一种原位测量纳米器件的透射电镜样品台

摘要

本发明公开了一种原位测量纳米器件的透射电镜样品台，包括金属纳米探针、绝缘堵片和样品支撑台，所述绝缘堵片的正反表面分别设有多个金属电极，且对应的金属电极之间通过金属化通孔实现导电连接；所述样品支撑台一端与绝缘堵片连接，另一端设有取样区和测试区，所述测试区为设在样品支撑台表面并悬空的金属电极，样品支撑台的金属电极与绝缘堵片的金属电极为导电连接；所述金属纳米探针、测试区金属电极和被测样品构成三端场效应晶体管。本发明能够在原子尺度的分辨率下观察样品并实时进行电学测量，原位揭示待测单元的电学性能和纳米结构变化。

说明书

 

技术领域

本发明属于纳米器件性能原位测量领域，尤其涉及原位测量石墨烯场效应管的电学性能及原子结构的多电极透射电镜样品台，具体为利用纳米尺度微结构加工工艺，在狭小的透射电镜样品上制备多电极器件搭建区以及纳米材料取样区。

背景技术

在纳米电子器件领域，石墨烯二维材料被认为是硅的接班人。石墨烯是由碳原子组成的单原子层平面薄膜，具有高导电性、高强度、超轻薄等特性。研究基于石墨烯的场效应晶体管在外加电场状态下的电学响应和物理形貌变化，采集其电学特性数据，是当前设计和开发石墨烯纳米场效应晶体管的基本目标。

透射电子显微镜是表征纳米材料微观结构的一种重要工具，通过透射电子显微镜能够观测到纳米材料样品的高分辨图像。特别是利用专门设计的样品台将外场引入到纳米材料样品的特定部位，对纳米材料进行三维空间的操纵和电学性能测量，对于了解纳米材料纳观结构和对外场的响应行为，设计和构建新型纳米器件具有非常重要的意义。

对于一般的场效应晶体管结构，至少需要三端电极：源、漏、和栅极。现有技术无法满足多电极纳米器件的测量。透射电子显微镜由于能够在原子尺度的分辨率下观察样品，是研究纳米材料结构和性能的有力工具，而透射电镜中物镜极靴之间放置样品的空间非常狭小，特别对于具有亚纳米尺度分辨率的商用球差透射电镜，通常只有2、3毫米左右，在容纳下样品杆之外，很难安装多电极，更难测量电信号，因此需要将电信号导出到电镜外部进行测量。此种条件下，如何进行原位石墨烯晶体管的构建已经很困难。如何在有限空间内引入多个电极，实时进行电学测量，原位揭示待测单元的电学性能和纳米结构变化是当前石墨烯场效应晶体管研究的难题。

发明内容

发明目的：针对上述现有存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种原位测量纳米器件的透射电镜样品台，能够在原子尺度的分辨率下观察样品并实时进行电学测量，原位揭示待测单元的电学性能和纳米结构变化。

技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用以下技术方案：一种原位测量纳米器件的透射电镜样品台，包括金属纳米探针、绝缘堵片和样品支撑台，所述绝缘堵片的正反表面分别设有多个金属电极，且对应的金属电极之间通过金属化通孔实现导电连接；所述样品支撑台一端与绝缘堵片连接，另一端设有取样区和测试区，所述测试区为设在样品支撑台表面并悬空的金属电极，样品支撑台的金属电极与绝缘堵片的金属电极为导电连接；所述金属纳米探针、测试区金属电极和被测样品构成三端场效应晶体管。

作为优选，所述样品支撑台测试区的金属电极为4个，对应的绝缘堵片正反面也分别设有4个金属电极。

进一步改进，所述样品支撑台表面设有4个电极引脚并分别与测试区金属电极连接；同时所述绝缘堵片设有插槽，样品支撑台一端设在该插槽内。

进一步的，所述样品支撑台材质选用硅或氮化硅。

进一步的，所述绝缘堵片的材质采用蓝宝石或氮化铝。

进一步的，所述样品支撑台上的金属电极为通过磁控溅射方法沉积得到的金、镍、铂金属薄膜。

作为优选，所述金属电极的材质采用钛金合金。

进一步的，所述取样区为栅格状。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：可以直接在透射电镜样品上原位构建多电极纳米器件，在原子分辨率尺度下研究纳米器件，并且进行电学性测量；实现了在透射电镜中原位对纳米尺度的待测单元进行电学测量以及观测，提供了一种新的基于纳米线或者薄膜的纳米器件的原位测量方法，具有性能可靠，安装方便的特点，拓展了透射电镜的功能；可以同时制备多个待测单元，每个电极上都可以配置待测样品，所以可以实现同一批样品的多次电特性测量，且每次测量之间互不影响。

