[發明專利]一種掃描電鏡半導體納米線光機電耦合特性原位表征方法

有效

• 申請號: 202011140872.X
• 申請日: 2020-10-22
• 公開（公告）號: CN112305001B
• 公開（公告）日: 2021-08-31
• 發明（設計）人: 曲鈞天;張震
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: G01N23/2251
• 分類號: G01N23/2251
• 代理公司: 北京三聚陽光知識產權代理有限公司 11250
• 代理人: 張建綱

本發明涉及一種單根半導體納米線原位表征方法，尤其涉及一種在掃描電子顯微鏡中應用的單根半導體納米線光機電耦合特性原位表征方法。本發明方法在掃描電鏡中的建立了單根半導體納米線光機電耦合特性原位表征系統，可開展四種類型的半導體納米線耦合特性原位表征：1)光電耦合特性原位表征，2)光機耦合特性原位表征，3)機電耦合特性原位表征，4)光機電耦合特性原位表征。本發明優點在于：在掃描電鏡中一體化集成了半導體納米線的光學、機械和電學表征器件，建立了高效的單根半導體納米線光機電耦合特性原位表征系統，可以靈活適應不同類型的半導體納米線耦合特性原位表征需求，操作簡單、高效、應用范圍廣。

技術領域

本發明涉及一種單根半導體納米線原位表征方法，尤其涉及一種 在掃描電子顯微鏡中應用的單根半導體納米線光機電耦合特性原位 表征方法。

背景技術

近年來，一維納米結構在科技領域展現了卓越的應用前景(例如， 納米線、納米帶和納米管)，其中，一維半導體納米線，由于優越的 物化特性、光學特性(如亞波長光學現象)、高強度的機械特性以及 電子器件的良好嵌入性，已被廣泛應用于新一代電子器件、可持續能 源、能量轉換、生物傳感器和光電子等領域。因此，如何通過實驗方 法精確表征半導體納米線先進的電學、光學和機械特性對上述的這些 實際應用起著至關重要的作用。

迄今為止，已有多種實驗技術應用于半導體納米線的原位機械和 電學特性表征。例如，使用原子力顯微鏡(AFM)對納米線的耦合 特性表征，如硅納米線的壓阻特性測試和氧化鋅納米線的壓電測試等。 相比于傳統的實驗表征技術，近年來新興的基于掃描電子顯微鏡 (SEM)的納米操控技術可以對納米線的多物理場特性原位表征提供 更強大的支持，可以實現更精密、直觀和實時的納米材料原位表征。 已有一系列研究利用掃描電鏡納米操控技術進行半導體納米線的原 位表征，如利用掃描電鏡納米操控技術可以實現硅納米線的壓阻特性 原位表征。

然而，在半導體納米線的多物理場原位表征領域，目前仍存在以 下問題和挑戰：1)原位光學表征中，在狹小的掃描電鏡真空腔內嵌 入光學表征器件的難度很大；2)原位電學表征中，常用的兩點探測 方法會帶來探針和納米線之間的接觸電阻問題，影響電學特性的表征 準確度；3)原位機械表征中，如何對納米線施加精確量化的納米級 應力也是一個挑戰。因此，開展掃描電鏡中的半導體納米線多物理場 (光機電)耦合特性原位表征是亟待解決的難題。

發明內容

本發明的目的在于建立一種掃描電鏡中的單根半導體納米線光 機電耦合特性原位表征方法，解決了目前在掃描電鏡中缺少有效的半 導體納米線光機電耦合特性原位表征方法的問題。該方法建立了掃描 電鏡中的單根半導體納米線光機電耦合特性原位表征系統，并利用該 系統開展了四種類型的半導體納米線耦合特性原位表征：1)光電耦 合特性原位表征，2)光機耦合特性原位表征，3)機電耦合特性原位 表征，4)光機電耦合特性原位表征。該方法在掃描電鏡中一體化集 成了半導體納米線的光學表征、機械表征和電學表征器件，可實現單 根半導體納米線光機電耦合特性的原位表征，并靈活適應不同類型的耦合特性原位表征需求，操作簡單、高效、應用范圍廣，適用于不同 種類的半導體納米線。

首先在掃描電鏡中建立了單根納米線光機電耦合特性原位表征 系統，系統結構如圖1所示，該系統由以下部分組成：

①掃描電子顯微鏡，②納米操控定位平臺，③納米定位器，④力 學探針(AFM導電力學傳感探針)，⑤微米級光纖，⑥電學探針(導 電鎢探針)。

系統的整體架構策略：如圖1所示，在掃描電鏡真空腔體內部， 首先固定好納米操控定位平臺，然后在操控平臺的四個納米定位器上 分別嵌入導電鎢探針、AFM導電力學傳感探針和兩個微米級光纖(分 別用于光信號的激發和檢測)，這樣可以建立半導體納米線光機電耦 合特性原位表征系統。系統的各個組成部分承擔不同的功能，簡介如 下：

(1)掃描電子顯微鏡可以為納米操控提供穩定的高真空環境和實 時的納米精度視覺反饋，同時在真空腔內可以嵌入電場、光場和機械 場驅動和傳感裝置，為光機電耦合特性原位表征提供穩定的操控環境。