一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法技术

本发明专利技术公开了一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法，包括恒高模式扫描隧道显微镜系统及位于该恒高模式扫描隧道显微镜系统导电电极与导电针尖之间的电介质样品，当电介质样品的介电常数大于电介质样品与针尖间辅助电介质的介电常数、且所述的导电针尖与电介质样品间的相对扫描速度v≥2.26×10

【技术实现步骤摘要】
一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法
本专利技术属于扫描探针显微学
，具体涉及一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法。
技术介绍
扫描隧道显微镜系统(STM)不能测试绝缘样品，自始至终束缚着STM的应用范围。没有哪种材料是绝对绝缘的，绝缘是相对的说法。绝缘样品都属于电介质，电介质也都是绝缘的，而且有更多的物理参量和计算方法对电介质进行描述、计算和测量。因此，本专利技术中将用电介质替代为绝缘体进行描述。本专利技术的名称中为了便于理解，继续使用绝缘一词。目前，测量电介质样品的方法有：(1)降低电介质样品的厚度，以降低样品的电阻或者说是降低样品的势垒的宽度来增大隧穿系数。这种方法目前较广泛使用，也取得了巨大成果。如文献(NatureMaterials,2014,13(2):184-189)中所述的对双原子层NaCl样品及其上不同状态H2O分子的表征。但缺点是电介质样品薄到一定程度后，阻值降低或者是由于纳米尺寸效应，电介质样品的物性可能会发生改变，与块材的电介质样品的物性不同，不能完全用来表征块材的特性。(2)在绝缘样品表面喷金膜来间接表征绝缘样品表面形貌。如文献(ACTABIOCHIMICAetBIOPHYSICASINICA2003,35(10):952-955)中所述的对藻胆体的研究。但是该方法应用领域很受限，并不是所有电介质样品都适合喷金处理，而且该方法测量精度不高。(3)超薄水膜法。在文献《基于超薄水膜的横向导电性实现的绝缘体和生物样品的STM图像》(R.Guckenbergeretal.,Science266,1538(1994))中记载了潮湿空气法测生物电介质样品，在超薄水膜下表征了DNA的形貌。该方法虽然也获得成功，但受到同行质疑，目前几乎已经销声匿迹。导致该方法并没有得到更深入的总结，方法不完善，也没有实质发展。另外一个严重的问题是：目前检测材料表面形貌的设备很多，如AFM、STM、SEM、TEM等，但是对于纳米薄膜体内及薄膜与导电基底界面处的缺陷，如杂质、气泡等信息，尚无能为力。为了解决利用STM测试电介质样品、电介质膜内与界面处缺陷难以检测的两类难题，在项目批准号为：11304082的国家自然科学基金“超快速扫描隧道显微镜的改进与应用”的支持下，本专利技术提出了一种扫描隧道显微镜测绝缘样品的高速扫描法。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法，包括恒高模式扫描隧道显微镜系统、电介质样品及该电介质样品的导电电极，其特征在于：所述的导电探针与电介质样品间的相对扫描速度v≥2.26×1010ir(h+d)/(Ubεrr)，恒高模式扫描隧道显微镜系统的前置放大电路带宽fB≥1.13×109ir(h+d)/(Ubεrr2)，该电介质样品的膜厚、表面形貌、膜内损伤及电介质样品与导电电极间界面的结合特性能够被探测出来，其中ir为恒高模式扫描隧道显微镜系统前置放大电路的最小可识别电流，h为电介质样品表面的起伏高度，且以电介质样品表面的起伏为正、电介质样品内部的起伏为负，d为除去电介质样品表面起伏后的本底厚度，Ub为所述恒高模式扫描隧道显微镜系统的偏置电压，εr为电介质样品的相对介电常数，r为导电探针和电介质样品信息的横向曲率半径。进一步优选，所述导电探针与电介质样品间的相对扫描速度v通过调节STM的帧速f帧、慢轴像素点数P慢和快轴扫描幅度A快来实现，v＝4×f帧×P慢×A快，其中fB、ir与Ub通过查看STM的说明书选取合适的STM前置放大电路得到，h、d、r与εr值进行人为设定或预判得到。进一步优选，所述导电探针与电介质样品间的相对扫描速度v通过调节STM的快轴频率f快和快轴扫描幅度A快来实现，v＝2×f快×A快，其中fB通过设置自制STM前置放大电路的反馈电阻Rf与反馈电容Cf得到，fB＝0.2×(2πRfCf)-1。进一步优选，所述电介质样品是10nm本底厚度、10nm起伏、20nm横向起伏半径及相对介电常数εr≥100的薄膜，或电介质样品是30nm本底厚度、20nm横向起伏半径、膜内导电杂质在导电探针与导电电极连线方向上的最大长度为10nm且电介质样品的相对介电常数εr≥100时，用函数发生器输出驱动信号，并通过高压放大器调节、使得输出电压幅度不小于100伏峰峰值、频率不小于15赫兹；快轴扫描器选择厚度≤0.5mm、外径≤10mm、长度≥30mm且压电应变常数的压电管；选择带宽≥75Hz、最小可识别电流ir≤0.1pA的STM前置放大电路，最终能够测量出该电介质样品的表面形貌、膜厚、膜内损伤、电介质样品与导电电极间界面结合的特性。进一步优选，所述电介质样品与导电针尖之间设置有气态电介质，该气态电介质为真空、大气、氮气或氧气。进一步优选，所述电介质样品与导电针尖之间设置有介电常数小于电介质样品的介电常数的液态电介质，该液态电介质为水、甘油或乙醇。进一步优选，所述恒高模式扫描隧道显微镜系统中的快轴扫描器为音叉谐振器或微悬臂梁结构。本专利技术能够方便快捷地利用恒高式高速扫描隧穿显微镜实现了绝缘样品表面形貌、膜厚、膜内损伤、电介质样品与导电电极间界面的结合特性的测试。附图说明图1是恒高模式针尖与样品之间实现交变电容器的原理结构图；图2是STM式交变电流源及测试原理图；图3是电介质样品两面均有较大起伏时的c(t)原理图；图4是电介质样品膜内存在电介质杂质、位错、导体杂质的原理图。图中：1、导电探针，2、电介质样品，3、导电电极，4、STM前置放大电路，5、辅助电介质，6、膜内电介质杂质，7、位错，8、膜内导体杂质，9、界面处气泡。具体实施方式以下通过实施例对本专利技术的上述内容做进一步详细说明，但不应该将此理解为本专利技术上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本专利技术上述内容实现的技术均属于本专利技术的范围。该测试方法所依据的基本原理为：(1)电容器C的隔直流通交流信号特性；(2)STM的导电探针1为导体，在电介质样品2背面设置导电电极3时，则形成平行班电容器结构，如图1所示。目前已经有大量文献分析了隧道结的电容值，虽然所得到的结果大小不一、且理论不同，但多数集中于fF量级。比如文献(J.Appl.Phys.,Vol.83,No.12,15June1998)中提到随着针尖曲率半径从30nm增大到4000nm，其测量到的电容值在0.5fF左右。(3)STM工作时导电探针1的针尖将位于电介质样品2表面的不同位置。电介质样品2表面的高低起伏使得在导电探针1与导电电极3之间就形成了一个交变电容器c(t)的结构，如图1所示。(4)当在导电探针1与导电电极3之间施加直流偏压Ub时，Ub/z(t)＝i(t)，即形成了交变的电流源。直流电压Ub施加在交变电容值c(t)上产生的效果i(t)＝Ub/Zc(t)与交变电压ub(t)施加在恒定电容值C0上产生的效果i(t)＝ub(t)/Zc相同，可类比等效分析。(5)通过STM的前置放大电路、以虚短的方式将Ub施加在导电电极3上，利用基尔霍夫定律即集成运放放大器的立项特性可得：该STM前放在原理又等效于一个高通滤波电路。因此本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法，包括恒高模式扫描隧道显微镜系统、电介质样品及该电介质样品的导电电极，其特征在于：所述的导电探针与电介质样品间的相对扫描速度v≥2.26×10

