pump-probe XAFS
◆装置概要
BL39XUやBL25SU等の顕微分光測定装置では、電子デバイス等を対象としてサンプル刺激とX線照射タイミングを同期させる機能を付加することによって、最高40psまでの時間分解能を持たせた測定が行われています。また、この装置は必要に応じてSPring-8の多くのBLの測定装置に適応することが可能です。写真はX線シングルバンチを切り出すX線チョッパー(左)と、X線と同期してサンプルを刺激するタイミング回路(右)です。
◆装置の特徴
各ビームラインにおいて開発された測定手法に、X線照射とサンプル刺激を同期させることによって時間分解能を持たせた測定を付加することが出来ます。X線チョッパーによりシングルバンチを切り出す、ゲート回路でX線の信号収集の時間にゲートをかける等の方法を用いることによって、X線パルスの時間幅である60ps(Hモード)や40ps(Aモード)までの時間分解能測定を実現させています。これはBL39XUやBL25XU、BL17SUの顕微分光装置に限らず、マクロな測定でも同様に適応できます。BL02B1やBL40LXUのX線回折測定装置、BL19XU、BL47XUのHAX-PES測定装置でも同様の時間分解測定が行われています。◆装置アクセサリー
Pump-probe時間分解測定では、試料を刺激(pump)し反応させ、一定時間後にX線を照射(probe)して、試料の過渡的な状態変化を観察します。
・Pump:
この刺激としては、パルスレーザーによる光刺激か、電気刺激が用いられています。BL17SU、BL19LXU、BL25SU、BL40XUにはフェムト秒チタンサファイアレーザーが設置されていまして、それぞれ、1kHz(BL17SU、BL40XU), 5kHz(BL25SU), 10kHz(BL19LXU)の繰り返し周波数で測定がおこなわれています。これらのパルスレーザーパルス幅と波長は170fs、800nm(倍波も利用可能)です。電気刺激の場合は、繰り返し周波数や電圧等、サンプル刺激の自由度は高く、最高周波数6GHzのRF印加から、1kHz、10kVの高電圧印加まで、測定対象に応じた幅広い範囲で対応ができます。また、ユーザー持ち込みの刺激源も利用可能です。
・Probe:
サンプル刺激と同期してX線を照射して任意の時間の状態を観察します。この任意の時間のX線を取り出すためにX線チョッパーが用いられています。フェムト秒レーザーが設置されているBLにはその周波数に応じたX線チョッパーが設置されてます。また、電気刺激による時間分解測定が行われるBL39XUやBL13XU等では可搬型の小型チョッパーも用いられており、これらは1kHzからSPring-8の周回周波数である208.8kHzまでの幅広い切り出し周波数に対応しており、測定対象に応じてチョッパーを選択することが出来ます。
◆実験・試料準備
BL17SUやBL25SUにおける軟X線BLの測定や、BL19LXUのHAX-PESの測定ではX線照射によって試料から放出される電子が測定対象であるため、基本的には絶縁体は測定が困難です。絶縁体ではX線照射によって電子が放出され続けるが、導電性がないためX線照射部分には電子は供給されず正に帯電し、電子が放出されなくなる現象(チャージアップ)が起きてしまうためです。試料表面にごく薄くAl等の導電体を蒸着するなどの方法で導電性をもたせることによりこの現象を回避できる場合もあります。
電気刺激時間分解測定の場合、事前に配線を済ませた試料を多数準備して来てください。測定時に配線が外れるトラブルが多発しており、BLの現場で再配線することが出来ず実験が中止となる場合もあります。このため、配線済みの試料を多数準備していただきことをおすすめしています。また、プローバーシステムの構築も検討しております。
BL39XUの顕微分光測定装置を用いた電子デバイスの時間分解測定の場合、対象試料は数100nm以下と薄いため蛍光X線をprobeとする場合が大半です。硬X線の場合、試料を通り抜け、後ろの基盤や回路等もX線で励起され、蛍光X線を発生させます。対象元素の蛍光X線検出の妨害源となる場合もありますので、事前に試料構造の検討を行ってください。また、電子デバイスではサンプルの基盤にシリコンウェハーを利用する場合が多いのですが、このシリコンウェハーからX線回折が蛍光X線検出の妨害源となる場合もあります。ガラス等のアモルファス基盤を用いることも検討してください。
◆実験手順・注意事項
Pump-probe時間分解測定ではA-modeにおける全てのX線パルスとpumpの完全同期測定以外は、必要なタイミングのX線を切り出して測定するため、観測されるX線の強度が数%から数万分の一と通常の測定に比べて非常に弱くなってしまい多くの測定時間を必要とします。
課題申請時には、この事を強く留意して頂く必要があり、通常の数倍のマシンタイムを申請するようにしてください。
BL25SUやBL39XU等顕微分光測定の場合、数100nm以下と非常に小さいビームを利用します。
また、その測定対象もミクロン以下と非常に小さい場合が大半です。
XMCDやXAFSスペクトル測定を行うにはこの2つを一致させる必要があります。
これらのビームラインではon the flyによる通常よりも速いイメージ測定を行うことはできるのですが、測定位置を調整する作業には一般に長時間を必要とします。
試料に測定位置を示すマーカー等を予め設置することにより測定位置の調整作業は短縮できる場合もありますのでご検討ください。
またBL39XUではキネマティックマウントの試料ホルダーと光学顕微鏡を利用したオフライン試料位置調整装置が準備されています。
これにより、オフラインにて数ミクロン程度の精度で位置を設定することが可能となっています。
◆問い合わせ先
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Pump-Probe XAFS
◆Equipment overview
Microspectrometry measurement equipment at BL39XU and BL25SU are used for measurements with a time-resolution of up to 40 ps. This is performed by adding a function to synchronize the sample stimulation and X-ray irradiation timing for electric devices. In addition, the measurement equipment can be adapted to many SPring-8 BL as necessary. Pictured is an X-ray chopper (left) that cuts out an X-ray single bunch, then the timing circuit (right) stimulates the sample which is synchronized with the X-rays.
