[發明專利]原子力顯微鏡系統及其電流檢測方法

有效

• 申請號: 202110246800.1
• 申請日: 2021-03-05
• 公開（公告）號: CN113092825B
• 公開（公告）日: 2022-12-30
• 發明（設計）人: 丁喜冬;謝偉廣;陳建;劉彭義;陳弟虎;羅永震
• 申請（專利權）人: 中山大學;暨南大學
• 主分類號: G01Q60/24
• 分類號: G01Q60/24
• 代理公司: 北京睿智保誠專利代理事務所(普通合伙) 11732
• 代理人: 周新楣

本申請涉及一種原子力顯微鏡系統及其電流檢測方法，在基于導電針尖自感應探針的原子力顯微鏡系統中，首先對導電針尖自感應探針施加探針激勵信號使其進入振動工作模式進行待測樣品當前位置的形貌掃描操作。之后將導電針尖自感應探針切換為靜態工作模式實現待測樣品當前位置的電壓?電流測量操作，最后將導電針尖自感應探針移動到下一位置進行下一位置的檢測。上述方案，在進行原子力顯微鏡形貌掃描的同時，實現局域電阻、或電流的測量或成像。這樣，既有動態原子力顯微鏡形貌成像的優點，即對樣品的作用力較小，成像效果好，又有接觸原子力顯微鏡電流測量的優點，可施加較大的斥力作用，可獲得穩定可靠的形貌成像和電流測量。

技術領域

本申請涉及掃描成像技術領域，特別是涉及一種原子力顯微鏡系統及其電流檢測方法。

背景技術

掃描探針顯微鏡(Scanning Probe Microscope，SPM)采用尖銳的探針在樣品表面掃描的方法來獲取樣品表面一些性質的設備，不同的SPM主要是針尖特性及針尖-樣品相互作用的不同。其中，目前以原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope，AFM)應用最為廣泛。

原子力顯微鏡通常使用一個一端固定而另一端帶有針尖的彈性微懸臂來檢測樣品表面形貌或其他表面性質，當樣品或針尖掃描時，同距離有關的針尖樣品間相互作用力就會引起微懸臂發生形變。基于AFM的導電針尖的電流測量成像方法主要包括基于導電AFM(C-AFM)的電壓-電流特性曲線測量(I-V curve)、掃描傳輸電阻顯微鏡(scanningspreading resistance microscopy，SSRM)、掃描差分傳輸電阻顯微鏡(scanningdifferential spreading resistance microscopy，SDSRM)以及隧道原子力顯微鏡(tunnelling atomic force microscopy，TUNA)等。這些技術不僅具有AFM本身的高分辨的形貌成像的功能，還具有多種電學測量功能，能夠同時對半導體樣品的導電性進行高分辨的測量和成像。

目前，大氣環境AFM通常采用基于激光位置檢測的微懸臂探針，用于形貌成像的AFM探針的針尖通常不需要導電，但導電原子力顯微鏡(C-AFM)的一類重要應用納米尺度的電學性質的測量成像中，需要采用針尖導電的AFM探針，例如SSRM、TUNA、NIM(納米阻抗顯微鏡)等。在具體測量的實現方法上，電流-電壓曲線(I-V Curve)、傳輸電阻(SSRM)、或納米局域的阻抗(NIM)等為了使探針和樣品將保持良好的電接觸，通常需要直接接觸并保持較大的力，如10nN-1000nN量級。并且，為了能夠檢測到隧穿電流，TUNA AFM則需要針尖和樣品間保持適當的距離，也即在電流測量時，需要控制探針-樣品間的距離或相互作用力的大小。

然而，采用壓電自感應探針的導電原子力顯微鏡中，壓電自感應探針的導電針尖和音叉叉臂上的電極實際上是連接在一起的，由于音叉激勵信號和電流信號在該引出電極上同時存在，通常并不能單獨直接地測量得到壓電信號和電流信號；其次是在形貌成像時，探針的懸臂和針尖都處于機械振動的狀態，因此從原理上說，難以保持恒定的接觸力或恒定的針尖-樣品間距。因此，采用壓電自感應探針的導電原子力顯微鏡存在電流檢測可靠性差的缺點。

發明內容

基于此，有必要針對傳統的采用壓電自感應探針的導電原子力顯微鏡存在電流檢測可靠性差的問題，提供一種原子力顯微鏡系統及其電流檢測方法。

一種原子力顯微鏡系統的電流檢測方法，包括：向原子力顯微鏡系統的導電針尖自感應探針施加探針激發信號，對待測樣品的當前測量位置進行形貌掃描；當當前測量位置的形貌掃描完成時，控制所述導電針尖自感應探針進入靜態工作模式；控制所述導電針尖自感應探針和所述待測樣品之間保持恒定作用力，并輸出偏壓信號對所述待測樣品的當前測量位置進行電壓-電流測量；當當前測量位置的電壓-電流測量完成時，控制所述導電針尖自感應探針移動至所述待測樣品的下一測量位置，并返回向原子力顯微鏡系統的導電針尖自感應探針施加探針激發信號，對待測樣品的當前測量位置進行形貌掃描的步驟，直至所述待測樣品的所有測量位置均完成檢測。