VTEC

Vacuum & Temperature Electronic Characterization (VTEC)

Daniele M. Trucchi  -

DiaTHEMA Lab

 
Il VTEC (Vacuum & Temperature Electronic Characterization) è un sistema che permette la caratterizzazione elettrica dei materiali in condizioni di ultra-alto-vuoto (con pressioni dell’ordine di 10-7 mbar) in funzione della temperatura: all’interno della camera sono infatti presenti 3 portacampioni che permettono la caratterizzazione a temperature moderate (fino a 600 °C), elevate (fino a 1000 °C) e ultra-elevate (fino a 1800 °C).  
 
Lo stage a temperatura moderata è configurato per essere illuminato da una sorgente di illuminazione esterna attraverso una finestra di silice di grado UV al fine di eseguire misurazioni della fotoconducibilità spettrale e fotoemissione totale.
 
Lo stage di temperatura elevata è configurato per essere illuminato da una sorgente di illuminazione esterna attraverso una finestra in MgF2 (trasparente nel visibile), particolarmente indicato per la caratterizzazione di materiali che sfruttano la photon-enhanced thermionic emission (PETE).
 
Completa la dotazione della camera un vasto assortimento di strumentazione utile alla caratterizzazione elettrica, quali picoammetri (HP4140B, Keithley 487), sorgenti di tensione e di corrente (Keithley 6220), elettrometri e source meter (Keithley 6517A, 617, 2440), nano-voltmetri (Keithley 2182), generatori d’onda (Keithley 3390), analizzatori di impedenza e di fase (Solartron 1255, 1260, HP 4192A, HP 4275A).
 
 

SPECIFICHE TECNICHE

  • Pressione base 10-7 mbar;

  • 3 stage di riscaldamento: bassa temperatura (fino a 600°C), media temperatura (fino a 1000°C), alta temperatura (fino a 1800°C);  

  • Riscaldamento con laser a diodo Lumics LuOcean P2 (potenza massima di radiazione in onda continua di 250 W e lunghezza d'onda di 808 nm)

  • Caratterizzazione elettrica dei campioni in funzione della temperatura;

  • Possibilità di illuminazione con sorgente esterna sugli stage a temperatura moderata e elevata.

TECNICHE DISPONIBILI

VTEC - Impedance spectroscopy

La spettroscopia di impedenza è uno strumento molto utile per studiare le proprietà dielettriche e di trasporto di materiali complessi. L'obiettivo sperimentale è misurare i contributi di resistenza, capacità e induttanza forniti da un materiale o da un dispositivo quando viene applicato un ingresso elettrico modulato nel tempo.
L'input elettrico applicabile può essere:

  • Bias DC fino a 20 V
  • Il segnale di polarizzazione AC può arrivare fino a 1 V picco-picco
  • Frequenza di modulazione fino a 20 MHz.

Le misurazioni possono essere eseguite nello stage a temperatura moderata fino a 600 °C.

VTEC - Four-point-in-line probe in T @ 600 °C

La sonda a quattro punti in linea è una tecnica per derivare la resistenza dello strato di un film e, se lo spessore è noto, la sua resistività. I punti esterni della sonda iniettano una data corrente, mentre quelli interni misurano la caduta di tensione corrispondente. In questo modo viene esclusa dalla misura qualsiasi resistenza di contatto e resistenza in serie che non sia il film sotto test.
La polarizzazione dell'ingresso elettrico è caratterizzata da:

  • Correnti da pA a mA;
  • Tensione misurabile da nV a 100 V,
  • Resistenza massima di 108 Ω.

Le misurazioni possono essere eseguite in modalità di contatto continuo fino alla temperatura di 250 °C e in modo intermittente (la sonda può essere traslata verticalmente) nello stage a temperatura moderata fino a 600 °C.

VTEC - Van der Pauw electrical characterization @ RT

La configurazione Van der Pauw ha lo scopo di misurare la resistenza di strato di un film e si differenzia dalla sonda collineare a 4 linee per la geometria, poiché prevede una simmetria speculare lungo le due direzioni del piano del film. Tali misurazioni sono eseguite a temperatura ambiente in aria.

VTEC - Thermionic electron emission

Le misurazioni di emissione termoionica possono essere eseguite fino a 1000 o 1800 °C, a seconda del tipo di stage usato, per caratterizzare la capacità di emissione di elettroni di un materiale in modo da derivarne la funzione di lavoro e la costante di Richardson. Anche il comportamento dei collettori termoionici può essere caratterizzato su uno stadio combinato, in grado di raggiungere temperature <500 °C.
Caratteristiche corrente-tensione complete possono essere ottenute regolando la tensione di polarizzazione dal regime di rallentamento a quello di accelerazione degli elettroni emessi.
Illuminando il campione nello stage ad alta temperatura attraverso una finestra al fluoruro di magnesio o due fibre ottiche, è possibile eseguire misure photon-enhanced thermionic emission fino a circa 800 °C.

VTEC - Spectrally resolved total photoemission yield

L'abbinamento con una lampada al deuterio e un monocromatore consente l'illuminazione dello stage a temperatura moderata con una radiazione a lunghezza d'onda compresa tra 190 e 550 nm.
Un anodo a griglia raccoglie gli elettroni emessi, consentendo così di stimare l'efficienza quantica di emissione del materiale, il valore della funzione di lavoro e l'affinità elettronica nel caso di semiconduttori.

 

CAMPIONI

  • Dimensioni massime laterali:

    • 20x20 mm2 (stage a temperature moderata);

    • 100 mm di diametro (stage a temperature elevata)

    • 50 mm di diametro (stage a temperature ultra-elevata)

 

UTILIZZATO PER

  • Semiconduttori a larga band gap;
  • Semiconduttori III-V;
  • Metalli refrattari;
  • Celle fotovoltaiche;
  • Sistemi ibridi Termoionico-fotovoltaici;
  • Sistemi basati su photon-enhanced thermionic emission.
 
 

ESEMPI APPLICATIVI

Photovoltaic Anodes for Enhanced Thermionic Energy Conversion

I convertitori termoionici sono macchine termiche basate sull’emissione diretta di elettroni da un catodo (caldo) verso un anodo (freddo). L’emissione termoionica è inevitabilmente accompagnata dall’emissione radiativa di fotoni, che rappresenta una significativa sorgente di perdita di efficienza.  La caratterizzazione elettrica di un sistema ibrido termoionico-fotovoltaico (TIPV), che sfrutta cioè sia l’emissione di elettroni che quella di fotoni, ha permesso di dimostrare non solo che il sistema TIPV ha un boost di tensione di 1V rispetto al sistema classico termoionico realizzato con gli stessi materiali (e operante nelle stesse condizioni, ma è anche una prima verifica, per i sistemi TIPV, di convertire efficacemente il calore in elettricità.
 
Si veda: Riferimenti: A.Bellucci et al., ACS Energy Lett.  5 (2020) 1364-1370
 
 
Utilizziamo cookie essenziali per il funzionamento del sito. Puoi decidere tu stesso se consentire o meno i cookie. Ti preghiamo di notare che se li rifiuti, potresti non essere in grado di utilizzare tutte le funzionalità del sito.