Abstract

The authors report that the elemental composition ratio of Ga to In in a CuIn1xGaxSe2 compound semiconductor, a thin-film solar cell material, can be measured with little influence of plasma property changes by laser-induced breakdown spectroscopy (λ=1064nm, τ=5ns). It is shown that the similarity in excitation energy levels of the selected Ga and In emission lines and the fact that these elements belong to the same group of the periodic table are the critical factors ensuring the independence of intensity ratio on plasma conditions.

© 2013 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. L. M. Cabalín and J. J. Laserna, Anal. Chem. 73, 1120 (2001).
    [CrossRef]
  2. J. H. In, C. K. Kim, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 473 (2013).
    [CrossRef]
  3. C. K. Kim, J. H. In, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 460 (2013).
    [CrossRef]
  4. J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
    [CrossRef]
  5. J. T. Heath, J. D. Cohen, W. N. Shafarman, D. X. Liao, and A. A. Rockett, Appl. Phys. Lett. 80, 4540 (2002).
    [CrossRef]
  6. S. H. Han, F. S. Hasoon, H. A. Al-Thani, A. M. Hermann, and D. H. Levi, J. Phys. Chem. Solids 66, 1895 (2005).
    [CrossRef]
  7. R. S. Adrain and J. Watson, J. Phys. D 17, 1915 (1984).
    [CrossRef]
  8. N. B. Zorov, A. A. Gorbatenko, T. A. Labutin, and A. M. Popov, Spectrochim. Acta Part B 65, 642 (2010).
    [CrossRef]
  9. H. C. Liu, X. L. Mao, J. H. Yoo, and R. E. Russo, Spectrochim. Acta Part B 54, 1607 (1999).
    [CrossRef]
  10. M. Kuzuya and H. Aranami, Spectrochim. Acta Part B 55, 1423 (2000).
    [CrossRef]
  11. http://physics.nist.gov/asd3 .
  12. M. A. Hafez, M. A. Khedr, F. F. Elaksher, and Y. E. Gamal, Plasma Sources Sci. Technol. 12, 185 (2003).
    [CrossRef]
  13. I. Bassiotis, A. Diamantopoulou, A. Giannoudakos, F. Roubani-Kalantzopoulou, and M. Kompitsas, Spectrochim. Acta Part B 56, 671 (2001).
    [CrossRef]
  14. A. W. Miziolek, V. Palleschi, and I. Schechter, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (Cambridge University, 2006), pp. 122–170.
  15. A. W. Irwin, Astrophys. J. Suppl. Ser. 45, 621 (1981).
    [CrossRef]
  16. H. El-Rabii, S. B. Victprpv, and A. P. Yalin, J. Phys. D 42, 075203 (2009).
    [CrossRef]
  17. X. L. Mao, A. C. Ciocan, and R. E. Russo, Appl. Spectrosc. 52, 913 (1998).
    [CrossRef]
  18. D. R. Lide, Handbook of Chemistry and Physics (CRC, 2004).

2013 (2)

J. H. In, C. K. Kim, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 473 (2013).
[CrossRef]

C. K. Kim, J. H. In, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 460 (2013).
[CrossRef]

2010 (1)

N. B. Zorov, A. A. Gorbatenko, T. A. Labutin, and A. M. Popov, Spectrochim. Acta Part B 65, 642 (2010).
[CrossRef]

2009 (1)

H. El-Rabii, S. B. Victprpv, and A. P. Yalin, J. Phys. D 42, 075203 (2009).
[CrossRef]

2008 (1)

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

2005 (1)

S. H. Han, F. S. Hasoon, H. A. Al-Thani, A. M. Hermann, and D. H. Levi, J. Phys. Chem. Solids 66, 1895 (2005).
[CrossRef]

2003 (1)

M. A. Hafez, M. A. Khedr, F. F. Elaksher, and Y. E. Gamal, Plasma Sources Sci. Technol. 12, 185 (2003).
[CrossRef]

2002 (1)

J. T. Heath, J. D. Cohen, W. N. Shafarman, D. X. Liao, and A. A. Rockett, Appl. Phys. Lett. 80, 4540 (2002).
[CrossRef]

2001 (2)

I. Bassiotis, A. Diamantopoulou, A. Giannoudakos, F. Roubani-Kalantzopoulou, and M. Kompitsas, Spectrochim. Acta Part B 56, 671 (2001).
[CrossRef]

L. M. Cabalín and J. J. Laserna, Anal. Chem. 73, 1120 (2001).
[CrossRef]

2000 (1)

M. Kuzuya and H. Aranami, Spectrochim. Acta Part B 55, 1423 (2000).
[CrossRef]

1999 (1)

H. C. Liu, X. L. Mao, J. H. Yoo, and R. E. Russo, Spectrochim. Acta Part B 54, 1607 (1999).
[CrossRef]

1998 (1)

1984 (1)

R. S. Adrain and J. Watson, J. Phys. D 17, 1915 (1984).
[CrossRef]

1981 (1)

A. W. Irwin, Astrophys. J. Suppl. Ser. 45, 621 (1981).
[CrossRef]

Adrain, R. S.

