WO2016005516A1 - Method and device for x-ray analysis - Google Patents

Method and device for x-ray analysis Download PDF

Info

Publication number
WO2016005516A1
WO2016005516A1 PCT/EP2015/065739 EP2015065739W WO2016005516A1 WO 2016005516 A1 WO2016005516 A1 WO 2016005516A1 EP 2015065739 W EP2015065739 W EP 2015065739W WO 2016005516 A1 WO2016005516 A1 WO 2016005516A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sample
designed
debye
intensity
stress
Prior art date
Application number
PCT/EP2015/065739
Other languages
German (de)
French (fr)
Other versions
WO2016005516A9 (en
Inventor
Anatoliy Slobodskky
Taras Slobodskky
Wolfgang Hansen
Original Assignee
Universität Hamburg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Universität Hamburg filed Critical Universität Hamburg
Publication of WO2016005516A1 publication Critical patent/WO2016005516A1/en
Publication of WO2016005516A9 publication Critical patent/WO2016005516A9/en

Links

Classifications

    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N23/00Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00
    • G01N23/20Investigating or analysing materials by the use of wave or particle radiation, e.g. X-rays or neutrons, not covered by groups G01N3/00 – G01N17/00, G01N21/00 or G01N22/00 by using diffraction of the radiation by the materials, e.g. for investigating crystal structure; by using scattering of the radiation by the materials, e.g. for investigating non-crystalline materials; by using reflection of the radiation by the materials
    • G01N23/2055Analysing diffraction patterns
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/60Specific applications or type of materials
    • G01N2223/607Specific applications or type of materials strain
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N2223/00Investigating materials by wave or particle radiation
    • G01N2223/60Specific applications or type of materials
    • G01N2223/645Specific applications or type of materials quality control

Definitions

  • the present invention relates to a method for the evaluation of scatter signals on an X-ray analysis device as well as a device for X-ray analysis of a sample with crystalline substances.
  • the Debye-Scherrer method is used to study and identify crystalline substances in powder form.
  • randomly arranged crystals are bombarded with monochromatic X-ray beams in a layer.
  • circular patterns form in the diffractogram.
  • the X-rays hit a crystalline particle sample just to satisfy the Bragg condition, the X-rays are diffracted and mutually reinforce each other in a constructive interference.
  • a cone forms, which shows up as a circular pattern on the diffractogram or a digital detector.
  • Debye-Scherrer rings provide information about the spacing of the lattice planes and allow conclusions to be drawn about the present crystal system with its respective lattice constants.
  • DE 10 2012 217 419 A1 discloses an analysis method for X-ray diffraction measurement data.
  • peak positions and integrated intensities of a diffraction X-ray beam are determined on the basis of X-ray diffraction beam measurement data, counting the number of determined peaks of the diffraction X-ray beam.
  • a quantitative analysis of the quantities of material contained in the sample can be carried out by evaluating integrated intensities of the diffraction x-ray beam.
  • DE 101 60 326 A1 discloses a method and a device for determining a plurality of crystallographic directions in the orientation of single crystals. This is measured by rotating the single crystal in a single direction with the aid of an energy-resolving detector. The energy-dissipating detector is positioned in such a way that the energy of the beams diffracted at different network levels is registered in the detector and from whose energy the orientation of the different network levels in the single crystal is calculated.
  • EP 1 650 558 A1 has disclosed an X-ray diffractometer in which diffracted and fluorescent X-ray radiation can be detected simultaneously with an X-ray detector using non-monochromatic X-ray light.
  • WO 2006/047267 A2 discloses a method and a device for suppressing fluctuations in the measurement signals of an X-ray analysis system. From US 2013/0089182 AI an evaluation system is known, can be detected with the plastic deformation on the surface of treated materials.
  • DE 698 22 556 T2 has disclosed polybenzazole fibers with a high tensile modulus of elasticity and a process for their preparation.
  • a small-angle X-ray scattering is used, in which a mechanical stress on the fiber is varied.
  • the measurements and evaluation methods give no indication of rotation of individual crystals.
  • US 2014/0093052 A1 has disclosed an in-situ measurement of an electrochemical cell in which small-angle scattering is used to detect changes in the battery cell during charging and discharging.
  • the measurements and evaluation methods give no indication of rotation of individual crystals.
  • the invention has for its object to provide a method for the evaluation of scattering signals and a device for X-ray analysis, which provide additional information about the behavior of crystals and in particular of nanocrystals in the sample.
  • the method according to the invention is provided and intended for the evaluation of signals on an X-ray analysis device which is suitable for the analysis of a sample of crystalline substances.
  • the method according to the invention provides for a series of individual steps. First, the sample to be analyzed is irradiated with X-radiation and recorded the scattered X-radiation with a detector. In a subsequent step, a stress parameter, which can also be understood as a stress parameter, is changed for the sample and the recording of the scattered X-radiation is repeated. In a subsequent step, the records are subtracted in pairs at different stress parameters. The resulting difference images relate respectively to two different values of the stress parameter.
  • At least one of the difference images is analyzed as to whether one or more regions within the recorded Debye-Scherrer rings have greater intensity or intensity variations than the remaining Debye-Scherrer rings.
  • individual crystals ie individual sections within the Debye-Scherrer rings, can change their position in the sample. Disproportionately large intensities or intensity changes will occur as a result of these positionally altered crystals.
  • Other parameters such as irradiation angle, detector angle, orientation of the sample or the like, are not changed or only in a systematic manner.
  • the difference image would be, apart from natural fluctuations in the measurement, without change.
  • the invention is based on the recognition that stress parameters can lead to significant changes in the difference images. By changing the stress parameters, individual crystals, while maintaining their position, change their orientation in the crystal.
  • at least one difference image is analyzed as to whether one or more reflections within the indicated Debye-Scherrer rings have a greater intensity change than the surrounding reflections of the Debye-Scherrer rings. Also, a quantitative analysis is made of the degree to which crystals contained in the sample are rotated.
  • the stress parameter consists of an applied voltage or a current flowing through the sample. Voltage and / or current may be applied to the sample in a time constant or periodic manner. Other preferred stress parameters are electrical and / or magnetic fields which act on the sample. Likewise, electromagnetic waves, standing or running on the sample can be applied. Furthermore, mechanical forces can also be used as stress parameters for the sample. In the case of the stress parameters, it is sometimes known that these, such as a pressure, can also lead to a change in the lattice constants in a crystal without the crystal changing its orientation.
