静电力显微镜.pdf

第 !“ 卷 第 # 期!““$ 年 % 月电子显微学报!“#$%(78957;?’@;’A>，:05） ， 使人类第一次实时的观察单个原子在物质表面的排列状态和与表面电子行为 有关的物理化学性质至此， 建立在 “+$ 至 $““8B 尺度上的纳米科技得到了迅速发展在 :05基础上发展起来的扫描探针显微镜 （:; 57;?’@;’A>，:C5） 家族， 近年来已发展为成熟的具有原子级分辨率的表面微观形貌测量工具， 不仅可用来测量导体， 而且可用于绝缘体， 为人类提供了一种认识微观世界有效工具 可使用静电力显微镜 （E(>;F?’@F 57;?’@;’A>，EG5） 来测量样品局部电特性， 如表面电势、 表面电荷以及铁电材料掺杂结构［$， !］已经应用于微电子元器件、 超大规模集成电路、 微电子机械系统以及纳米材料的微观电特性的研究例如， 利用高灵敏度的静电力显微镜测量了 :7#*.的表面离子的移动以及其空间分布［#］表面流动电荷的运动是影响半导体元件和 3H 系统性能不稳定的主要原因， 因此使用 EG5 对这种电荷成像， 尤其在其它方法观察不能确定时为元件的设计提供了非常有益的信息， 而且 EG5 使用的纳米级探针可获得更高的分辨率。

可用于研究电荷的捕捉-释放技术11/ 年， 科学家首次成功的用单电子移动单电子， 利用这种技术可望获得速度和存贮容量都比现在提高成千上万倍的量子计算机其中关键技术为单电荷的操作技术， 将电子作为波动处理的纳米电子学将使量子元件代替微电子元器件， 这种量子器件具有超高速、 超容量、 超微型、 低功耗的特点例如， 有人利用扫描电容显微镜 （:; 57;?’@;’A>，:H5） 来研究 :7I!-:7 材料的电荷捕获-释放现象［.］与表面电荷测量一样:H5 能够实现局部电荷捕捉-释放， 在实现超高密度存储技术中具有巨大潜能扫描静电力显微测量技术的发展56扫描静电力显微测量原理与成像方式!.71 的工作原理 现有的 EG5 与 :H5 都是在基于微悬臂的原子力显微镜 （2F’B7; G’?;> 57;?’@;’A>，2G5） 的基础上开发的即在悬臂针尖与样品之间施加可调交流电压信号， 二者之间产生静电力， 由!! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! !于样品图 !“#$ 的工作原理#%/))%?*)/+@?,A 等人在此基础上利用 “#$ 观察了铁电B铁弹材料 C5D（$0EF） 的掺杂结构， 获得了铁电体的结构图像［G］。

77! 年， H $ I J/?K/) 等人在大气条件下测量了半导体器件 （运算放大器） 局部表面电势， 分辨率达到纳米级 （68+4）［L］ 的三种测量模式 （图 !）图 !#$% 三种扫描模式的成像比较 检测方式， 也是测量远程力所采用的方法从理论上我们可以控制针尖在完全脱离表面但又非常接近的距离上进行扫描， 但在实际操作中难度是很大的， 一般控制在 955’8 左右， 由于样品和针尖之间的距离较大， 使得非接触模式的分辨率比接触模式的分辨率要低此外， 样品的表面形貌和静电力混合作用于针尖， 导致测量结果无法分离样品表面相貌与静电力信息， 如表面电势的突然变化、 表面电荷都可以产生一个强大的静电力力梯度场， 因此探针的轨迹并不是反映样品的真实形貌， 而是静电力和范德华力共同作用的力梯度场的轮廓［.］同样， 这种混合作用也导致了测量样品电特性时的误差轻敲模式下的 !“# 轻敲模式扫描过程中微悬臂也是振荡的， 并具有比非接触更大的振幅 （大于 75’8） ， 可达 956 955’8， 针尖在振荡时间断地与样品接触［99］由于针尖同样品接触， 分辨率几乎和接触式扫描一样的高， 但由于接触是短暂的， 因此剪切力引起的对样品的破坏几乎完全消失， 克服了常规扫描模式的局限性。

轻敲模式在大气中成像， 是利用压电晶体在微悬臂共振频率附近驱动微悬臂振荡当样品不与针尖接触时， 微悬臂是高振幅自由振荡的， 当针尖向下移向表面直到它轻轻接触表面， 由于微悬臂没有足够空间去振荡， 其振幅会减小使用检测器检测这个振幅， 通过调整针尖和样品的距离来控制微悬臂振幅， 使得针尖作用在表面上的力恒定， 从而得到样品的表面形貌同时， 针尖和样品间由于施加另一个可调交流电压产生的静电力受到轻敲振荡信号的调制，利用锁相放大技术可以提取样品表面的电性质信号 等人应用交流可调静电力调节在轻敲模式下获得了直径 955’8 的聚苯乙烯分子团的清晰图像［97］轻敲模式避免了针尖粘附到样品上以及扫描过程中对样品的破坏， 对于软、 粘和脆性样品的研究具有独到的优势但轻敲模式同样在实际运用中存在着不易控制的缺点， 对于表面形貌起?@7电子显微学报第 75 卷伏较大的样品， 很难控制振幅恒定此外， 基于微悬臂的 !“# 在实际应用中， 要求微悬臂和针尖的制作既要得到较高的质量， 同时具有很好的可重复性是很困难的， 不仅需要一个结构复杂的微小悬臂作为力的传感器， 而且还要一个激光干涉测微仪用于检测微悬臂的微小位移来获得表面变化信息， 因而结构较为复杂， 成本也很高， 操作难度增大， 也就造成其在应用中的局限性， 是现在需要解决的问题。