R. S. Adrain and J. Watson, J. Phys. D 17, 1915 (1984).
[CrossRef]

Al-Thani, H. A.

S. H. Han, F. S. Hasoon, H. A. Al-Thani, A. M. Hermann, and D. H. Levi, J. Phys. Chem. Solids 66, 1895 (2005).
[CrossRef]

Aranami, H.

M. Kuzuya and H. Aranami, Spectrochim. Acta Part B 55, 1423 (2000).
[CrossRef]

Bassiotis, I.

I. Bassiotis, A. Diamantopoulou, A. Giannoudakos, F. Roubani-Kalantzopoulou, and M. Kompitsas, Spectrochim. Acta Part B 56, 671 (2001).
[CrossRef]

Bäuerle, D.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Bodea, M. A.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Cabalín, L. M.

L. M. Cabalín and J. J. Laserna, Anal. Chem. 73, 1120 (2001).
[CrossRef]

Cardwell, D. A.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Ciocan, A. C.

Cohen, J. D.

J. T. Heath, J. D. Cohen, W. N. Shafarman, D. X. Liao, and A. A. Rockett, Appl. Phys. Lett. 80, 4540 (2002).
[CrossRef]

Diamantopoulou, A.

I. Bassiotis, A. Diamantopoulou, A. Giannoudakos, F. Roubani-Kalantzopoulou, and M. Kompitsas, Spectrochim. Acta Part B 56, 671 (2001).
[CrossRef]

Elaksher, F. F.

M. A. Hafez, M. A. Khedr, F. F. Elaksher, and Y. E. Gamal, Plasma Sources Sci. Technol. 12, 185 (2003).
[CrossRef]

El-Rabii, H.

H. El-Rabii, S. B. Victprpv, and A. P. Yalin, J. Phys. D 42, 075203 (2009).
[CrossRef]

Gamal, Y. E.

M. A. Hafez, M. A. Khedr, F. F. Elaksher, and Y. E. Gamal, Plasma Sources Sci. Technol. 12, 185 (2003).
[CrossRef]

Giannoudakos, A.

I. Bassiotis, A. Diamantopoulou, A. Giannoudakos, F. Roubani-Kalantzopoulou, and M. Kompitsas, Spectrochim. Acta Part B 56, 671 (2001).
[CrossRef]

Gorbatenko, A. A.

N. B. Zorov, A. A. Gorbatenko, T. A. Labutin, and A. M. Popov, Spectrochim. Acta Part B 65, 642 (2010).
[CrossRef]

Hafez, M. A.

M. A. Hafez, M. A. Khedr, F. F. Elaksher, and Y. E. Gamal, Plasma Sources Sci. Technol. 12, 185 (2003).
[CrossRef]

Han, S. H.

S. H. Han, F. S. Hasoon, H. A. Al-Thani, A. M. Hermann, and D. H. Levi, J. Phys. Chem. Solids 66, 1895 (2005).
[CrossRef]

Hari Babu, N.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Hasoon, F. S.

S. H. Han, F. S. Hasoon, H. A. Al-Thani, A. M. Hermann, and D. H. Levi, J. Phys. Chem. Solids 66, 1895 (2005).
[CrossRef]

Heath, J. T.

J. T. Heath, J. D. Cohen, W. N. Shafarman, D. X. Liao, and A. A. Rockett, Appl. Phys. Lett. 80, 4540 (2002).
[CrossRef]

Heitz, J.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Hermann, A. M.

S. H. Han, F. S. Hasoon, H. A. Al-Thani, A. M. Hermann, and D. H. Levi, J. Phys. Chem. Solids 66, 1895 (2005).
[CrossRef]

In, J. H.

J. H. In, C. K. Kim, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 473 (2013).
[CrossRef]

C. K. Kim, J. H. In, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 460 (2013).
[CrossRef]

Irwin, A. W.

A. W. Irwin, Astrophys. J. Suppl. Ser. 45, 621 (1981).
[CrossRef]

Jeong, S.

J. H. In, C. K. Kim, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 473 (2013).
[CrossRef]

C. K. Kim, J. H. In, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 460 (2013).
[CrossRef]

Khedr, M. A.