  • an analysis of the difference images distinguishes between two possible types of behavior.
  • an area of the Debye-Scherrer rings loses intensity while an adjacent area increases in intensity.
  • the local intensity varies from a single region of the ring.
  • it can be determined as a function of the stress parameters about which axis a rotation takes place in the sample.
  • a particularly preferred method for evaluating the difference images is also the determination of the number of areas varying in brightness. This can provide information on how many of the crystals in the sample are rotated under the stress parameter in the sample. This can provide information about the quality of the sample, for example the efficiency of a solar cell.
  • the object of the invention is also achieved by a device for X-ray analysis of a sample with crystalline substances.
  • the device has a detector for detecting X-ray radiation scattered on the sample in a two-dimensional recording.
  • the apparatus has a sampling device designed to apply different stress parameters to the sample.
  • the evaluation unit is designed to subtract from each other at least one pair of records of an altered stress parameter for the sample captured images to a differential image.
  • the evaluation unit is also designed to evaluate at least one difference image as to whether one or more regions within the recorded Debye-Scherrer rings have greater intensity and / or intensity changes than the remaining regions of the Debye-Scherrer rings.
  • it can be evaluated with the device according to the invention for X-ray analysis as to whether and to what quantitative extent crystals contained in the sample are rotated by a change in the stress parameter.
  • the evaluation unit is equipped with a memory which is designed to store a plurality of the difference images.
  • a series of difference images allows a detailed detailed analysis to what extent and with what dependence on a varying stress parameter individual crystals rotate.
  • the sample device is designed to change stress parameters for the sample.
  • the other parameters for recording the acquired image are not varied, so that every significant signal in the difference image is caused by the variation of the stress parameter.
  • the sample device is designed to vary a voltage or a current of the sample.
  • the sample device can be provided, for example, with electrical contacts, via which the voltage or the current can be applied as a parameter to the sample.
  • the sample device can be designed to apply an electrical or magnetic field acting on the sample as a stress parameter to the sample.
  • the orientation of the field can also be a varying stress parameter.
  • the field is designed as an electromagnetic wave, which may be a standing or an ongoing electromagnetic wave. It is also possible that the sample device is designed to generate a mechanical force as a varying stress parameter on the sample.
  • a preferred embodiment of the invention is to use the method according to the invention for a crystal provided as a solar cell in order to define a critical number of regions of the recorded Debye-Scherrer rings with greater intensity and / or intensity change and to use the crystal only as a solar cell. if the number of measured areas is smaller as a critical number of areas.
  • the intended use of the method according to the invention is based on the insight that crystals provided as solar cells sometimes have a different efficiency in power generation.
  • One of the decisive factors is whether and to what extent crystals in the solar cell can rotate under a stress parameter, such as an applied DC voltage. If many crystals can rotate, it is to be expected that the sample has a lower efficiency than solar cell.
  • 1 is a schematic representation of the structure for X-ray analysis with schematically drawn diffraction vectors and a two-dimensional detector
  • Fig. 3 is a schematic view of the Debye-Scherrer rings
  • FIG. 1 shows an X-ray source 10 in a schematic view with a collimated X-ray beam 12 impinging on a sample layer 14.
  • the scattered X-ray radiation hits, as schematically illustrated, on the detector 16, the corresponding points pi correspond to p 3 on the detector 16 to the different diffraction vectors qi-q. 3
  • FIG. 2 shows a schematic view of the effect of a crystal 18 rotating about an axis, here the q x axis. It can be clearly seen that in the reciprocal space the detector 16 has a curved surface and the scattering image 20 of the crystal 18 moves with the movement of the q-vector through the detector.
  • the reciprocal space is essentially the Fourier transformed space of the waves.
  • Fig. 3 shows the images obtained in the structure of FIG. 1 to individual Debye-Scherrer rings 22.
  • the measured sample is a solar cell of the type Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS).
  • the solar cell contains, among other layers, an active CIGS layer with a thickness of 1 ⁇ m.
  • a DC voltage of -1.2 V to + 1.2 V was changed step by step on the sample.
  • the difference image shown in FIG. 4 corresponds to a voltage at 0 V and a voltage at 0.915 V.
  • the points marked 1 and 2 are of particular interest. They lie on the 112 diffraction ring and have increased significantly in intensity. This means that corresponding crystals have rotated by the applied voltage in an angular position that meets the diffraction condition.
  • Point 3 is on the (220) / 204 diffraction ring. At this point, the diffraction intensity has clear decreased, that is, that a crystal has moved out of its diffraction condition by the applied voltage.
  • Point 4 lies on the same diffraction ring as. The intensity profile of this point consists of two adjacent regions with different signs. This pattern corresponds to the rotation of the corresponding crystallites in the detector plane, as already described. Such signals are statistically expected.
  • region 5 which is contained in the molybdenum ring and contains two lines. Since the crystals in this layer are much smaller and contributions from individual crystals overlap, they can not be distinguished. Therefore, the region 5 is due to a piezoelectric change in the lattice constant due to the applied voltage.
  • FIGS. 5a and 5b show detail enlargements of individual points appearing in the difference image.
  • Figure 5a shows a point created by rotation of the crystal perpendicular to the detector plane. This point is characterized by having a large intensity change.
  • Fig. 5b shows a colon with a decrease in intensity, for example in the region A and an increase in intensity, for example in the region Z. Such a colon in the difference image corresponds to a crystal rotation about an axis which lies in the detector plane.
  • the invention makes it possible to measure and analyze the behavior of individual crystals in a polycrystalline material by applying a stress parameter to a sample. This allows, for example, the conclusion of crystal rotation in the sample or even very low concentrations of rotating crystals in the sample. Furthermore, the invention provides a non-destructive measuring method for detecting rotating crystallites in a sample.
  • the invention allows conclusions to be drawn on the efficiency of the solar cell by analyzing differential diffraction patterns.

