[發(fā)明專利]導(dǎo)電原子力顯微鏡的探針以及采用此探針的測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201110182011.2
• 申請(qǐng)日: 2011-06-30
• 公開（公告）號(hào): CN102353817A
• 公開（公告）日: 2012-02-15
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 徐耿釗;劉爭暉;鐘海艦;樊英民;徐科
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所
• 主分類號(hào): G01Q60/40
• 分類號(hào): G01Q60/40;G01R31/00
• 代理公司: 上海翼勝專利商標(biāo)事務(wù)所(普通合伙) 31218
• 代理人: 孫佳胤;翟羽

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及半導(dǎo)體材料測(cè)試技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種導(dǎo)電原子力顯微鏡的探針以及采用此探針的測(cè)量方法。

背景技術(shù)

對(duì)導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體等樣樣品的表面形貌進(jìn)行微納米尺度的高精度成像，是原子力顯微鏡的基本功能。除此之外，借助在原子力顯微鏡懸臂探針表面沉積金屬等導(dǎo)電薄膜，還可以對(duì)樣品表面微納米尺度的微區(qū)電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行如下的測(cè)試分析：第一，導(dǎo)電原子力顯微鏡模式，在探針的金屬鍍膜和樣品之間加載偏壓，從而在探針和樣品表面相接觸時(shí)產(chǎn)生電流，通過測(cè)量這個(gè)電流和電壓的關(guān)系，可以得到半導(dǎo)體在微納米尺度的局域電導(dǎo)等電學(xué)性質(zhì)；第二，當(dāng)一束光照射在探針尖端附近，由于金屬表面等離激元震蕩、尖端放電的“避雷針”效應(yīng)以及針尖和偶極震蕩天線效應(yīng)等三個(gè)原因，會(huì)將電磁場局域在針尖周圍形成增強(qiáng)的近場光學(xué)信號(hào)，這些信號(hào)被顯微物鏡等光學(xué)系統(tǒng)收集，從而得到突破衍射極限的光學(xué)空間分辨率。這些電學(xué)和光學(xué)測(cè)量模式大大拓展了原子力顯微鏡的應(yīng)用領(lǐng)域。

但是在普通的原子力顯微鏡探針上沉積以鉑、金、銀和鈷等傳統(tǒng)金屬薄膜所構(gòu)成的導(dǎo)電原子力探針，在將原子力顯微鏡應(yīng)用于上述局域電學(xué)和光學(xué)測(cè)試領(lǐng)域也有一定的局限性。一方面，對(duì)于寬禁帶半導(dǎo)體樣品，由于普通金屬和半導(dǎo)體之間功函數(shù)差異巨大，在探針尖端的金屬膜和樣品表面之間會(huì)形成比較高的肖脫基勢(shì)壘，和高接觸電阻，使得測(cè)量的電流-電壓曲線更主要的反映的是針尖和樣品間的接觸電阻，而不是待測(cè)半導(dǎo)體樣品本身在微納米尺度的局域?qū)щ娦再|(zhì)。另一方面，在針尖增強(qiáng)近場光學(xué)領(lǐng)域，傳統(tǒng)金屬的表面等離激元震蕩的頻率處于可見光(金、銀等)波段和紫外(鋁)波段，因此鍍有傳統(tǒng)金屬薄膜的原子力顯微鏡探針在這些波長范圍內(nèi)對(duì)電磁場有顯著的局域增強(qiáng)效果，可達(dá)10³～10⁷倍，從而使光學(xué)空間分辨率能達(dá)到20nm。而在太赫茲波段，光子的能量正好可以激發(fā)有機(jī)分子內(nèi)的振動(dòng)能級(jí)，以及半導(dǎo)體內(nèi)載流子的震蕩，因而自上世紀(jì)90年代開始發(fā)展太赫茲時(shí)間分辨光譜學(xué)以來，太赫茲探測(cè)技術(shù)在生物有機(jī)分子、藥物分子的識(shí)別探測(cè)，和半導(dǎo)體器件內(nèi)載流子的摻雜種類和摻雜濃度的分布探測(cè)等方面顯示出了優(yōu)勢(shì)。在這些探測(cè)中，人們感興趣的結(jié)構(gòu)的尺寸已經(jīng)發(fā)展到了幾十到幾百納米的尺度，通過針尖增強(qiáng)近場光學(xué)方法提高空間分辨率是這種探測(cè)手段發(fā)展方向之一。但是利用普通的金屬鍍膜原子力顯微鏡探針，由于它們的等離激元震蕩頻率都遠(yuǎn)離太赫茲頻率，針尖增強(qiáng)效果有限。這使得其空間分辨率雖然也能夠優(yōu)于衍射極限，但仍然難以滿足對(duì)微納米結(jié)構(gòu)探測(cè)的需要。在上述這兩點(diǎn)應(yīng)用中，鍍有傳統(tǒng)金屬薄膜的原子力顯微鏡探針顯示出了局限性。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，提供一種導(dǎo)電原子力顯微鏡的探針以及采用此探針的測(cè)量方法，在不改變現(xiàn)有原子力顯微鏡工作模式的前提下，能夠在寬禁帶半導(dǎo)體表面進(jìn)行局域電學(xué)測(cè)量時(shí)，降低針尖樣品接觸電阻對(duì)測(cè)量結(jié)果的貢獻(xiàn)，使結(jié)果更真實(shí)地反映樣品自身的局域?qū)щ娦再|(zhì)，并且在太赫茲波段進(jìn)行針尖增強(qiáng)近場光學(xué)探測(cè)，提高增強(qiáng)倍率和空間分辨率。

為了解決上述問題，本發(fā)明提供了一種導(dǎo)電原子力顯微鏡的探針，包括懸臂探針基底、針尖和設(shè)置在針尖表面的導(dǎo)電薄膜，所述導(dǎo)電薄膜的材料是石墨烯。

本發(fā)明利用了石墨烯是由碳原子組成的可薄至單原子層的，零帶隙、半金屬的二維層狀薄膜材料的特點(diǎn)，可利用化學(xué)氣象沉積、機(jī)械解理等方法制得。其導(dǎo)電性好，其電子遷移率實(shí)驗(yàn)測(cè)量值超過15000cm²/vs(載流子濃度n≈10¹³cm^-2)，并且費(fèi)米面可隨充放電自我調(diào)節(jié)，具有較低的載流子注入勢(shì)。此外，石墨烯的電子等離激元震蕩頻率正好位于太赫茲波段(1～10THz)，材質(zhì)柔軟，熱力學(xué)穩(wěn)定性強(qiáng)。這些都是利用其替代傳統(tǒng)金屬材料作為原子力顯微鏡探針表面鍍膜，從而突破上述兩點(diǎn)局限的物理基礎(chǔ)。

附圖說明

附圖1所示是本發(fā)明具體實(shí)施方式所述導(dǎo)電原子力顯微鏡的探針的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2所示是采用本發(fā)明的導(dǎo)電原子力顯微鏡探針，在半導(dǎo)體表面測(cè)量局域電流-電壓譜線的示意圖。

圖3所示是使用本發(fā)明的導(dǎo)電原子力顯微鏡探針進(jìn)行太赫茲波段無孔針尖近場光學(xué)探測(cè)的示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明提供的一種導(dǎo)電原子力顯微鏡的探針以及采用此探針的測(cè)量方法的具體實(shí)施方式做詳細(xì)說明。