[发明专利]导电原子力显微镜的探针以及采用此探针的测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及半导体材料测试技术领域，尤其涉及一种导电原子力显微镜的探针以及采用此探针的测量方法。

背景技术

对导体、半导体和绝缘体等样样品的表面形貌进行微纳米尺度的高精度成像，是原子力显微镜的基本功能。除此之外，借助在原子力显微镜悬臂探针表面沉积金属等导电薄膜，还可以对样品表面微纳米尺度的微区电学和光学性质进行如下的测试分析：第一，导电原子力显微镜模式，在探针的金属镀膜和样品之间加载偏压，从而在探针和样品表面相接触时产生电流，通过测量这个电流和电压的关系，可以得到半导体在微纳米尺度的局域电导等电学性质；第二，当一束光照射在探针尖端附近，由于金属表面等离激元震荡、尖端放电的“避雷针”效应以及针尖和偶极震荡天线效应等三个原因，会将电磁场局域在针尖周围形成增强的近场光学信号，这些信号被显微物镜等光学系统收集，从而得到突破衍射极限的光学空间分辨率。这些电学和光学测量模式大大拓展了原子力显微镜的应用领域。

但是在普通的原子力显微镜探针上沉积以铂、金、银和钴等传统金属薄膜所构成的导电原子力探针，在将原子力显微镜应用于上述局域电学和光学测试领域也有一定的局限性。一方面，对于宽禁带半导体样品，由于普通金属和半导体之间功函数差异巨大，在探针尖端的金属膜和样品表面之间会形成比较高的肖脱基势垒，和高接触电阻，使得测量的电流-电压曲线更主要的反映的是针尖和样品间的接触电阻，而不是待测半导体样品本身在微纳米尺度的局域导电性质。另一方面，在针尖增强近场光学领域，传统金属的表面等离激元震荡的频率处于可见光(金、银等)波段和紫外(铝)波段，因此镀有传统金属薄膜的原子力显微镜探针在这些波长范围内对电磁场有显著的局域增强效果，可达10³～10⁷倍，从而使光学空间分辨率能达到20nm。而在太赫兹波段，光子的能量正好可以激发有机分子内的振动能级，以及半导体内载流子的震荡，因而自上世纪90年代开始发展太赫兹时间分辨光谱学以来，太赫兹探测技术在生物有机分子、药物分子的识别探测，和半导体器件内载流子的掺杂种类和掺杂浓度的分布探测等方面显示出了优势。在这些探测中，人们感兴趣的结构的尺寸已经发展到了几十到几百纳米的尺度，通过针尖增强近场光学方法提高空间分辨率是这种探测手段发展方向之一。但是利用普通的金属镀膜原子力显微镜探针，由于它们的等离激元震荡频率都远离太赫兹频率，针尖增强效果有限。这使得其空间分辨率虽然也能够优于衍射极限，但仍然难以满足对微纳米结构探测的需要。在上述这两点应用中，镀有传统金属薄膜的原子力显微镜探针显示出了局限性。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种导电原子力显微镜的探针以及采用此探针的测量方法，在不改变现有原子力显微镜工作模式的前提下，能够在宽禁带半导体表面进行局域电学测量时，降低针尖样品接触电阻对测量结果的贡献，使结果更真实地反映样品自身的局域导电性质，并且在太赫兹波段进行针尖增强近场光学探测，提高增强倍率和空间分辨率。

为了解决上述问题，本发明提供了一种导电原子力显微镜的探针，包括悬臂探针基底、针尖和设置在针尖表面的导电薄膜，所述导电薄膜的材料是石墨烯。

本发明利用了石墨烯是由碳原子组成的可薄至单原子层的，零带隙、半金属的二维层状薄膜材料的特点，可利用化学气象沉积、机械解理等方法制得。其导电性好，其电子迁移率实验测量值超过15000cm²/vs(载流子浓度n≈10¹³cm^-2)，并且费米面可随充放电自我调节，具有较低的载流子注入势。此外，石墨烯的电子等离激元震荡频率正好位于太赫兹波段(1～10THz)，材质柔软，热力学稳定性强。这些都是利用其替代传统金属材料作为原子力显微镜探针表面镀膜，从而突破上述两点局限的物理基础。

附图说明

附图1所示是本发明具体实施方式所述导电原子力显微镜的探针的结构示意图。

图2所示是采用本发明的导电原子力显微镜探针，在半导体表面测量局域电流-电压谱线的示意图。

图3所示是使用本发明的导电原子力显微镜探针进行太赫兹波段无孔针尖近场光学探测的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的一种导电原子力显微镜的探针以及采用此探针的测量方法的具体实施方式做详细说明。