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Analysing Materials By The Use Of Radiation (AREA)

Abstract

A method for evaluating signals at an x-ray analysis device suitable for analysing a sample of crystalline substances, characterized by the following method steps: irradiating the sample with x-ray radiation, recording the scattered x-ray radiation using a detector, repeating the recording with a modified stress parameter for the sample, subtracting at least one pair of recordings at different stress parameters, analysing at least one difference image in respect of whether one or more reflections within the recorded Debye-Scherrer rings have a greater change in intensity than the surrounding reflections of the Debye-Scherrer rings, performing a quantitative analysis in relation to the extent of which crystals contained in the sample are rotated.

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Röntgenanalyse  Method and device for X-ray analysis
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Auswertung von Streusignalen an einer Röntgenanalysevorrichtung ebenso wie eine Vorrichtung zur Röntgenanalyse von einer Probe mit kristallinen Substanzen. The present invention relates to a method for the evaluation of scatter signals on an X-ray analysis device as well as a device for X-ray analysis of a sample with crystalline substances.
Das Debye-Scherrer- Verfahren dient zur Untersuchung und Identifikation kristalliner Substanzen in Pulverform. Bei dem seit 100 Jahren bekannten Verfahren werden in einer Schicht zufällig angeordnete Kristalle mit monochromatischen Röntgenstrahlbündeln beschossen. Für das gestreute Röntgenlicht bilden sich im Diffraktogramm kreisförmige Muster. Treffen die Röntgenstrahlen auf eine kristalline Teilchenprobe gerade so, dass die Bragg-Bedingung erfüllt ist, werden die Röntgenstrahlen gebeugt und verstärken sich gegenseitig in einer konstruktiven Interferenz. Ausgehend von den Gitterebenen an den streuenden Kristallen bildet sich ein Kegel, der sich als kreisförmiges Muster auf dem Diffraktogramm bzw. einem digitalen Detektor zeigt. Ändert sich die Wellenlänge der einfallenden Röntgenstrahlung entstehen Kegel mit anderen Öffnungswinkeln und es entstehen entsprechend andere Debye-Scherrer-Ringe in der Abbildung. Über die Bragg- Bedingung geben die aufgezeichneten Debye-Scherrer-Ringe Auskunft über den Abstand der Gitterebenen und erlauben Rückschlüsse auf das vorliegende Kristallsystem mit seinen jeweiligen Gitterkonstanten. The Debye-Scherrer method is used to study and identify crystalline substances in powder form. In the method known for 100 years, randomly arranged crystals are bombarded with monochromatic X-ray beams in a layer. For the scattered X-ray light, circular patterns form in the diffractogram. When the X-rays hit a crystalline particle sample just to satisfy the Bragg condition, the X-rays are diffracted and mutually reinforce each other in a constructive interference. Starting from the lattice planes on the scattering crystals, a cone forms, which shows up as a circular pattern on the diffractogram or a digital detector. As the wavelength of incident X-rays changes, cones with different angles of aperture are created and correspondingly different Debye-Scherrer rings are formed in the image. Using the Bragg condition, the recorded Debye-Scherrer rings provide information about the spacing of the lattice planes and allow conclusions to be drawn about the present crystal system with its respective lattice constants.
Aus DE 10 2012 217 419 AI ist ein Analyseverfahren für Röntgenstrahlbeugungsmessdaten bekannt. Bei dem bekannten Analyseverfahren werden Peak-Positionen und integrierte Intensitäten eines Beugungsröntgenstrahls auf der Basis von Röntgenbeugungsstrahlmessdaten bestimmt, wobei die Anzahl der bestimmten Peaks des Beugungsröntgenstrahls gezählt wird. Über die Auswertung von integrierten Intensitäten des Beugungsröntgenstrahls kann schließlich eine quantitative Analyse zu den in der Probe enthaltenen Materialmengen durchgeführt werden. Aus DE 101 60 326 AI ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung mehrerer kristallographischer Richtungen bei der Orientierung von Einkristallen bekannt. Hierbei wird unter Drehung des Einkristalls in eine einzige Richtung mit Hilfe eines energieauflösenden Detektors gemessen. Der energieauflösende Detektor wird dabei so positioniert, dass die Energie der an verschiedenen Netzebenen gebeugten Strahlen im Detektor registriert und aus deren Energie die Orientierung der verschiedenen Netzebenen im Einkristall berechnet wird. DE 10 2012 217 419 A1 discloses an analysis method for X-ray diffraction measurement data. In the known analysis method, peak positions and integrated intensities of a diffraction X-ray beam are determined on the basis of X-ray diffraction beam measurement data, counting the number of determined peaks of the diffraction X-ray beam. Finally, a quantitative analysis of the quantities of material contained in the sample can be carried out by evaluating integrated intensities of the diffraction x-ray beam. DE 101 60 326 A1 discloses a method and a device for determining a plurality of crystallographic directions in the orientation of single crystals. This is measured by rotating the single crystal in a single direction with the aid of an energy-resolving detector. The energy-dissipating detector is positioned in such a way that the energy of the beams diffracted at different network levels is registered in the detector and from whose energy the orientation of the different network levels in the single crystal is calculated.
Aus EP 2 112 505 Bl ist ein Röntgendiffraktometer zum mechanisch korrelierten Verstellen von Quelle, Detektor und Probenposition bekannt geworden. Hierzu ist ein Gestänge vorgesehen, in dem Quelle, Probenposition und Detektor zusammen angeordnet sind und verstellt werden können. From EP 2 112 505 Bl an X-ray diffractometer for the mechanically correlated adjustment of source, detector and sample position has become known. For this purpose, a linkage is provided, in which source, sample position and detector are arranged together and can be adjusted.
Aus DE 10 2012 111 504 AI ist ein Röntgenanalyseapparat bekannt geworden, der in der Lage ist, verschiedene Messmethoden aus einem Speicher in einen Computer zu laden und dort auszuführen. From DE 10 2012 111 504 AI an X-ray analysis apparatus has become known, which is able to load various measurement methods from a memory in a computer and execute there.
Aus EP 1 650 558 AI ist ein Röntgendiffraktometer bekannt geworden, bei dem unter Verwendung von nicht monochromatischem Röntgenlicht gleichzeitig gebeugte und fluoreszente Röntgenstrahlung mit einem Röntgendetektor erfasst werden können. EP 1 650 558 A1 has disclosed an X-ray diffractometer in which diffracted and fluorescent X-ray radiation can be detected simultaneously with an X-ray detector using non-monochromatic X-ray light.
Aus WO 2006/047267 A2 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von Schwankungen in den Messsignalen eines Röntgenanalysesystems bekannt. Aus US 2013/0089182 AI ist ein Auswertungssystem bekannt, mit dem plastische Verformungen auf der Oberfläche von behandelten Materialien erfasst werden können. WO 2006/047267 A2 discloses a method and a device for suppressing fluctuations in the measurement signals of an X-ray analysis system. From US 2013/0089182 AI an evaluation system is known, can be detected with the plastic deformation on the surface of treated materials.
Aus Taras Slobodskyy et al. „Three-dimensional reciprocal space profile of an individual nanocrystallite inside a thin-film solar cell absorber layer" in J. Phys. D: Appl. Phys. 46 (2013) 475104 (5pp) ist bekannt geworden, dass Röntgenbeugungssignale von individuellen Cu(In,Ga)Se2-Nanokristallen erfasst und auf Spannungen analysiert werden können. From Taras Slobodskyy et al. J.D. D: Appl. Phys. 46 (2013) 475104 (5pp) has disclosed that X-ray diffraction signals of individual Cu ("pseudo-crystalline nanocrystallites inside a thin-film solar cell absorber layer") have been reported. In, Ga) Se2 nanocrystals can be detected and analyzed for stresses.
Aus DE 698 22 556 T2 sind Polybenzazolfasern mit hohem Zugelastizitätsmodul sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung bekannt geworden. Zur Analyse wird eine Kleinwinkel-Röntgenstreuung eingesetzt, bei der eine mechanische Spannung an der Faser variiert wird. Die Messungen und Auswertemethoden geben keinen Hinweis auf Drehung einzelner Kristalle. DE 698 22 556 T2 has disclosed polybenzazole fibers with a high tensile modulus of elasticity and a process for their preparation. For analysis, a small-angle X-ray scattering is used, in which a mechanical stress on the fiber is varied. The measurements and evaluation methods give no indication of rotation of individual crystals.
Aus US 2014/0093052 AI ist eine In-Situ-Messung einer elektrochemischen Zelle bekannt geworden, bei der mit Kleinwinkelstreuung gearbeitet wird, um Veränderungen in der Batteriezelle während des Ladens und Entladens festzustellen. Die Messungen und Auswertemethoden geben keinen Hinweis auf Drehung einzelner Kristalle. US 2014/0093052 A1 has disclosed an in-situ measurement of an electrochemical cell in which small-angle scattering is used to detect changes in the battery cell during charging and discharging. The measurements and evaluation methods give no indication of rotation of individual crystals.