◆Features of the Equipment
Measurement techniques developed in each beamline can be integrated with synchronized time-resolved measurements of X-ray irradiation and sample stimulation. The X-ray chopper selects and extracts a single bunch, then by using a dialing method the signal time is collected at the gate circuit, allowing for X-ray pulse time-resolution measurements up to 60 ps (H mode) and 40 ps (A mode). This is not limited to BL39XU and BL25XU, and the microspectrometry equipment of BL17SU can be adapted to macro measurements as well. Similar time-resolved measurements are performed on the BL02B1 and BL40LXU X-ray diffraction measurement equipment and the BL19XU and BL47XU HAX-PES measurement equipment.◆Equipment accessories
In the Pump-Probe time-resolved measurements, the sample is stimulated (pump) to react, then after a period of time, it is irradiated with X-rays (probe) to observe the state of change of the sample.
・Pump:
To stimulate, a pulse laser or electric stimulation is used as the stimuli. Femtosecond titanium sapphire lasers are installed in beamlines BL17SU, BL19LXU, BL25SU and BL40XU, which are measured at repeated frequencies 1kHz (BL17SU, BL40XU), 5kHz (BL25SU) and 10kHz(BL19LXU). These pulse lasers have pulse widths and wavelengths of 170fs and 800nm respectively (coupling is also available). In the case of electric simulation, the degree of freedom of sample simulation, such as repeat frequency and voltage is high. This can be completed over a wide range according to the measurement objective, from RF applications with a maximum frequency of 6GHz to high voltage applications from 1kHz and 10kV. In addition, user provided stimulation sources are also available to be used.
・Probe:
X-rays are irradiated in sync with the sample stimulus to observe the state at any time. An X-ray chopper is used to extract X-rays at any time. The BL which have femtosecond lasers installed have X-ray choppers according to the necessary frequencies. In addition, small, portable choppers are available in BL39XU and BL13XU, which can perform time-resolved measurements by electrical stimulation, and these correspond to a wide cutting frequency range from 1kHz to 208.8kHz, which is the orbital frequency of SPring-8. The chopper can also be selected according to the measurement objective.
◆Experiment / sample preparation
It is difficult to measure insulators since the electrons emitted from the sample by X-ray irradiation are measured from soft X-ray BLs at BL17SU and BL25SU, as well as the HAX-PES measurements of BL19LXU. This is because the insulator continues to emit electrons during X-ray irradiation, but since there is no conductivity, electrons are not supplied to the X-ray irradiation elements and it becomes positively charged, causing a phenomenon (charge-up) in which electrons are not emitted. In some cases, this phenomenon can be avoided by making the sample surface conductive by depositing a very thin conductor, such as AI, on the surface of the sample.
For electrical stimulation time-resolution measurements, please prepare a large number of samples that have been wired in advance. A common issue is that the wiring comes off during the measurement, and there is a possibility that the experiment must be cancelled because it cannot be rewired at the BL site. For this reason, it is recommended that you prepare a large number of pre-wired samples. We are also considering building a prober system.
In the case of time-resolution measurements of electron devices using BL39XU microscopic spectrum measurement devices, fluorescent X-rays are often used as probes since the target sample is as thin as several hundred nm or less. In the case of hard X-rays, it passes through the sample and X-rays also excite the substrate and circuits as well, generating X-ray fluorescence. Please examine the sample structure in advance to ensure it does not interfere with the detection of the X-ray fluorescence of the target element. In addition, electronic devices often use a silicon wafer as the base of the sample, but X-ray diffraction from this silicon wafer may also interfere with X-ray fluorescent detection. Please consider using an amorphous base such as glass.
◆Experimental procedure / precautions
In pump-probe time-resolved measurements, except for fully synchronized measurements of all X-ray pulses and pumps in A-mode, X-rays at the required timing are cut out and measured. Because of this, the intensity of the observed X-rays are very weak, from a few percent to tens of thousands of times compared to the normal measurements, requiring a lot of measurement time.
It is necessary to keep this in mind when applying for an assignment, and plan to apply for machine time several times longer than usual.
For microspectrometry measurements, such as the ones done with BL25SU and BL39XU, a very small beam of several hundred nm or less are used.
In addition, the measurement target is also very small, of microns or less.
XMCD and XAFS spectral measurements require that the two must match.
Although these beamlines allow for faster-than-usual image measurements, on the fly, adjusting the measurement position generally requires a long time.
Please consider that the adjustment operation of the measurement position may be shortened by installing a marker or something similar, to indicate the measurement position of the sample in advance.
The BL39XU is also equipped with a kinematic mount sample holder and an offline sample position adjuster which uses an optical microscope.
This makes it possible to set the position offline with an accuracy of several microns.
◆Contact
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