[發(fā)明專利]一種測量掃描探針顯微鏡導(dǎo)電針尖的特征電容的方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 200710065240.X
• 申請日: 2007-04-06
• 公開（公告）號: CN101281219A
• 公開（公告）日: 2008-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 戚桂村;楊延蓮;嚴昊;王琛
• 申請（專利權(quán)）人: 國家納米科學(xué)中心
• 主分類號: G01R27/26
• 分類號: G01R27/26
• 代理公司: 北京泛華偉業(yè)知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司
• 代理人: 高存秀

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于表面物理技術(shù)領(lǐng)域，具體地說，本發(fā)明涉及一種測量掃描探針顯微鏡(Scanning?Probe?Microscope，縮寫為SPM)導(dǎo)電針尖特征電容C的新方法。

背景技術(shù)

通過作用于導(dǎo)電針尖或樣品的偏壓可以測量針尖與樣品之間的長程靜電相互作用力，可以用來探測樣品的表面電荷，表面電勢，鐵電材料的靜態(tài)、動態(tài)性能，單根納米管的電輸運特性等等。金屬樣品的表面電荷或電介質(zhì)偶極子極化分布不僅僅與表面電勢有關(guān)，而且與針尖和樣品之間的電容有關(guān)。一般的導(dǎo)電掃描探針顯微鏡(Conductive?Scanning?Probe?Microscope，縮寫為CSPM)針尖是一個不規(guī)則的金字塔型針尖，針尖和樣品之間的電容與針尖的形狀及針尖-樣品間距有很大關(guān)系，對于一個特定的針尖，其特征電容就與針尖-樣品間距相關(guān)。導(dǎo)電針尖的特征電容對于樣品的表面電荷分布、偶極子分布等的測量至關(guān)重要，所以尋找一種簡單的方法測量針尖的特征電容對于電子學(xué)參量的定量、半定量化測量具有非常重要的意義。到目前為止已經(jīng)有一些報道是利用CSPM針尖與樣品之間的電容C關(guān)系來研究樣品的性能，但是對于CSPM針尖特征電容的測定方法的研究卻極少，而且都是在忽略樣品表面電荷對針尖作用力的基礎(chǔ)上，測定電容二階導(dǎo)數(shù)C″與針尖-樣品間距h的關(guān)系，然后積分兩次得到C與h之間的關(guān)系(可參考Todd?D.Krauss，Stephen?O’Brien?et?al，J.Phys.Chem.B?2001，105，1725，及Todd?D.Krauss，Louis?E.Brus，Physical?Review?Letters?1999，83，23，4840)。這種測量方法雖然比較簡單，但是需要積分兩次，引入了一個不確定的一次項，這樣的不確定項使得針尖特征電容，即特定針尖的電容隨針尖樣品間距的關(guān)系中存在多個不可知的系數(shù)以及常數(shù)項，造成測量結(jié)果的不確定性增加。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種不需要進行兩次積分的測量SPM導(dǎo)電針尖特征電容C的新方法。

為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明提供的測量掃描探針顯微鏡導(dǎo)電針尖的特征電容的方法，包括如下步驟：

上述技術(shù)方案中，所述步驟1)中，包括如下子步驟：

11)用掃描探針顯微鏡對樣品進行掃描，在主掃描過程中，反饋系統(tǒng)開啟，每一條掃描線進行一次往復(fù)掃描，探測樣品表面形貌；

12)然后將針尖抬高一定的高度h，將反饋系統(tǒng)關(guān)閉，對針尖施加臺階偏壓，同時對樣品施加直流偏壓，沿主掃描軌跡重復(fù)做一次往復(fù)掃描；測量掃描過程中驅(qū)動針尖振蕩的激勵交變信號和針尖實際振蕩信號之間的相位角差值φ；

所述步驟2)中，首先繪出所述相位角差值φ隨針尖-樣品電壓(V_t-V_s)變化的坐標(biāo)圖，然后對該圖做線性擬合得到斜率k；計算所述斜率k與施加在樣品上的直流偏壓V_s的比值k/V_s；

所述步驟3)中，包括如下子步驟：

31)將針尖抬高到另一高度，重復(fù)所述步驟12)、步驟2)，得出在該高度下的比值k/V_s；

32)不斷重復(fù)步驟4)，得出一系列不同高度下的比值k/V_s；繪出k/V_s隨針尖抬高高度h變化的坐標(biāo)曲線；對所述曲線以公式k/V_s＝AC′＝A₀(h+H₀)^a做擬合，得出C′與h的關(guān)系式；其中C′是針尖與樣品之間的電容對針尖抬高高度h的導(dǎo)數(shù)，H₀為針尖電荷中心到針尖尖端的距離，A和A₀均為常數(shù)，a為針尖曲率半徑相關(guān)的指數(shù)因子；

33)對C′與h的關(guān)系式進行積分，得出C與h的關(guān)系式；其中C為針尖與樣品之間的電容。

上述技術(shù)方案中，所述步驟31)中，將針尖抬高到另一高度前，重新對樣品進行一次主掃描，探測出樣品表面形貌。

上述技術(shù)方案中，所述步驟12)中，所述相位角差值φ通過掃描探針顯微鏡系統(tǒng)自帶的鎖相裝置測出。

上述技術(shù)方案中，所述步驟12)中，測量所述相位角差值φ時，首先將激勵信號的相位角歸于零度，然后直接測量針尖實際振蕩信號的相位角得出所述相位角差值φ。

上述技術(shù)方案中，所述步驟12)中，樣品上的直流偏壓通過SPM的偏壓通道或用外引線的方法施加。

上述技術(shù)方案中，所述步驟12)中，對針尖施加的臺階偏壓遠小于對樣品表面施加電壓。