Aus Herklotzm, Markus et al.„Advances in in situ powder diffraction of battery materials: a case study oft he new beamline P02.1 at DESY, Hamburg" (Journal of Applied Crystallography (2013), 46, S. 1117 - 1127) ist mit Fign. 6 und 7 ebenfalls eine Untersuchung zur Veränderung der Debye-Scherrer-Ringe bekannt geworden, bei der die Veränderungen beim Laden und Entladen miteinander verglichen werden. Die Veränderungen erlauben keinen Rückschluss über einzelne Kristalle oder deren Drehung. From Herklotzm, Markus et al "Advances in in-situ powder diffraction of battery materials: a case study often he new beamline P02.1 at DESY, Hamburg" (Journal of Applied Crystallography (2013), 46, pp. 1117-1127) For example, Figures 6 and 7 also disclose a study of altering the Debye-Scherrer rings, comparing load and unload changes become. The changes do not allow any conclusions about individual crystals or their rotation.
Aus A. Bjeoumikhov et al.„Capillary optics for real time X-ray diffractometry", veröffentlicht in Journal of X-Ray Science and Technology 13 (2005), S. 185 - 190, ist bekannt geworden, dass eine CCD-Kamera für In-Situ-Pulverdiffraktion an einer kleinen Anzahl von Kristallen verwenden werden kann. Eine Drehung einzelner Kristalle wird nicht beobachtet. From A. Bjeoumikhov et al., "Capillary optics for real-time X-ray diffractometry," published in the Journal of X-Ray Science and Technology 13 (2005), pp. 185-190, it has become known to use a CCD camera for In-situ powder diffraction can be used on a small number of crystals, and rotation of individual crystals is not observed.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Auswertung von Streusignalen sowie eine Vorrichtung zur Röntgenanalyse bereitzustellen, die zusätzlichen Aufschluss über das Verhalten von Kristallen und insbesondere von Nanokristallen in der Probe geben. The invention has for its object to provide a method for the evaluation of scattering signals and a device for X-ray analysis, which provide additional information about the behavior of crystals and in particular of nanocrystals in the sample.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen aus Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen bilden den Gegenstand der Unteransprüche. According to the invention the object is achieved by a method having the features of claim 1 and a device having the features of claim 8. Advantageous embodiments form the subject of the dependent claims.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist vorgesehen und bestimmt zur Auswertung von Signalen an einer Röntgenanalysevorrichtung, die zur Analyse einer Probe von kristallinen Substanzen geeignet ist. Das erfindungs gemäße Verfahren sieht dabei eine Reihe von Einzelschritten vor. Zunächst wird die zu analysierende Probe mit Röntgenstrahlung bestrahlt und die gestreute Röntgenstrahlung mit einem Detektor aufgezeichnet. In einem nachfolgenden Schritt wird ein Stressparameter, der auch als Belastungsparameter aufgefasst werden kann, für die Probe verändert und die Aufzeichnung der gestreuten Röntgenstrahlung wiederholt. In einem nachfolgenden Schritt werden die Aufzeichnungen bei verschiedenen Stressparametern paarweise voneinander subtrahiert. Die so entstehenden Differenzbilder beziehen sich jeweils auf zwei unterschiedliche Werte des Stressparameters. In einem nachfolgenden Schritt wird mindestens eines der Differenzbilder dahingehend analysiert, ob ein oder mehrere Bereiche innerhalb der aufgezeichneten Debye-Scherrer-Ringe eine größere Intensität oder Intensitätsveränderungen als die verbleibenden Debye- Scherrer-Ringe besitzen. Durch die Aufzeichnung bei unterschiedlichen Werten des Stressparameters können einzelne Kristalle, mithin also einzelne Abschnitte innerhalb der Debye-Scherrer-Ringe, ihre Lage in der Probe ändern. Dabei werden überproportional große Intensitäten oder Intensitätsänderungen durch diese lageveränderten Kristalle auftreten. Bei der wiederholten Aufzeichnung sind im Wesentlichen nur die Werte für den Stressparameter bei der Probe geändert worden. Weitere Parameter, wie beispielsweise Bestrahlungswinkel, Detektorwinkel, Ausrichtung der Probe oder dergleichen, werden nicht oder nur in systematischer Weise verändert. Bliebe die Position der Kristalle in der Probe mit dem Stressparameter unverändert, würde sich keine Änderung in dem aufgezeichneten Bild darstellen. Das Differenzbild wäre, abgesehen von natürlichen Schwankungen in der Messung, ohne Veränderung. Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass durch Stressparameter es zu deutlichen Veränderungen in den Differenzbildern kommen kann. Durch die Veränderung der Stressparameter ändern einzelne Kristalle, unter Beibehaltung ihrer Position, ihre Orientierung im Kristall. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird mindestens ein Differenzbild dahingehend analysiert, ob ein oder mehrere Reflexe innerhalb der aufgezeigten Debye-Scherrer- Ringe eine größere Intensitätsveränderung als die umliegenden Reflexe der Debye- Scherrer-Ringe besitzen. Ebenfalls erfolgt eine quantitative Analyse, in welchem Maß in der Probe enthaltene Kristalle gedreht werden. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ausgewertet, in welchem Maße in der Probe enthaltene Kristalle durch eine Veränderung des Stressparameters gedreht werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung besteht der Stressparameter aus einer anliegenden Spannung oder einem durch die Probe fließenden Strom. Spannung und/oder Strom können zeitlich konstant oder periodisch sich ändernd an die Probe angelegt werden. Weitere bevorzugte Stressparameter sind elektrische und/oder magnetische Felder, die auf die Probe wirken. Ebenso können elektromagnetische Wellen, in stehender oder laufender Form auf die Probe angewendet werden. Weiterhin können auch mechanische Kräfte als Stressparameter für die Probe eingesetzt werden. Bei den Stressparametern ist es teilweise bekannt, dass diese, wie beispielsweise ein Druck, auch zu einer Änderung der Gitterkonstanten in einem Kristall führen können, ohne dass der Kristall seine Orientierung verändert. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sollen Änderungen in den Debye-Scherrer-Ringen, die durch eine Veränderung der Gitterkonstante des Kristalls aufgrund der Stressparameter hervorgerufen werden, nicht berücksichtigt und beispielsweise aus den Ergebnissen herausgerechnet werden. In der Regel sind die in den Differenzbildern auftretenden lokalen Intensitäten und/oder Intensitätsveränderungen so groß, dass diese nicht durch eine Veränderung der Gitterkonstanten, den Stressparameter hervorgerufen werden können. The method according to the invention is provided and intended for the evaluation of signals on an X-ray analysis device which is suitable for the analysis of a sample of crystalline substances. The method according to the invention provides for a series of individual steps. First, the sample to be analyzed is irradiated with X-radiation and recorded the scattered X-radiation with a detector. In a subsequent step, a stress parameter, which can also be understood as a stress parameter, is changed for the sample and the recording of the scattered X-radiation is repeated. In a subsequent step, the records are subtracted in pairs at different stress parameters. The resulting difference images relate respectively to two different values of the stress parameter. In a subsequent step, at least one of the difference images is analyzed as to whether one or more regions within the recorded Debye-Scherrer rings have greater intensity or intensity variations than the remaining Debye-Scherrer rings. By recording at different values of the stress parameter, individual crystals, ie individual sections within the Debye-Scherrer rings, can change their position in the sample. Disproportionately large intensities or intensity changes will occur as a result of these positionally altered crystals. In repeated recording, essentially only the values for the stress parameter in the sample have been changed. Other parameters, such as irradiation angle, detector angle, orientation of the sample or the like, are not changed or only in a systematic manner. If the position of the crystals in the sample with the stress parameter remained unchanged, there would be no change in the recorded image. The difference image would be, apart from natural fluctuations in the measurement, without change. The invention is based on the recognition that stress parameters can lead to significant changes in the difference images. By changing the stress parameters, individual crystals, while maintaining their position, change their orientation in the crystal. In the method according to the invention, at least one difference image is analyzed as to whether one or more reflections within the indicated Debye-Scherrer rings have a greater intensity change than the surrounding reflections of the Debye-Scherrer rings. Also, a quantitative analysis is made of the degree to which crystals contained in the sample are rotated. With the method according to the invention, it is evaluated to what extent crystals contained in the sample are rotated by a change in the stress parameter. In a preferred embodiment, the stress parameter consists of an applied voltage or a current flowing through the sample. Voltage and / or current may be applied to the sample in a time constant or periodic manner. Other preferred stress parameters are electrical and / or magnetic fields which act on the sample. Likewise, electromagnetic waves, standing or running on the sample can be applied. Furthermore, mechanical forces can also be used as stress parameters for the sample. In the case of the stress parameters, it is sometimes known that these, such as a pressure, can also lead to a change in the lattice constants in a crystal without the crystal changing its orientation. In the method according to the invention, changes in the Debye-Scherrer rings, which are caused by a change in the lattice constant of the crystal due to the stress parameters, are not taken into account and, for example, excluded from the results. In general, the local intensities and / or intensity changes occurring in the difference images are so great that they can not be caused by a change in the lattice constants, the stress parameters.