M. A. Hafez, M. A. Khedr, F. F. Elaksher, and Y. E. Gamal, Plasma Sources Sci. Technol. 12, 185 (2003).
[CrossRef]

Kim, C. K.

J. H. In, C. K. Kim, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 473 (2013).
[CrossRef]

C. K. Kim, J. H. In, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 460 (2013).
[CrossRef]

Kompitsas, M.

I. Bassiotis, A. Diamantopoulou, A. Giannoudakos, F. Roubani-Kalantzopoulou, and M. Kompitsas, Spectrochim. Acta Part B 56, 671 (2001).
[CrossRef]

Kuzuya, M.

M. Kuzuya and H. Aranami, Spectrochim. Acta Part B 55, 1423 (2000).
[CrossRef]

Labutin, T. A.

N. B. Zorov, A. A. Gorbatenko, T. A. Labutin, and A. M. Popov, Spectrochim. Acta Part B 65, 642 (2010).
[CrossRef]

Laserna, J. J.

L. M. Cabalín and J. J. Laserna, Anal. Chem. 73, 1120 (2001).
[CrossRef]

Lee, S. H.

C. K. Kim, J. H. In, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 460 (2013).
[CrossRef]

J. H. In, C. K. Kim, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 473 (2013).
[CrossRef]

Levi, D. H.

S. H. Han, F. S. Hasoon, H. A. Al-Thani, A. M. Hermann, and D. H. Levi, J. Phys. Chem. Solids 66, 1895 (2005).
[CrossRef]

Liao, D. X.

J. T. Heath, J. D. Cohen, W. N. Shafarman, D. X. Liao, and A. A. Rockett, Appl. Phys. Lett. 80, 4540 (2002).
[CrossRef]

Lide, D. R.

D. R. Lide, Handbook of Chemistry and Physics (CRC, 2004).

Liu, H. C.

H. C. Liu, X. L. Mao, J. H. Yoo, and R. E. Russo, Spectrochim. Acta Part B 54, 1607 (1999).
[CrossRef]

Mao, X. L.

H. C. Liu, X. L. Mao, J. H. Yoo, and R. E. Russo, Spectrochim. Acta Part B 54, 1607 (1999).
[CrossRef]

X. L. Mao, A. C. Ciocan, and R. E. Russo, Appl. Spectrosc. 52, 913 (1998).
[CrossRef]

Miziolek, A. W.

A. W. Miziolek, V. Palleschi, and I. Schechter, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (Cambridge University, 2006), pp. 122–170.

Moser, A.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Palleschi, V.

A. W. Miziolek, V. Palleschi, and I. Schechter, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (Cambridge University, 2006), pp. 122–170.

Pedarnig, J. D.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Popov, A. M.

N. B. Zorov, A. A. Gorbatenko, T. A. Labutin, and A. M. Popov, Spectrochim. Acta Part B 65, 642 (2010).
[CrossRef]

Praher, B.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Rockett, A. A.

J. T. Heath, J. D. Cohen, W. N. Shafarman, D. X. Liao, and A. A. Rockett, Appl. Phys. Lett. 80, 4540 (2002).
[CrossRef]

Roubani-Kalantzopoulou, F.

I. Bassiotis, A. Diamantopoulou, A. Giannoudakos, F. Roubani-Kalantzopoulou, and M. Kompitsas, Spectrochim. Acta Part B 56, 671 (2001).
[CrossRef]

Russo, R. E.

H. C. Liu, X. L. Mao, J. H. Yoo, and R. E. Russo, Spectrochim. Acta Part B 54, 1607 (1999).
[CrossRef]

X. L. Mao, A. C. Ciocan, and R. E. Russo, Appl. Spectrosc. 52, 913 (1998).
[CrossRef]

Schechter, I.

A. W. Miziolek, V. Palleschi, and I. Schechter, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (Cambridge University, 2006), pp. 122–170.

Shafarman, W. N.

J. T. Heath, J. D. Cohen, W. N. Shafarman, D. X. Liao, and A. A. Rockett, Appl. Phys. Lett. 80, 4540 (2002).
[CrossRef]

Siraj, K.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Stehrer, T.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Victprpv, S. B.

H. El-Rabii, S. B. Victprpv, and A. P. Yalin, J. Phys. D 42, 075203 (2009).
[CrossRef]

Viskup, R.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Vlad, A.

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Watson, J.

R. S. Adrain and J. Watson, J. Phys. D 17, 1915 (1984).
[CrossRef]

Yalin, A. P.

H. El-Rabii, S. B. Victprpv, and A. P. Yalin, J. Phys. D 42, 075203 (2009).
[CrossRef]

Yoo, J. H.

