.74Be0.26Se, CdTe 3.Kryształy mieszane Zn0.75Mg0.25Se 4.Kryształy mieszane Cd0.33Mn0.67Te 5.Kryształy mieszane Zn1-xBexTe 6.Kryształy mieszane Cd0.51Mn0.49Te Spektroskopia piezoelektryczna

  36. 1.Model kryształu jednorodnego • Widma amplitudy a) oraz fazy b) sygnału PZE próbki GaAs uzyskane dla częstotliwości f=400 Hz (linia-ciągła) oraz f=800 Hz ( linia przerywana) • Eg=1.42eV,A0=10000cm-1eV-1/2,o=500cm-1,=2,kT=0.025eV, =0.12cm2/s , l=0.053 cm

  37. 2.Model warstwy nieaktywnej • Widma amplitudowe i fazowe PZE wygrzewanego kryształu Zn0.74Be0.26 Se dla częstotliwości f=16Hz i grubości próbki l=0.08 cm , Eg=2.77 eV , =0.01 cm2/s

  38. 3.Model warstwy zubożonej • Widma amplitudowe PZE kryształu mieszanego Zn0.75Mg0.25Se w 300 K dla częstotliwości modulacji f=16 Hz, grubości próbki l=0.1 cm oraz kilku grubości warstwy nieaktywnej : linia 1 =0 cm, 2 =0.0005 cm, 3 =0.0014 cm,=0.03 cm2/s • Widmo amplitudowe PZE kryształu Zn0.75Mg0.25Se po wygrzewaniu w parach cynku.

  39. 4.Model warstwy wzbogaconej • Widmo amplitudowe PZE kryształu Cd0.33Mn0.67Te. Parametry dopasowania: Eg1=2.16 eV, Eg2=2.34 eV, 1=0.5, 2=0.5, o1=150 cm-1,o2=150 cm-1, 1=0.0017cm, 2=0.020cm, =0.1 cm2/s , R=1, l=0.1, f=76Hz. Kółka- wyniki doświadczalne, linie ciągłe- krzywe teoretyczne

  40. 5.Model kryształu niejednorodnego • Widmo piezoelektryczne amplitudowe kryształu ZnTe dla f=16 Hz,R=-0.6 i =0.2 cm2/s, l=0.1 cm,Eg=2.28 eV.

  41. 5.Model kryształu niejednorodnego • Widma amplitudowe sygnału PZE kryształów Zn0.93Be0.07Te dla różnych częstotliwości modulacji w temperaturze pokojoweja) f=3 Hzb) f=16 Hzc) f=36 Hz • Eg1=2.31 eV, Eg2=2.35 eVk=0.4

  42. 5.Model kryształu niejednorodnego • Widma amplitudowe sygnału PZE kryształów Zn0.93Be0.07Te dla różnych częstotliwości modulacji w temperaturze pokojowej d) f= 76 Hz e) f= 126 Hz ,Eg1=2.31 eV, Eg2=2.35 eV, k=0.4.

  43. 6.Model superpozycji • Widma doświadczalne i teoretyczne PZE a) amplitudowe i b) fazowe kryształu Cd0.51Mn0.49Te • Parametry obu obszarów krystalicznych przyjęte do obliczeń: Eg1=2.035 eV, 1=0.5, Eg2=2.105 eV,2=0.9, =0.1 cm2/s, f=76 Hz, 1=0.005 cm, 2=0cm. R=1, k=0.3, l=0.1 cm.

  44. 1.Model dwóch warstw na termicznie grubym podłożu 2.Model trzech warstw 3.Model warstwy na podłożu termicznie grubym 4.Model dwóch warstw przezroczystych 1.Obliczenia modelowe struktur tranzystorowych na ażurze 2.Analiza jakości adhezji warstw klejowych do podłoża 3.Analiza efuzyjności termicznej cieczy 4.Analiza widmowa krzemu porowatego na krzemie krystalicznym Analiza fotoakustyczna układówwarstwowych

  45. 1.Model dwóch warstw na termicznie grubym podłożu

  46. 1.Analiza jakości lutowania struktur tranzystorowych do ażuru • Teoretyczne zależności fazy sygnału FA od częstotliwości modulacji dla różnych wartości rozwarstwień linia 1 –0.025 m, 2 -0.05m , 3 - 0.075m, 4 - 0.1 m, 5-0.15m, 6 – 0.2 m. • Wyniki doświadczalne korelacji fazy sygnału FA i siły zrywania struktur od ażuruSM=S1( d2=0 m)p + S2(d2=0.1 m)(1-p)

  47. 2.Model trzech warstw • Układ struktury trójwarstwowej • Zależności na Tf oraz Tr

  48. 2.Jakość adhezji warstw klejowych • Przykładowe charakterystyki doświadczalne przesunięcia fazy uzyskane w konfiguracj „rewers” dla warstw klejowych przewodzących Eko Solder , S3-rozwarstwienie d2=0m, S1-rozwarstwienie d2=0.045m, S2- d2=0.085m.

  49. 3.Model warstwy na podłożu termicznie grubym • Temperatura Tf –cienka warstwa na termicznie grubym podłożu • Temperatura Tf- układ dwóch cienkich warstw

  50. 3.Pomiary efuzyjności cieczy na membranie • Charakterystyki częstotliwościowe FA układu woda na membranie aluminiowej o grubości 40m. Oznaczenia: linia 1-R=1(powietrze), linia 2-R=0.905 (woda), linia 3- R=0.75, • Charakterystyki częstotliwościowe FA układu alkohol etylowy na membranie aluminiowej 40m. Oznaczenia: linia 1-R=1 (powietrze), linia 2- R=0.95 (alkohol), linia 3 -R=0.75

More Related