In einer bevorzugten Weiterbildung des Verfahrens wird bei einer Analyse der Differenzbilder zwischen zwei möglichen Verhaltenstypen unterschieden. In einem Verhaltenstyp verliert ein Bereich der Debye-Scherrer-Ringe an Intensität, während ein benachbarter Bereich in seiner Intensität zunimmt. Bei dem anderen Verhaltenstyp verändert sich die lokale Intensität von einem einzelnen Bereich des Rings. Je nachdem welcher Typ von Intensität bzw. Intensitätsveränderung in dem Differenzbild auftritt, kann in Abhängigkeit von den Stressparametern festgestellt werden, um welche Achse eine Drehung in der Probe erfolgt. Ein besonders bevorzugtes Verfahren zur Auswertung der Differenzbilder liegt auch in der Bestimmung der Anzahl, der in der Helligkeit variierenden Bereiche. Hierdurch kann Information darüber gewonnen werden, wieviele der Kristalle in der Probe unter dem Stressparameter in der Probe gedreht werden. Dies kann Aufschluss über die Qualität der Probe, beispielsweise die Effizienz einer Solarzelle, geben. In a preferred development of the method, an analysis of the difference images distinguishes between two possible types of behavior. In one type of behavior, an area of the Debye-Scherrer rings loses intensity while an adjacent area increases in intensity. In the other type of behavior, the local intensity varies from a single region of the ring. Depending on which type of intensity or change in intensity occurs in the differential image, it can be determined as a function of the stress parameters about which axis a rotation takes place in the sample. A particularly preferred method for evaluating the difference images is also the determination of the number of areas varying in brightness. This can provide information on how many of the crystals in the sample are rotated under the stress parameter in the sample. This can provide information about the quality of the sample, for example the efficiency of a solar cell.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird ebenfalls durch eine Vorrichtung zur Röntgenanalyse von einer Probe mit kristallinen Substanzen gelöst. Die Vorrichtung weist einen Detektor zur Erfassung von an der Probe gestreuter Röntgenstrahlung in einer zweidimensionalen Aufzeichnung auf. Ferner besitzt die Vorrichtung eine Probeneinrichtung, die konstruiert ist, um an der Probe unterschiedliche Stressparameter anzulegen. Ferner ist die Auswerteeinheit ausgebildet, um von mindestens einem Paar von Aufzeichnungen bei einem veränderten Stressparameter für die Probe erfasste Bilder zu einem Differenzbild voneinander zu subtrahieren. Die Auswerteeinheit ist erfindungsgemäß zudem ausgebildet, um wenigstens ein Differenzbild dahingehend auszuwerten, ob ein oder mehrere Bereiche innerhalb der aufgezeichneten Debye-Scherrer-Ringe eine größere Intensität und/oder Intensitätsveränderungen als die verbleibenden Bereiche der Debye-Scherrer-Ringe besitzen. Wie bereits vorstehend zu dem Verfahren erläutert, kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Röntgenanalyse ausgewertet werden, ob und in welchem quantitativen Maß in der Probe enthaltene Kristalle durch eine Veränderung des Stressparameters gedreht werden. The object of the invention is also achieved by a device for X-ray analysis of a sample with crystalline substances. The device has a detector for detecting X-ray radiation scattered on the sample in a two-dimensional recording. Further, the apparatus has a sampling device designed to apply different stress parameters to the sample. Furthermore, the evaluation unit is designed to subtract from each other at least one pair of records of an altered stress parameter for the sample captured images to a differential image. According to the invention, the evaluation unit is also designed to evaluate at least one difference image as to whether one or more regions within the recorded Debye-Scherrer rings have greater intensity and / or intensity changes than the remaining regions of the Debye-Scherrer rings. As already explained above for the method, it can be evaluated with the device according to the invention for X-ray analysis as to whether and to what quantitative extent crystals contained in the sample are rotated by a change in the stress parameter.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Auswerteeinheit mit einem Speicher ausgestattet, der ausgebildet ist, um mehrere der Differenzbilder abzuspeichern. Insbesondere eine Serie von Differenzbildern erlaubt eine detaillierte Detailanalyse dazu, in welchem Maße und mit welcher Abhängigkeit von einem variierenden Stressparameter sich einzelne Kristalle drehen. In a preferred embodiment, the evaluation unit is equipped with a memory which is designed to store a plurality of the difference images. In particular, a series of difference images allows a detailed detailed analysis to what extent and with what dependence on a varying stress parameter individual crystals rotate.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Probeneinrichtung ausgebildet, um Stressparameter für die Probe zu verändern. Bei der Veränderung der Stressparameter werden die sonstigen Parameter zur Aufzeichnung des erfassten Bildes nicht variiert, so dass jedes deutliche Signal in dem Differenzbild durch die Variation des Stressparameters hervorgerufen wird. In a preferred embodiment, the sample device is designed to change stress parameters for the sample. When changing the stress parameters, the other parameters for recording the acquired image are not varied, so that every significant signal in the difference image is caused by the variation of the stress parameter.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist die Probeneinrichtung ausgebildet, um eine Spannung oder einen Strom der Probe zu variieren. Hierzu kann die Probeneinrichtung beispielsweise mit elektrischen Kontakten versehen sein, über die die Spannung oder der Strom als Parameter an die Probe angelegt werden können. In a preferred development, the sample device is designed to vary a voltage or a current of the sample. For this purpose, the sample device can be provided, for example, with electrical contacts, via which the voltage or the current can be applied as a parameter to the sample.
Ebenfalls kann die Probeneinrichtung ausgebildet sein, um ein auf die Probe wirkendes elektrisches oder magnetisches Feld als Stressparameter an die Probe anzulegen. Die Orientierung des Feldes kann hierbei ebenfalls ein variierender Stressparameter sein. In einer weiteren Ausgestaltung ist das Feld als elektromagnetische Welle ausgebildet, wobei es sich hierbei um eine stehende oder um eine laufende elektromagnetische Welle handeln kann. Ebenfalls ist es möglich, dass die Probeneinrichtung ausgebildet ist, um eine mechanische Kraft als variierenden Stressparameter auf die Probe zu erzeugen. Likewise, the sample device can be designed to apply an electrical or magnetic field acting on the sample as a stress parameter to the sample. The orientation of the field can also be a varying stress parameter. In a further embodiment, the field is designed as an electromagnetic wave, which may be a standing or an ongoing electromagnetic wave. It is also possible that the sample device is designed to generate a mechanical force as a varying stress parameter on the sample.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, das erfindungsgemäße Verfahren für ein als Solarzelle vorgesehenen Kristall anzuwenden, um eine kritische Anzahl von Bereichen der aufgezeichneten Debye-Scherrer-Ringe mit größerer Intensität und/oder Intensitätsänderung zu definieren und den Kristall nur dann als Solarzelle einzusetzen, wenn die Anzahl an gemessenen Bereichen kleiner als eine kritische Anzahl von Bereichen ist. Die vorgesehene Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens beruht auf der Einsicht, dass als Solarzelle vorgesehene Kristalle mitunter eine unterschiedliche Effektivität bei der Stromerzeugung besitzen. Mit einer der hierfür entscheidenden Faktoren ist, ob und in welchem Umfang Kristalle in der Solarzelle sich unter einem Stressparameter, wie beispielsweise einer anliegenden Gleichspannung drehen können. Können sich viele Kristalle drehen, ist zu erwarten, dass die Probe eine geringere Effizienz als Solarzelle besitzt. A preferred embodiment of the invention is to use the method according to the invention for a crystal provided as a solar cell in order to define a critical number of regions of the recorded Debye-Scherrer rings with greater intensity and / or intensity change and to use the crystal only as a solar cell. if the number of measured areas is smaller as a critical number of areas. The intended use of the method according to the invention is based on the insight that crystals provided as solar cells sometimes have a different efficiency in power generation. One of the decisive factors is whether and to what extent crystals in the solar cell can rotate under a stress parameter, such as an applied DC voltage. If many crystals can rotate, it is to be expected that the sample has a lower efficiency than solar cell.
Die Erfindung wird nachfolgend an einigen Beispielen näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus zur Röntgenanalyse mit schematisch eingezeichneten Beugungsvektoren sowie einen zweidimensionalen Detektor, The invention will be explained in more detail below with reference to some examples. 1 is a schematic representation of the structure for X-ray analysis with schematically drawn diffraction vectors and a two-dimensional detector,