微力传感器技术的发展 压电材料， 如压电陶管和压电晶体是驱动悬臂和工作台移动的执行部件， 但将压电材料直接作为微力传感器， 则是最近才发展起来的新技术压电晶体本身具有的高频率稳定性、 高灵敏度的特点得到了人们的注意， 并围绕其展开了一系列的工作在非接触测量模式中， 微悬臂是要靠压电驱动器进行驱动来做小幅的振动， 随着 $% 模式的发展， 人们开始认识到寻求具有高频固有频率的悬臂作为直接力传感器的可能性微石英晶振具有稳定的高频振荡特性［?HBGIJCK 的音叉作为传感器构成扫描近场声显微镜 （L5-00M0N O/--4PQM/+D $5=.F7M5 #M54=F5=R/，LO$#） ， 其水平分辨率可达 A!,， 垂直分辨率G0,［?第 ; 期王志勇等：扫描静电力显微镜及其电荷捕获S释放技术放技术［!］， “ # “$%$1? A (:;G)“ /(%C- 2! $%(,,):; (:H H!$!#$)! I1’#(::):; #(,(#)$(:#! +)#%):; (:;G)“， @0)+ E F- ?!(’B%!+!:$ ! H)’$%)IB$)):; (:(“1T!H I1 ’B%*(#! #0(%;! +!$0 ， /(%C >(:;G)“- O(,,):; + !“!#$%! ’$! ): A *， E9._F 9G0()， P.J #0， 9B(T0 ^:)Z!%’)$1 !“!#$%! $%(,,):;LH!$%(,,):; B’):; RW?$!#0:)[B!’，$0!)% “($!’$ H!Z!“ ’B%*(#! #0(%;!H!:’)$1，’B%*(#! ,! (I)“)$1 (:H ,% Z!“ *! ’$!M5K第 5 期王志勇等：扫描静电力显微镜及其电荷捕获L释放技术扫描静电力显微镜及其电荷捕获/释放技术扫描静电力显微镜及其电荷捕获/释放技术作者：王志勇， 张鸿海， 鲍剑斌， 郭文明， 汪学方 作者单位：华中科技大学机械科学与工程学院, 刊名：电子显微学报 英文刊名：JOURNAL OF CHINESE ELECTRON MICROSCOPY SOCIETY 年，卷(期)：2001，20(3) 被引用次数：2次参考文献(23条)参考文献(23条)1.Martin Y.Abraham D W.Wickramasinghe H K High-resolution capacitance measurement andpotentiometry by force microscopy 1988(13)2.Bluhm H.Wadas A.Wiesendanger R.Meyer K K, Szczesniak L Electrostatic force microscopy onferroelectric in inert gas atmosphere 19963.Domansky K.Leng Y.Williams C C.Janata J, Petelenz D Mapping of mobile charges on insulatorsurfaces with electrostatic force microscope 19934.Hong J W.Shin S M.Kang C J.Kuk Y, Khim Z G, Sang-il Park Local charge trapping anddetection of trapped charge by scanning capacitance microscope in the SiO2/Si system 19995.白春礼 扫描力显微术 20006.Terris B D.Stern J E.Rugar D.Mamin H J Localized charge force microscopy 1990(01)7.Saurenbach F.Terris B D Imaging of ferroelectric domain walls by force microscopy 19908.Weaver J M R.Abraham David W High-resolution atomic force microscopy potentiometry1991(03)9.Hong J W.Park Sang-il.Khim Z G Measurement of hardness, surface potential and chargedistribution with dynamic contact mode electrostatic force microscope 199910.Watanabe S.Hane K.Ohye T.Ito M, Goto T Electrostatic force microscope imaging analyzed bysurface charge method 1993(05)11.白春礼.田芳 扫描力显微镜 1998(1-2)12.Hong J W.Khim Z G.Hou A S.Park Sang-il Tapping mode atomic force microscopy usingelectrostatic force modulation 199613.Albrecht T R.Grutter P 查看详情 199114.Fverking M E 晶体振荡器设计与温度补偿 198515.Gert Goch 查看详情 199416.Edwards Hal Fast, high-resolution atomic force microscopy using a quartz tuning fork asactuator and sensor 1997(03)17.曾灵丹 扫描近场声显微镜及其模块化研究[学位论文] 199918.王生.张鸿海 基于微力传感器的扫描近场声显微镜[期刊论文]-工具技术 2000(04)19.汪学方.张鸿海 基于针式传感器的多功能扫描探针显微镜[期刊论文]-华中理工大学学报(自然科学版)2000(05)20.Barrett R C.Quate C F Charge storage in a nitride-oxide-sillcon medium by scanningcapacitance microscopy 1991(05)21.Barrett R C.。