【技术特征摘要】
1.一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法，包括恒高模式扫描隧道显微镜系统、电介质样品及该电介质样品的导电电极，其特征在于：所述的导电探针与电介质样品间的相对扫描速度v≥2.26×1010ir(h+d)/(Ubεrr)，恒高模式扫描隧道显微镜系统的前置放大电路带宽fB≥1.13×109ir(h+d)/(Ubεrr2)，该电介质样品的膜厚、表面形貌、膜内损伤及电介质样品与导电电极间界面的结合特性能够被探测出来，其中ir为恒高模式扫描隧道显微镜系统前置放大电路的最小可识别电流，h为电介质样品表面的起伏高度，且以电介质样品表面的起伏为正、电介质样品内部的起伏为负，d为除去电介质样品表面起伏后的本底厚度，Ub为所述恒高模式扫描隧道显微镜系统的偏置电压，εr为电介质样品的相对介电常数，r为导电探针和电介质样品信息的横向曲率半径。2.根据权利要求1所述的一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法，其特征在于：所述导电探针与电介质样品间的相对扫描速度v通过调节STM的帧速f帧、慢轴像素点数P慢和快轴扫描幅度A快来实现，v＝4×f帧×P慢×A快，其中fB、ir与Ub通过查看STM的说明书选取合适的STM前置放大电路得到，h、d、r与εr值进行人为设定或预判得到。3.根据权利要求1所述的一种高速扫描隧穿显微镜测绝缘样品膜厚形貌缺陷的方法，其特征在于：所述导电探针与电介质样品间的相对扫描速度v通过调节STM的快轴频率f快和快轴扫描幅度A快来实现，v＝2×f快×A快，其中fB通过设置自制STM前置放大电...

【专利技术属性】
技术研发人员：李全锋，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41