Fig. 2 eine schematische Ansicht der Wirkung einer Drehung um eine qx- Achse und die Wirkung des Streubildes auf den Detektor, 2 shows a schematic view of the effect of a rotation about a q x -axis and the effect of the scattering image on the detector,
Fig. 3 eine schematische Ansicht der Debye-Scherrer-Ringe, und Fig. 3 is a schematic view of the Debye-Scherrer rings, and
Fig. 4 ein entsprechendes Differenzbild, 4 a corresponding difference image,
Fig. 5a-b die Differenzbilder und zwei Detailansichten zu den Differenzbildern und 5a-b, the difference images and two detailed views of the difference images and
Fig. 6 die Intensitätsverteilung in dem Differenzbild. Fig. 1 zeigt eine Röntgenquelle 10 in einer schematischen Ansicht mit einem gebündelten Röntgenstrahl 12, der auf eine Probenschicht 14 trifft. Die gestreute Röntgenstrahlung trifft, wie schematisch dargestellt, auf den Detektor 16, wobei die entsprechenden Punkte pi bis p3 auf dem Detektor 16 den unterschiedlichen Beugungsvektoren qi bis q3 entsprechen. Fig. 6 shows the intensity distribution in the difference image. FIG. 1 shows an X-ray source 10 in a schematic view with a collimated X-ray beam 12 impinging on a sample layer 14. The scattered X-ray radiation hits, as schematically illustrated, on the detector 16, the corresponding points pi correspond to p 3 on the detector 16 to the different diffraction vectors qi-q. 3
Fig. 2 zeigt in einer schematischen Ansicht den Effekt eines sich um eine Achse drehenden Kristals 18, hier die qx- Achse. Deutlich zu erkennen ist, dass im reziproken Raum der Detektor 16 eine gekrümmte Fläche besitzt und das Streubild 20 des Kristalls 18 mit der Bewegung des q- Vektors sich durch den Detektor hindurch bewegt. Der reziproke Raum ist im Wesentlichen der Fouriertransformierte Raum der Wellen vektoren. FIG. 2 shows a schematic view of the effect of a crystal 18 rotating about an axis, here the q x axis. It can be clearly seen that in the reciprocal space the detector 16 has a curved surface and the scattering image 20 of the crystal 18 moves with the movement of the q-vector through the detector. The reciprocal space is essentially the Fourier transformed space of the waves.
Fig. 3 zeigt die bei dem Aufbau gemäß Fig. 1 gewonnenen Bilder zu einzelnen Debye-Scherrer-Ringen 22. Bei der gemessenen Probe handelt es sich um eine Solarzelle vom Typ Cu(In,Ga)Se2 (CIGS). Die Solarzelle enthält neben anderen Schichten eine aktive CIGS-Schicht mit einer Dicke von 1 μιη. Die Aufnahmen wurden mit einem Röntgenstrahl der Energie von 8 kEV (λ = 1,55 A) erzielt, wobei der Röntgenstrahl auf einen Durchmesser von 500 μιη kollimiert war. An der Probe wurde eine Gleichspannung von - 1,2 V bis + 1,2 V schrittweise verändert. Fig. 3 shows the images obtained in the structure of FIG. 1 to individual Debye-Scherrer rings 22. The measured sample is a solar cell of the type Cu (In, Ga) Se 2 (CIGS). The solar cell contains, among other layers, an active CIGS layer with a thickness of 1 μm. The images were obtained with an X-ray energy of 8 kEV (λ = 1.55 A), wherein the X-ray beam was collimated to a diameter of 500 μιη. A DC voltage of -1.2 V to + 1.2 V was changed step by step on the sample.
Das in Fig. 4 dargestellte Differenzbild entspricht einer Spannung bei 0 V und einer Spannung bei 0,915 V. Von dem dargestellten Differenzbild sind die mit 1 und 2 gekennzeichneten Punkte von besonderem Interesse. Sie liegen auf dem 112- Beugungsring und haben sich in ihrer Intensität deutlich erhöht. Dies bedeutet, dass entsprechende Kristalle sich durch die anliegende Spannung in eine Winkellage gedreht haben, die die Beugungsbedingung erfüllt. Der Punkt 3 befindet sich auf dem (220)/204-Beugungsring. In diesem Punkt hat die Beugungsintensität deutlich abgenommen, d. h., dass ein Kristall sich durch die angelegte Spannung aus seiner Beugungsbedingung herausbewegt hat. Der Punkt 4 liegt auf demselben Beugungsring wie. Das Intensitätsprofil dieses Punktes besteht aus zwei benachbarten Bereichen mit unterschiedlichen Vorzeichen. Dieses Muster entspricht der Drehung der entsprechenden Kristallite in der Detektorebene, wie bereits beschrieben. Solche Signale sind statistisch zu erwarten. The difference image shown in FIG. 4 corresponds to a voltage at 0 V and a voltage at 0.915 V. Of the differential image shown, the points marked 1 and 2 are of particular interest. They lie on the 112 diffraction ring and have increased significantly in intensity. This means that corresponding crystals have rotated by the applied voltage in an angular position that meets the diffraction condition. Point 3 is on the (220) / 204 diffraction ring. At this point, the diffraction intensity has clear decreased, that is, that a crystal has moved out of its diffraction condition by the applied voltage. Point 4 lies on the same diffraction ring as. The intensity profile of this point consists of two adjacent regions with different signs. This pattern corresponds to the rotation of the corresponding crystallites in the detector plane, as already described. Such signals are statistically expected.
Von besonderem Interesse ist auch der Bereich 5, der in dem Molybdän-Ring enthalten ist und zwei Linien enthält. Da die Kristalle in dieser Schicht viel kleiner sind und Beiträge von einzelnen Kristallen sich überlappen, können diese nicht unterschieden werden. Deswegen ist der Bereich 5 auf eine piezoelektrisch bedingte Änderung in der Gitterkonstanten durch die anliegende Spannung zurückzuführen. Of particular interest is region 5, which is contained in the molybdenum ring and contains two lines. Since the crystals in this layer are much smaller and contributions from individual crystals overlap, they can not be distinguished. Therefore, the region 5 is due to a piezoelectric change in the lattice constant due to the applied voltage.
Fign. 5a und 5b zeigen Detailvergrößerungen von einzelnen, im Differenzbild auftretenden Punkten. Fig. 5a zeigt einen Punkt, der durch eine Drehung des Kristalls senkrecht zu der Detektorebene entsteht. Dieser Punkt ist dadurch gekennzeichnet, dass er eine große Intensitätsänderung aufweist. Fig. 5b zeigt einen Doppelpunkt mit einer Intensitätsabnahme, beispielsweise im Bereich A und eine Intensitätszunahme, beispielsweise im Bereich Z. Ein solcher Doppelpunkt im Differenzbild entspricht einer Kristalldrehung um eine Achse, die in der Detektorebene liegt. FIGS. 5a and 5b show detail enlargements of individual points appearing in the difference image. Figure 5a shows a point created by rotation of the crystal perpendicular to the detector plane. This point is characterized by having a large intensity change. Fig. 5b shows a colon with a decrease in intensity, for example in the region A and an increase in intensity, for example in the region Z. Such a colon in the difference image corresponds to a crystal rotation about an axis which lies in the detector plane.
Fig. 6 zeigt im unteren Bereich die Intensität eines Beugungsbildes einer Solarzelle bei 0 V und das Differenzbild bei einer an die Solarzelle angelegten Spannung von 0,915 V. Die dargestellte Differenz ist um die Größe 20 vergrößert und um 6 Einheiten nach oben verschoben. Deutlich zu erkennen ist, dass durch die angelegte Spannung von 0,915 V eine Struktur in dem Differenzbild auftritt. Die Erfindung erlaubt es, durch die Anwendung eines Stressparameters an einer Probe das Verhalten von einzelnen Kristallen in einem polykristallinen Material zu messen und zu analysieren. Dies erlaubt beispielsweise den Rückschluss auf Kristallrotationen in der Probe oder auch auf sehr niedrige Konzentrationen von rotierenden Kristallen in der Probe. Weiterhin stellt die Erfindung ein nicht zerstörendes Messverfahren zur Feststellung von rotierenden Kristalliten in einer Probe dar. Hierdurch können, während der Vorbereitung und Prozessführung, Rückschlüsse auf die einzelnen Prozessparameter gezogen werden. Auch kann die Menge an rotierenden Kristallen in einer Schicht quantifiziert werden, ebenso wie die Rotationsgeschwindigkeit. Auch Vorzugsrichtungen, Clusterungen von rotierenden Kristallen und weitere statistische Angaben können Auskunft über Materialeigenschaften und eine optimale Prozessführung geben. Insbesondere bei Solarzellen erlaubt die Erfindung durch Analyse differentieller Beugungsbilder Rückschlüsse auf die Effizienz der Solarzelle zu ziehen. 6 shows in the lower area the intensity of a diffraction pattern of a solar cell at 0 V and the difference image with a voltage of 0.915 V applied to the solar cell. The difference shown is increased by the size 20 and shifted upward by 6 units. It can be clearly seen that a structure in the differential image occurs due to the applied voltage of 0.915 V. The invention makes it possible to measure and analyze the behavior of individual crystals in a polycrystalline material by applying a stress parameter to a sample. This allows, for example, the conclusion of crystal rotation in the sample or even very low concentrations of rotating crystals in the sample. Furthermore, the invention provides a non-destructive measuring method for detecting rotating crystallites in a sample. In this way, during the preparation and process management, conclusions can be drawn on the individual process parameters. Also, the amount of rotating crystals in a layer can be quantified, as well as the rotation speed. Even preferred directions, clustering of rotating crystals and other statistical information can provide information about material properties and optimal process control. Especially with solar cells, the invention allows conclusions to be drawn on the efficiency of the solar cell by analyzing differential diffraction patterns.

