一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区，包括探针区域和空白区域，空白区域没有晶体管，只是覆盖有SiO2为绝缘层的Si衬底，探针区域包括不少于1个的探针，每个探针包括依次排列的不少于1个的场效应晶体管，每个场效应晶体管以Si为基底材料，SiO2作为绝缘层覆盖在Si基底层表面，栅极G位于Si基底层底部中心，源极S和漏极D位于SiO2绝缘层的上部，源极S与漏极D之间为沟道区，沟道区内放置待表征样品。本发明专利技术的优点是：适于表征的材料样品不仅是半导体材料，还可是导电材料和绝缘材料，能在晶体管中构成闭合回路，实现电学性能与结构变化的实时表征，为分析检测材料的结构与电学性能之间的关系提供了新手段。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于功能材料的电子显微学表征
，特别涉及一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区及其制备方法。
技术介绍
透射电子显微学技术是一种利用电子束作光源、电磁场作为透镜、用于表征材料表面及内部结构的先进技术。可供透射电镜表征的材料有很多种，有金属材料、非金属材料、小到几十纳米的粉末颗粒、只有几个纳米厚的薄膜、生物等材料。透射电子显微学技术为探究这些材料的结构信息、揭示材料优异性能的结构调节机制、设计和制备具备优异性能的纳米材料和器件以及解释生命的起源提供了可能，具备广泛的应用前景，参见Chun-Lin Jia,KnutW.Urban,Marin Alexe,et al.,Science.331,1420-1423(2011)；Xiao-chenBai,Chuangye Yan,Guanghui Yang,et al.,Nature.525,212-217(2015)。由于透射电镜设备本身改造难度和成本较高，其电子束的穿透能力有限，以及样品表征环境的多样性需求(例如需要在一定高温环境、气体环境、偏压条件进行原位结构的表征)，参见G.Divitini,S.Cacovich,F.Matteocci,et al.,Nature Energy.15012(2015)；JianXie,FangfangTu,Qingmei Su,et al.,Nano Energy.5,122-131(2014)，所以制备出好的透射电镜样品及设计出先进的样品台载样区成为了透射电镜表征结果好坏的关键因素之一。为了使电子束穿透材料样品、进而成为携带样品信息的透射电子束，需要将被表征的材料制备成对电子束透明(厚度小于50nm)、表面平整、稳定、易于放置、耐电子束轰击、不易挥发、不失真、无放射性的样品。不同的材料，制备适于电镜表征样品的方式也不相同。目前的制备方法有机械研磨减薄、电解液双喷减薄、离子减薄、聚焦离子束切割加工减薄等。但对于透射电镜表征材料的多样化特点，以上方法并不能完全满足，例如，对于场效应晶体管(利用电场效应控制电路通道中电流的一种半导体器件)材料，它们所在的晶体管尺寸一般比较大，对电子束不透明，而电镜样品通常被要求为直径不大于3mm、或者附着在直径大小为3mm的载网上，其中能被电子束穿透的区域的厚度为50nm以下。若采用前述所提方法对晶体管材料制备透射电镜样品，就必须把这些材料从晶体管中取出来，这样就会使得它们离开晶体管的工作环境、无法体现原本的性能，进而无法将它们的结构和性能直接联系起来。因此，研发能够配合材料组成晶体管环境的样品台或者样品台载样区就显得尤为重要了。为了保证在研究材料的结构时使其处在真实存在或者工作环境中，DENSsolution、Fischione、FEI等国外公司正致力于开发设计出特殊的透射电镜样品台或其载样区。目前，它们已开发设计出多种的载样区及配合使用的样品台，例如原位加热(参见KRPatent:KR20120068496)、原位应力拉伸、原位气体环境、原位液体环境(参见USPatent:WO2013KR10219)、原位偏压-加热等载样区及配套的样品杆，参见Jens Kling,Christian D.Damsgaard,Thomas W.Hansen&Jakob B.Wagner,ScienceDirect.99,261-266(2016)。这些新型载样区和样品台的开发设计，极大地促进了透射电子显微学原位技术的发展，促使人们可以研究温度、应力、气体环境、液体环境、偏压环境对材料样品结构的直接影响。其中的偏压载样区是在透射电镜中利用导电电极给样品材料的两端加电压，从而在用透射电镜表征样品的内部结构的同时测量样品的V-I曲线(即伏安曲线)。但对于场效应晶体管的材料，这种载样区及前述其它载样区和样品台并不能提供电场效应以营造晶体管工作环境，进而无法利用透射电镜探究该类材料在晶体管工作环境下的结构变化及结构—性能关系。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对上述存在问题，提供一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区及其制备方法，本专利技术可以使载样区与样品构成一个在透射电镜中具备场效应功能的晶体管器件，通过加栅极电压(亦即门极电压)可以使该晶体管实现工作的状态；并且通过晶体管内部的空隙，可以使电子束穿透要表征的样品，在晶体管工作的同时实时监控样品的结构变化、从而研究样品的结构和其晶体管性能之间的关系。