附图说明

图1为本发明所述透射电镜样品台的结构示意图；

图2为本发明所述绝缘堵片的结构示意图；

图3为本发明所述样品支撑台正面的结构示意图；

图4为本发明所述样品支撑台反面的结构示意图。

其中，绝缘堵片1、样品支撑台2、金属纳米探针3、金属电极4、金属化通孔5、取样区6、测试区7、电极引脚8、插槽9、被测样品10。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。

如图1所示，一种原位测量石墨烯场效应管的电学性能及原子结构的透射电镜样品台，包括绝缘堵片、样品支撑台和金属纳米探针，绝缘堵片正反面分别设有4个金属电极，且正反面对应金属电极通过金属化通孔实现导电连接；同时绝缘堵片设有插槽结构，供样品支撑台一端插入插槽中，另一端则悬置。样品支撑台的悬置端设有测试区和样品区，其中样品区为栅格状用于盛放待测样品，测试区通过磁控溅射方法沉积金属薄膜形成4个金属电极和与该金属电极分别连接的电极引脚，该金属电极悬空设置，其中2个电极引脚设在上表面，中间2个电极引脚也通过金属化通孔与下表面的金属薄膜导通，当样品支撑台插入绝缘堵片后，确保电极引脚分别与绝缘堵片上对应的金属电极导电连接。

工作时金属纳米探针可以上下、左右、前后移动从而操纵并提取放在取样区的薄的、合适的石墨烯薄片，转移至多电极的测试区，并与金属电极接触从而原位构建成为三端场效应晶体管。

如图2所示，其中绝缘堵片由具有一定强度的绝缘材料制成，如蓝宝石、氮化铝等，它的尺寸为4mm×2.4mm，并通过激光刻蚀方法在上面打出4个通孔，并在金属化通孔的对应位置的正反面均通过磁控溅射方法沉积金、镍、铂等金属薄膜形成金属电极，且通孔内壁也沉积同样的导电金属薄膜从而将正反面的金属电极进行导通。同样用激光刻蚀的方法打出尺寸为2mm×0.4m的插槽，然后将样品台插入插槽，样品台上的四个金属电极引脚电极与绝缘堵片上的四个金属电极3连接从而对完成电路对接。

如图3所示，样品台用便于微纳加工的材料制成，如硅、氮化硅等，它的尺寸为2mm×6mm×0.4mm，其宽度与厚度正好为绝缘堵片插槽的尺寸相对应。样品台的电极采用半导体加工工艺溅射、光刻、离子束刻蚀等完成。样品台末端悬空结构，采用异向湿法刻蚀完成。

作为优选，为了增加金属电极与氮化硅薄膜的附着性，金属电极应该选择钛和金的合金。

为使样品台的电极与绝缘堵片上的金属电极互相连接，样品台正面的两个电极需要引入到反面，这里采用半导体工艺里常用的湿法刻蚀通孔技术即可。

利用本发明所述的透射电镜样品杆原位石墨烯场效应晶体管，并进行电学性能及显微结构的测试过程步骤如下：

（1）采用采用机械剥离或者CVD方法制备的石墨烯薄片作为沟道材料。

（2）使用钛金作为三端场效应晶体管的源极和漏极。

（3）选用可移动的纳米探针，作为栅极。配合研究需要，栅极纳米金属针上可以选择性的沉积氧化物，所谓栅极绝缘层。

（4）通过操纵装入原位样品杆中的纳米探针，使得栅极与石墨烯两者界面接触，原位构建石墨烯场效应晶体管结构。

（5）开启原位样品杆外部操作控制系统，利用电子衍射图、配合高分辨像分析场效应晶体管工作时电极界面的石墨烯缺陷和表面结构等的变化；利用原位样品杆的原位操纵能力，改变界面接触方式、状态和不同接触位置，充分发掘界面结构上的丰富信息；将获得的界面信息和原位测得的电学性质进行关联性分析和研究。

（6）利用原位构建的纳米场效应晶体管结构，以上述方法对其他场效应晶体管组成要素进行系统优化研究工作。