Claims

Ansprüche claims
1. Verfahren zur Auswertung von Signalen an einer Röntgenanalysevorrichtung, die zur Analyse einer Probe von kristallinen Substanzen geeignet ist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: 1. A method for evaluating signals on an X-ray analysis apparatus which is suitable for analyzing a sample of crystalline substances, characterized by the following method steps:
- Bestrahlen der Probe mit Röntgenstrahlung, Irradiating the sample with X-radiation,
- Aufzeichnen der gestreuten Röntgenstrahlung mit einem Detektor, Recording the scattered X-radiation with a detector,
- Wiederholen der Aufzeichnung bei einem veränderten Stressparameter für die Probe, Repeating the recording with an altered stress parameter for the sample,
- Subtrahieren von mindestens einem Paar von Aufzeichnungen bei verschiedenen Stressparametern,  Subtract at least one pair of records at different stress parameters,
- Analysieren von mindestens einem Differenzbild dahingehend, ob ein oder mehrere Reflexe innerhalb der aufgezeichneten Debye-Scherrer Ringe eine größere Intensitätsveränderung als die umliegenden Reflexe der Debye-Scherrer Ringe besitzen,  Analyzing at least one difference image as to whether one or more reflections within the recorded Debye-Scherrer rings have a greater intensity change than the surrounding reflections of the Debye-Scherrer rings,
- Quantitative Analyse, in welchem Maß in der Probe enthaltene Kristalle gedreht werden.  Quantitative analysis of the degree to which crystals contained in the sample are rotated.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der anzulegende Stressparameter eine an der Probe anliegende Spannung und/oder ein durch die Probe fließender Strom ist. 2. Method according to claim 1, characterized in that the stress parameter to be applied is a voltage applied to the sample and / or a current flowing through the sample.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der anzulegende Stressparameter ein mit der Probe wirkendes elektrisches und/oder magnetisches Feld aufweist. 3. The method according to claim 1, characterized in that the stress parameter to be applied has an electric and / or magnetic field acting with the sample.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld als elektromagnetische Welle ausgebildet ist. 4. The method according to claim 3, characterized in that the field is designed as an electromagnetic wave.
5. Verfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der anzulegende Stressparameter eine mechanische Kraft aufweist. 5. The method according to claim 1 to 4, characterized in that the stress parameter to be applied has a mechanical force.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Analyse zwischen Differenzbildern unterschieden wird, bei denen zwei benachbarte Bereiche in der Intensität variieren und bei denen ein Bereich in seiner Intensität variiert. 6. The method according to any one of claims 1 to 5, characterized in that a distinction is made in the analysis between difference images, in which two adjacent areas vary in intensity and in which a range varies in intensity.
7. Verfahren nach einem der der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in den Differenzbildern die Anzahl der in der Helligkeit variierenden Bereiche gezählt wird. 7. The method according to any one of claims 1 to 6, characterized in that in the difference images, the number of varying in the brightness ranges is counted.
8. Vorrichtung zur Röntgenanalyse von einer Probe mit kristallinen Substanzen, mit 8. Apparatus for X-ray analysis of a sample with crystalline substances, with
- einem Detektor zur Erfassung von an der Probe gestreuter Röntgenstrahlung in einer zweidimensionalen Aufzeichnung, a detector for detecting X-ray radiation scattered on the sample in a two-dimensional recording,
- einer Probeneinrichtung, die ausgebildet ist, um an der Probe unterschiedliche Stressparameter anzulegen, und  a sample device, which is designed to apply different stress parameters to the sample, and
- einer Auswerteeinheit die ausgebildet ist, um aus mindestens einem Paar von Aufzeichnungen bei einem veränderten Stressparameter ein Differenzbild zu erstellen, wobei  - An evaluation unit which is adapted to create from at least one pair of records at a changed stress parameter, a difference image, wherein
- die Auswerteeinheit zudem ausgebildet ist, um mindestens ein Differenzbild dahingehend auszuwerten, ob ein oder mehrere Reflexe innerhalb der aufgezeichneten Debye-Scherrer Ringe eine größere Intensitätsveränderung als die umliegenden Bereiche der Debye-Scherrer Ringe besitzen, und  - The evaluation unit is also designed to evaluate at least one difference image to see whether one or more reflections within the recorded Debye-Scherrer rings have a greater change in intensity than the surrounding areas of the Debye-Scherrer rings, and
- die Auswerteeinheit zudem ausgebildet ist, um einen Anteil von in der Probe gedrehten Kristallen zu bestimmen. - The evaluation unit is also designed to determine a proportion of crystals rotated in the sample.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit einen Speicher aufweist, der ausgebildet ist, eine Serie von Differenzbildern zu speichern. 9. Apparatus according to claim 8, characterized in that the evaluation unit has a memory which is designed to store a series of differential images.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Probeneinrichtung ausgebildet ist, um Stressparameter für die Probe zu verändern. 10. Apparatus according to claim 8 or 9, characterized in that the sample device is designed to change stress parameters for the sample.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Probeneinrichtung ausgebildet ist, um eine Spannung oder einen Strom an der Probe zu variieren. 11. Device according to one of claims 5 to 7, characterized in that the sample device is designed to vary a voltage or a current across the sample.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Probeneinrichtung ausgebildet ist, um ein mit der Probe wirkendes elektrisches oder magnetisches Feld als Stressparameter an die Probe anzulegen. 12. Device according to one of claims 8 to 11, characterized in that the sample device is designed to apply an acting with the sample electric or magnetic field as a stress parameter to the sample.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Feld als elektro-magnetische Welle ausgebildet ist. 13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the field is designed as an electromagnetic wave.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Probeneinrichtung ausgebildet ist, um einen variierenden Stressparameter, insbesondere in Form einer mechanischen Kraft, zu erzeugen. 14. Device according to one of claims 8 to 13, characterized in that the sample device is designed to produce a varying stress parameter, in particular in the form of a mechanical force.
15. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass für ein als Solar-Zelle vorgesehener Kristall eine kritische Anzahl von Bereichen innerhalb der aufgezeichneten Debye-Scherrer Ringe mit größerer Intensität definiert ist und der Kristall nur dann als Solar-Zelle eingesetzt wird, wenn die Anzahl an gemessenen Bereichen kleiner als die kritische Anzahl ist. 15. Use of the method according to one of claims 1 to 7, characterized in that for a provided as a solar cell crystal, a critical number of areas within the recorded Debye-Scherrer rings is defined with greater intensity and the crystal only as a solar Cell is used when the number of measured areas is less than the critical number.
PCT/EP2015/065739 2014-07-10 2015-07-09 Method and device for x-ray analysis WO2016005516A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102014109671.1 2014-07-10
DE102014109671.1A DE102014109671B3 (en) 2014-07-10 2014-07-10 Method and device for X-ray analysis

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO2016005516A1 true WO2016005516A1 (en) 2016-01-14
WO2016005516A9 WO2016005516A9 (en) 2016-03-03

Family

ID=53524792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2015/065739 WO2016005516A1 (en) 2014-07-10 2015-07-09 Method and device for x-ray analysis

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102014109671B3 (en)
WO (1) WO2016005516A1 (en)

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10160326A1 (en) 2001-12-07 2003-06-26 Intax Roentgenanalysentechnik Polychromatic X-ray ice crystal probe compares scattered powers in different directions
DE69822556T2 (en) 1997-06-18 2005-02-24 Toyo Boseki K.K. High tensile modulus polybenzazole fiber and method of making the same
EP1650558A1 (en) 2003-07-11 2006-04-26 Waseda University Energy dispersion type x-ray diffraction/spectral device
WO2006047267A2 (en) 2004-10-21 2006-05-04 X-Ray Optical Systems, Inc. Apparatus and method for suppressing insignificant variations in measured sample composition data, including data measured from dynamically changing samples using x-ray analysis techniques
EP2112505B1 (en) 2008-04-22 2011-08-03 Bruker AXS GmbH X-ray diffraction meter for mechanically correlated processing of source, detector and sample positioning
DE102012217419A1 (en) 2011-09-26 2013-03-28 Rigaku Corp. Analysis method for X-ray diffraction measurement data
US20130089182A1 (en) 2011-10-11 2013-04-11 Hitachi, Ltd. Evaluation System and Evaluation Method of Plastic Strain
DE102012111504A1 (en) 2011-11-29 2013-05-29 Rigaku Corp. X-ray analysis apparatus
JP2013113734A (en) * 2011-11-29 2013-06-10 Pulstec Industrial Co Ltd X-ray diffraction measuring instrument and residual stress measuring method
US20140093052A1 (en) 2012-09-28 2014-04-03 Uchicago Argonne, Llc Transmission-geometry electrochemical cell for in-situ scattering and spectroscopy investigations