H. C. Liu, X. L. Mao, J. H. Yoo, and R. E. Russo, Spectrochim. Acta Part B 54, 1607 (1999).
[CrossRef]

Zorov, N. B.

N. B. Zorov, A. A. Gorbatenko, T. A. Labutin, and A. M. Popov, Spectrochim. Acta Part B 65, 642 (2010).
[CrossRef]

Anal. Chem. (1)

L. M. Cabalín and J. J. Laserna, Anal. Chem. 73, 1120 (2001).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

J. T. Heath, J. D. Cohen, W. N. Shafarman, D. X. Liao, and A. A. Rockett, Appl. Phys. Lett. 80, 4540 (2002).
[CrossRef]

Appl. Spectrosc. (1)

Astrophys. J. Suppl. Ser. (1)

A. W. Irwin, Astrophys. J. Suppl. Ser. 45, 621 (1981).
[CrossRef]

J. Anal. At. Spectrom. (2)

J. H. In, C. K. Kim, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 473 (2013).
[CrossRef]

C. K. Kim, J. H. In, S. H. Lee, and S. Jeong, J. Anal. At. Spectrom. 28, 460 (2013).
[CrossRef]

J. Phys. Chem. Solids (1)

S. H. Han, F. S. Hasoon, H. A. Al-Thani, A. M. Hermann, and D. H. Levi, J. Phys. Chem. Solids 66, 1895 (2005).
[CrossRef]

J. Phys. D (2)

R. S. Adrain and J. Watson, J. Phys. D 17, 1915 (1984).
[CrossRef]

H. El-Rabii, S. B. Victprpv, and A. P. Yalin, J. Phys. D 42, 075203 (2009).
[CrossRef]

Plasma Sources Sci. Technol. (1)

M. A. Hafez, M. A. Khedr, F. F. Elaksher, and Y. E. Gamal, Plasma Sources Sci. Technol. 12, 185 (2003).
[CrossRef]

Spectrochim. Acta (1)

J. D. Pedarnig, J. Heitz, T. Stehrer, B. Praher, R. Viskup, K. Siraj, A. Moser, A. Vlad, M. A. Bodea, D. Bäuerle, N. Hari Babu, and D. A. Cardwell, Spectrochim. Acta 63, 1117 (2008).
[CrossRef]

Spectrochim. Acta Part B (4)

N. B. Zorov, A. A. Gorbatenko, T. A. Labutin, and A. M. Popov, Spectrochim. Acta Part B 65, 642 (2010).
[CrossRef]

H. C. Liu, X. L. Mao, J. H. Yoo, and R. E. Russo, Spectrochim. Acta Part B 54, 1607 (1999).
[CrossRef]

M. Kuzuya and H. Aranami, Spectrochim. Acta Part B 55, 1423 (2000).
[CrossRef]

I. Bassiotis, A. Diamantopoulou, A. Giannoudakos, F. Roubani-Kalantzopoulou, and M. Kompitsas, Spectrochim. Acta Part B 56, 671 (2001).
[CrossRef]

Other (3)

A. W. Miziolek, V. Palleschi, and I. Schechter, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (Cambridge University, 2006), pp. 122–170.

D. R. Lide, Handbook of Chemistry and Physics (CRC, 2004).

http://physics.nist.gov/asd3 .

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1.
Fig. 1.

Typical atomic emission spectra of CIGS (laser irradiance: 1.64GW/cm2)

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Measured and calculated normalized intensity ratios between elements with respect to laser irradiance (gate delay=0.2μs) and (b) measured intensity ratios for varying gate delay (laser irradiance: 1.64GW/cm2).

Fig. 3.
Fig. 3.

(a) Plasma temperature and electron density estimated with measured spectra and (b) calculated neutral atom ratio between elements for varying laser irradiance (Gate delay: 0.2 μs).

Tables (1)

Tables Icon

Table 1. Spectral Characteristics of Ga(I), In(I), and Cu(I) Lines [11] (λ: Wavelength; g: Degeneracy; A: Transition Probability; E: Energy Level; i, j: Upper and Lower Levels, Respectively)

Equations (4)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

Iij=hc4πλijNWU(T)giAijexp(EikT),
IijαIijβ=NαWαgiαAijαλijβUβ(T)NβWβgiβAijβλijαUα(T)exp(EiαEiβkT).
ne=2(2πmekT)32h3(giAijIijλij)ion(IijλijgiAij)atom×exp(V++Ei,ionEi,atomkT),
NionNatom=2(2πmekT)32neh3Uion(T)Uatom(T)exp(V+kT),

Metrics