导电原子力显微镜的探针以及采用此探针的测量方法

摘要

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。本发明进一步提供了采用上述探针测量半导体局域导电性质的方法以及测量太赫兹波段无孔针尖近场光学探测的方法。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，其导电性好，电子迁移率高，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，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。

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。

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，包括基底100、镍膜110和石墨烯薄膜120。该探针的制备方法可以是 在原子力显微镜所用的悬臂探针基底100的表面用热蒸发或者磁控溅射方法镀 厚度为5～50nm的镍膜110。这种镀金属膜的方法属于公知技术，此处不再详 细叙述。镍膜110是为在探针上生长石墨烯准备催化剂层，故其材料也可是其 他金属，而悬臂探针基底的材料可为硅、氮化硅或者玻璃。再在上述悬臂探针 基底上的镍膜110表面，选用化学气相沉积的方法制备石墨烯薄膜120。关于 气相化学沉积方法制备石墨烯的具体实施方式属于公知技术，此处不再详细叙 述。

在其他的实施方式中，如果采用在探针表面通过捞起的方法制备石墨烯 层，可以不包括镍膜110。

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。

步骤S10：首先将样品190固定于原子力显微镜的样品台。

步骤S11：在样品190表面和探针表面石墨烯薄膜层120分别引出导电引 线，在二者之间串联一个直流电压源21和一个电流计22。

步骤S12：采用探针控制器23控制导电原子力显微镜的导电原子力探针 11与样品表面接触，并将针尖移至样品表面待测量的位置。通过探测样品与针 尖之间力的相互作用维持针尖与样品间距离的恒定。探测并控制样品与针尖之 间的相互作用力是原子力显微镜的基本功能之一，通常来说，在控制样品与针 尖之间的作用力不变，即意味着控制样品与针尖之间的距离不变。

步骤S13：在针尖和样品11间加直流电压，电流计22将收集到的电流信 号转换为电压信号并通过模数转换卡由控制电脑采集并记录。并通过改变针尖 和样品间的电压——例如在从电压起点-5V至终点+5V的范围内每5mV一步， 采集每一个电压值上的电流，从而形成电流-电压谱线，反映针尖下方附近样 品的局域导电性质。现有技术中，导电原子力探针表面所镀有的导电薄膜为普 通金属(铂铱合金、金等)，其与半导体相接触通常会形成明显的肖特基势垒， 从而使上述得到的电流-电压曲线更多的反映这个势垒的产生的阻抗。因此， 本发明与现有技术之间的区别在于本发明借助石墨烯作为导电原子力显微镜 探针表面的导电镀膜，而石墨烯由于费米面附近的电子能态密度非常小，其与 半导体相接触时电荷转移会升降其费米面，使其功函数自适应地接近半导体功 函数，从而有效降低接触势垒，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。

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。

步骤S20：首先将样品190固定于原子力显微镜的样品台。

步骤S21：采用探针控制器23控制导电原子力显微镜的导电原子力探针 11与样品表面接触，并将针尖移至样品表面待测量的位置。通过探测样品与针 尖之间力的相互作用维持针尖与样品间距离的恒定。

步骤S22：太赫兹光源24发出的一束太赫兹光通过汇聚系统聚焦在样品 表面针尖附近，反射的太赫兹信号也通过太赫兹汇聚系统进入太赫兹探测器 25，转换成电信号并被计算机记录。这里光源和探测接收的太赫兹汇聚光束可 以是两套汇聚系统，也可以是同一汇聚系统，通过一个太赫兹滤波片将两束光 分开。

这里被反射的太赫兹信号包括针尖附近被石墨烯薄膜局域增强的近场信 号和远场信号。而针尖对于近场成分的增强倍率越高，则光学的空间分辨率越 高。不同的针尖镀膜材料的等离激元共振频率不同，从而对应的增强倍率最高 的波段也各不相同。现有技术中，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。本发明与现有技 术之间的区别在于本发明借助石墨烯作为导电原子力显微镜探针表面的导电 镀膜，而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)， 可在太赫兹波段起到显著的局域增强效果。

步骤S23：通过移动样品，实现在保持针尖和太赫兹光束相对位置不变的 情况下，实现对样品表面的逐点扫描，将探测器探测到的太赫兹信号组成二维 图像。在图像中明暗对比显示样品表面不同位置对于太赫兹光的吸收不同，从 而反映样品内某些能级的分布，包括有机分子的振动能级、半导体内载流子的 震荡能级等。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通 技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些 改进和润饰也应视为本发明的保护范围。