此样品台载样区并不局限于表征半导体材料，还可以用于判断导电材料是否是金属性，并测量其V-I曲线，同时获取其实时结构的变化；也可以表征绝缘材料，在测量其击穿电流的同时，获取结构变化。本专利技术的技术方案：一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区，包括探针区域和空白区域，其中空白区域没有晶体管，只是覆盖有SiO2为绝缘层的Si衬底，目的是为了方便夹取、移动载样区；探针区域包括不少于1个的探针，每个探针包括依次排列的不少于1个的场效应晶体管，每个场效应晶体管以Si为基底材料，SiO2作为绝缘层覆盖在Si基底层表面，栅极G位于Si基底层底部中心，源极S和漏极D位于SiO2绝缘层的上部，源极S与漏极D之间为沟道区，沟道区内放置待表征样品；所述源极、漏极和栅极的材料为Pt、Al、Cu、Au或多晶硅。所述透射电镜样品台载样区为矩形，边长为1-15mm、厚度为0.1-2mm；Si基底层厚度为0.1-2mm；SiO2绝缘层的厚度为10-1000nm；切割出的探针长度为载样区对应边长的1/3-2/3，剩余部分作为空白区域用于方便移、取载样区；探针上场效应晶体管的表面为边长为10-150μm的矩形；刻蚀后沉积的源极S、漏极D、栅极G的尺寸不超过50μm，深度不超过Si基底层或SiO2绝缘层的厚度；源极和漏极之间的沟道区宽度为0.1-70μm，源极和漏极之间的距离要大于沟道区宽度，以保证有氧化层覆盖在源极和漏极周围。一种所述具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区的制备方法，包括如下步骤：1)在Si基底层上加热生长一层10-1000nm厚的SiO2绝缘层，形成覆盖有SiO2氧化层的Si片衬底；2)用光刻和刻蚀将SiO2绝缘层刻蚀成与最终电极形状一样的图案，其中，源极图案和漏极图案之间的距离为0.1-70μm；3)刻蚀出一排排的源极图案、漏极图案和栅极图案之间的空隙和缺口，源极和漏极之间的空隙为0.1-70μm，每一排电极占整个载样区边长的1/3-2/3；4)在源极图案、漏极图案和栅极图案上沉积金属电极，作为源极、漏极和栅极三个电极，制得载样区；5)用金刚石锯将上述含有电极的载样区部分切割成探针，不含电极部分作为空白区域以方便移、取载样区；6)将上述制得的探针通过超声波震荡或氧气等离子体的方法清洗后，制得透射电镜样品台载样区。经过上述步骤可以制得的具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区，然后将需要表征的样品搭在载样区的源、漏极之间，形成晶体管的导电沟道，这样就构成具备场效应功能的晶体管。本专利技术的工作机理：需要表征的半导体性碳纳米管(CNT)(以CNT样品为例，也可以是其他半导体材料)搭在本专利技术的透射电镜样品台载样区上，并悬在源极S和漏极D之间、形成晶体管的沟道区，通过给栅极G加压，就可本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区，其特征在于：包括探针区域和空白区域，其中空白区域没有晶体管，只是覆盖有SiO2为绝缘层的Si衬底，目的是为了方便夹取、移动载样区；探针区域包括不少于1个的探针，每个探针包括依次排列的不少于1个的场效应晶体管，每个场效应晶体管以Si为基底材料，SiO2作为绝缘层覆盖在Si基底层表面，栅极G位于Si基底层底部中心，源极S和漏极D位于SiO2绝缘层的上部，源极S与漏极D之间为沟道区，沟道区内放置待表征样品；所述源极、漏极和栅极的材料为Pt、Al、Cu、Au或多晶硅。
【技术特征摘要】
1.一种具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区，其特征在于：包括探针区域和空白区域，其中空白区域没有晶体管，只是覆盖有SiO2为绝缘层的Si衬底，目的是为了方便夹取、移动载样区；探针区域包括不少于1个的探针，每个探针包括依次排列的不少于1个的场效应晶体管，每个场效应晶体管以Si为基底材料，SiO2作为绝缘层覆盖在Si基底层表面，栅极G位于Si基底层底部中心，源极S和漏极D位于SiO2绝缘层的上部，源极S与漏极D之间为沟道区，沟道区内放置待表征样品；所述源极、漏极和栅极的材料为Pt、Al、Cu、Au或多晶硅。2.根据权利要求1所述具备场效应晶体管功能的透射电镜样品台载样区，其特征在于：所述透射电镜样品台载样区为矩形，边长为1-15mm、厚度为0.1-2mm；Si基底层厚度为0.1-2mm；SiO2绝缘层的厚度为10-1000nm；切割出的探针长度为载样区对应边长的1/3-2/3，剩余部分作为空白区域用于方便移、取载样区；探针上场效应晶体管的表面为边长为10-150μm的矩形；刻蚀后沉积的源极S、漏极D、栅极G的尺寸...
【专利技术属性】
技术研发人员：罗俊，刘锐锐，
申请(专利权)人：天津理工大学，
类型：发明
国别省市：天津;12
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