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5125016B1 (en) * 1983-09-22 1998-02-24 Outokumpu Oy Procedure and measuring apparatus based on x-ray diffraction for measuring stresses
US6751287B1 (en) * 1998-05-15 2004-06-15 The Trustees Of The Stevens Institute Of Technology Method and apparatus for x-ray analysis of particle size (XAPS)
US6882739B2 (en) * 2001-06-19 2005-04-19 Hypernex, Inc. Method and apparatus for rapid grain size analysis of polycrystalline materials
US6792075B2 (en) * 2002-08-21 2004-09-14 Hypernex, Inc. Method and apparatus for thin film thickness mapping
CA2518948A1 (en) * 2003-03-13 2004-09-23 Kureha Chemical Industry Company, Limited Porous membrane of vinylidene fluoride resin and process for producing the same
JP4003968B2 (en) * 2004-02-27 2007-11-07 株式会社リガク X-ray analyzer
US7190762B2 (en) * 2004-10-29 2007-03-13 Broker Axs, Inc Scanning line detector for two-dimensional x-ray diffractometer
US7796726B1 (en) * 2006-02-14 2010-09-14 University Of Maryland, Baltimore County Instrument and method for X-ray diffraction, fluorescence, and crystal texture analysis without sample preparation
JP5035374B2 (en) * 2009-06-10 2012-09-26 日立電線株式会社 Piezoelectric thin film element and piezoelectric thin film device including the same

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE69822556T2 (en) 1997-06-18 2005-02-24 Toyo Boseki K.K. High tensile modulus polybenzazole fiber and method of making the same
DE10160326A1 (en) 2001-12-07 2003-06-26 Intax Roentgenanalysentechnik Polychromatic X-ray ice crystal probe compares scattered powers in different directions
EP1650558A1 (en) 2003-07-11 2006-04-26 Waseda University Energy dispersion type x-ray diffraction/spectral device
WO2006047267A2 (en) 2004-10-21 2006-05-04 X-Ray Optical Systems, Inc. Apparatus and method for suppressing insignificant variations in measured sample composition data, including data measured from dynamically changing samples using x-ray analysis techniques
EP2112505B1 (en) 2008-04-22 2011-08-03 Bruker AXS GmbH X-ray diffraction meter for mechanically correlated processing of source, detector and sample positioning
DE102012217419A1 (en) 2011-09-26 2013-03-28 Rigaku Corp. Analysis method for X-ray diffraction measurement data
US20130089182A1 (en) 2011-10-11 2013-04-11 Hitachi, Ltd. Evaluation System and Evaluation Method of Plastic Strain
DE102012111504A1 (en) 2011-11-29 2013-05-29 Rigaku Corp. X-ray analysis apparatus
JP2013113734A (en) * 2011-11-29 2013-06-10 Pulstec Industrial Co Ltd X-ray diffraction measuring instrument and residual stress measuring method
US20140093052A1 (en) 2012-09-28 2014-04-03 Uchicago Argonne, Llc Transmission-geometry electrochemical cell for in-situ scattering and spectroscopy investigations

Non-Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A. BJEOUMIKHOV ET AL.: "Capillary optics for real time X-ray diffractometry", JOURNAL OF X-RAY SCIENCE AND TECHNOLOGY, vol. 13, 2005, pages 185 - 190
CONG Z H ET AL: "Stress and Strain Partitioning of Ferrite and Martensite during Deformation", METALLURGICAL AND MATERIALS TRANSACTIONS A, SPRINGER-VERLAG, NEW YORK, vol. 40, no. 6, 8 April 2009 (2009-04-08), pages 1383 - 1387, XP019696594, ISSN: 1543-1940 *
HERKLOTZM, MARKUS ET AL.: "Advances in in situ powder diffraction of battery materials: a case study oft he new beamline P02.1 at DESY, Hamburg", JOURNAL OF APPLIED CRYSTALLOGRAPHY, vol. 46, 2013, pages 1117 - 1127
KROST A ET AL: "STRAIN DISTRIBUTION IN INP/INGAAS SUPERLATTICE STRUCTURE DETERMINEDBY HIGH RESOLUTION X-RAY DIFFRACTION", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, vol. 64, no. 4, 24 January 1994 (1994-01-24), pages 469 - 471, XP000422943, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.111132 *
SLOBODSKYY A ET AL: "In-depth analysis of the CuIn1-xGaxSe2 film for solar cells, structural and optical characterization", APPLIED PHYSICS LETTERS, AMERICAN INSTITUTE OF PHYSICS, vol. 97, no. 25, 23 December 2010 (2010-12-23), pages 251911 - 251911, XP012138206, ISSN: 0003-6951, DOI: 10.1063/1.3529939 *
TARAS SLOBODSKYY ET AL.: "Three-dimensional reciprocal space profile of an individual nanocrystallite inside a thin-film solar cell absorber layer", J. PHYS. D: APPL. PHYS., vol. 46, 2013, pages 475104

Also Published As

Publication number Publication date
WO2016005516A9 (en) 2016-03-03
DE102014109671B3 (en) 2015-11-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP1647840B1 (en) X-ray-optical or neutron-optical analyser comprising a stripdetector having variable light-transmission
DE102014209721A1 (en) Method for determining a property of a rod-shaped article of the tobacco-processing industry by means of X-radiation, and sample holder
DE102012111504A1 (en) X-ray analysis apparatus
DE112017007508T5 (en) Charge particle beam device and method for measuring sample thickness
DE112014006546B4 (en) Sample processing method and charged particle beam device
DE102011006588A1 (en) Particle beam device with detector arrangement
DE102020112651A1 (en) Computer-implemented method for condition monitoring of a device for examining objects
DE102014109671B3 (en) Method and device for X-ray analysis
EP2489010B1 (en) Method for the nondestructive 3d analysis of a test specimen by means of computer tomography
EP3987279B1 (en) Apparatus and method for determining material properties of a polycrystalline product
EP2913632B1 (en) Method for measuring an object by means of X-ray fluoresence
DE102016101988A1 (en) X-ray analyzer, apparatus and method for X-ray absorption spectroscopy
EP3325941A1 (en) Assembly for determining the permeation rate of a sample
EP3298393B1 (en) Method and device for characterizing the microstructure of a strip or sheet of metal
DE102020103767A1 (en) Apparatus and method for examining metallic samples
WO2015044421A2 (en) X-ray detector
DE102008063130A1 (en) Method for external phase examination of re-processable disk-shaped, single crystalline substrate to manufacture semiconductor component, involves orienting light rays and detection device, where unscattered portion does not reach surface
DE102004006431B4 (en) Method for determining the local crystal lattice state of substances
DE102013114497A1 (en) Method and device for evaluating X-ray spectra
EP3011582A1 (en) Method for detecting x-rays and device
WO2019002479A1 (en) Device and method for detecting particles
DE202019103396U1 (en) X-ray detector
DE102004060608A1 (en) Compton scattering quantum attenuation correction method, involves producing common matrix at corrected scattering coefficients, where total correction of scattering signals results during matrix production
DE102011102334A1 (en) X-ray examination method for the preparation of two X-ray fluoroscopic images
DE102006053433B3 (en) Method for controlling texture goniometer in context of texture-analytic testing of sample, involves carrying out multiple diffractometric luminosity measurement at sample in multiple measuring passageway

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 15734702

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 15734702

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1