[发明专利]原子力显微镜测量纳米薄膜材料电阻分布的装置及方法

说明书

技术领域

本发明属于导电性能测量技术领域，具体涉及一种原子力显微镜测量纳米薄膜材料电阻分布的装置及方法。

背景技术

随着科学技术的发展，人们可加工的器件尺度越来越小，也越来越关心纳米尺度的结构对材料性能的影响，而原子力显微镜作为一种纳观测试手段，引起了大家的关注，人们尝试用它观察纳米结构材料表现出来的特性。目前采用原子力显微镜观察材料纳观结构的导电情况主要是通过观察测量电路中电流的变化来判断导电性。这类手段根据其电极类型的不同也可以分为两种，一种是在导电原子力显微镜的导电探针和样品的基底之间加上一定的偏压，即分别把探针和基底作为两个电极，当探针在样品表面开始扫描的时候，通过观察流经探针和基底之间的电流变化来分析样品在沿厚度方向的导电性分布，但是这种情况下样品内部的电流密度分布受样品的形状和基底电阻分布情况等因素影响大，所以测量误差也相对较大。另外一种是在样品表面上做一个点电极，在原子力显微镜的导电探针和点电极之间加上一定的偏压，观察探针逐渐接近或者远离点电极时，探针和点电极之间电流的变化情况测试电阻，但这种方法往往只能探测点电极周围极小的区域内的样品的沿平行样品表面方向导电性，而且此时电流的变化还会受探针与电极之间距离的因素的影响，由于电流密度的真实分布也不是单纯的平行于样品表面，所以该方法也不能直观准确地测试材料局部结构的沿平行样品表面方向的导电性差。

发明内容

本发明的目的在于克服上述两种测试技术中的问题，提出一种原子力显微镜测量纳米薄膜材料电阻分布的装置及方法，原理是采用原子力显微镜探针沿平行样品表面方向接触扫描，连续测量接触过的表面电势分布，从而获得纳米结构薄膜的电阻分布情况。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

一种原子力显微镜测量纳米薄膜材料电阻分布的装置，包括绝缘基底，以及在绝缘基底上的待测样品，待测样品的两侧分别设置有电极，其中一个电极与直流电源的正极相连，另一个电极与直流电源的负极相连，直流电源的负极接地；将待测样品和绝缘基底置于原子力显微镜的载物平台上，原子力显微镜的导电探针的末端通过导线连接到电压表的正极上，电压表的负极接地；电压表的数据输出端与电脑相连。

所述的电极与待测样品的两个侧面完全接触，且未覆盖至待测样品表面；电极的厚度与待测样品的厚度相等，且在垂直于电场方向上，电极的长度与待测样品的长度也相等。

所述的电极为长条形电极。

一种原子力显微镜测量纳米薄膜材料电阻分布的方法，包括以下步骤：

1）将待测样品放置在绝缘基底上，再在待测样品的两侧分别制作电极；然后将绝缘基底放置在原子力显微镜的压电位移载物平台上；

2）从原子力显微镜的导电探针上引出一根导线连到电压表的正极上，电压表的负极接地；同时，电压表的读数通过数据线实时传递给电脑；

3）将样品的两个电极分别连接至直流电源的正负极上，直流电源的负极接地；然后在两个电极之间通以恒定的电流；

4）待电流稳定后，在光学显微镜下调整原子力显微镜至接触模式，设定载荷。原子力显微镜的激光发射器发射的激光打到导电探针的背面，导电探针将激光反射至激光接收器，原子力显微镜通过观察发射激光的变化和控制导电探针的竖直方向位移，使导电探针在不损坏样品表面的前提下能采集到稳定的电势信号，保证导电探针与样品表面稳定的欧姆接触；通过压电位移载物平台7的扫描运动，导电探针将扫描区域内各个点的对地电势信号传递到电压表，相邻点的电势差则反映了待测样品上这两点之间的电阻分布情况。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明原子力显微镜测量纳米薄膜材料电阻分布的装置，通过给待测样品两端制作长条形状的电极，可以在样品上施加恒定的平行于样品表面的横向直流电流，使样品处于稳定的横向电场中。采用原子力显微镜可以方便地在光镜中选择合适的区域进行针对性的扫描，并对扫描运动的范围速度等条件进行准确的控制。然后选择合适的导电探针在合适的载荷下选择接触模式下进行扫描，可以保证在探针与不同的样品之间是稳定的欧姆接触。探针获得的电势信号送至电压表，即获取了扫描范围内各点的对地电势。计算相邻两点的电势差E，再根据ρ=E/J（其中ρ为电阻率，E为两点电势差，J为电流密度）结合各个电势差就能得到这样品的电阻分布情况。本发明装置结构简单，容易操作，对样品的客观要求低，可以实现在5μm×5μm——100μm×100μm区域内的电阻分布的连续扫描测量，精度最高可达80nm，可以表征因存在纳米结构而导致电阻不均匀的材料。