CN112782231A - 一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法、系统和可读介质 - Google Patents

一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法、系统和可读介质 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法、系统和可读介质，包括以下步骤：S1通过静电力显微镜获得待测样品的形貌，并根据形貌确定待测区域；S2将静电力显微镜的探针移动到待测区域，向探针施加第一电压和第二电压的差频电压；S3获取差频电压下探针和待测区域之间的静电力变化，根据静电力变化结合第一电压和第二电压，计算待测区域电容的空间分布信息；S4根据待测区域电容的空间分布信息计算待测区域的电学性能。其通过测量和分析EFM的针尖与样品间的静电力中的差频信号，能够快速准确的获得样品在宽频静电场中的局域电学信息。

Description

一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法、系统和可读 介质
技术领域
本发明涉及一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法、系统和可读介质，属于静电力显微镜技术领域。
背景技术
静电力显微术(EFM)，在原子力显微镜(AFM)的基础上，利用导电探针来进行测量，在探针与样品之间施加电压调制，通过测量静电力对探针振幅或者相位的影响，来测量各种电学相关的性质。
目前已有的静电力显微镜主要包括电压调制的静电力显微镜(voltagemodulated EFM，VM-EFM)，开尔文显微镜(scanning Kelvin probe microcopy，SKPM)，高次谐振的静电力显微镜(multi harmonic EFM，MH-EFM)等。图1为高次谐振静电力的原理示意图，该技术采用两次扫描模式(Dual Pass mode，也被称作Lift Mode)。在第一次扫描中，其工作模式与AFM中的轻敲模式(tapping mode)相同，获取样品的形貌特征；在第二次扫描中，将探针离开样品表面一定的高度，通常为50nm，在探针与样品之间施加电压，获取探针与样品间的相互作用力主要为长程力静电力，通过静电力的二倍频信号反映dC/dz的空间分布信息，此时C是电容，z是表示垂直方向，即直角坐标系中的z坐标轴，根据dC/dz的空间分布信息可以获取样品的介电性能。通过静电力的三倍频信号可以计算出样品中载流子类型和载流子浓度。
虽然静电力显微镜已经广泛用于样品的电学性能检测，但是由于样品的电学性质依赖于探测时的激励电压的频率。通常情况下，使用低频电场激励样品，EFM的针尖与样品之间的电容介电层的充放电能跟上激励电压的频率变化，但在高频电场激励样品时，EFM的针尖与样品之间的电容介电层的充放电跟不上激励电压的频率变化，因此，对于频率在几百kHz到几十GHz的电场下的样品的电学性质就很难用现有的EFM 进行检测。而高频下的样品局域电学性质测量在宽频信号传输与处理等领域具有重要的应用价值，因此，如何可以快速准确的获得样品在高频电场下的电学性质是本领域中亟待解决的技术问题。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供了一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法、系统和可读介质，其通过测量和分析EFM的针尖与样品间的静电力中的差频信号，能够快速准确的获得样品在宽频静电场中的局域电学信息。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，包括以下步骤：S1通过静电力显微镜获得待测样品的形貌，并根据形貌确定待测区域；S2将静电力显微镜的探针移动到待测区域，向探针施加第一电压和第二电压的差频电压；S3获取差频电压下探针和待测区域之间的静电力变化，根据静电力变化结合第一电压和第二电压，计算待测区域电容的空间分布信息；S4根据待测区域电容的空间分布信息计算待测区域的电学性能。
进一步，步骤S2中，施加在探针上的电压信号的公式为：
V(ω1，ω2)＝V1cosω1t-V1cosω2t
其中，V(ω1，ω2)为总的电压信号，V1为第一电压和第二电压的幅值，t是时间，ω1和ω2分别是第一电压和第二电压的角频率。
进一步，步骤S2中，第一电压和第二电压的角频率差等于探针的力学共振频率ωr。
进一步，步骤S2中，第一电压和第二电压的角频率差等于探针的二阶力学共振频率。
进一步，步骤S3中静电力F的计算公式为：
Figure BDA0002864093760000021
其中，C是电容，z是直角坐标系中的z轴方向，V(ω1，ω2)为总的电压信号，V1为第一电压和第二电压的幅值，t是时间，ω1和ω2分别是第一电压和第二电压的角频率。
进一步，步骤S1中通过轻敲模式或接触模式获得待测样品的形貌。
进一步，宽频电压的频率范围为：1kHz至20GHz。
进一步，步骤S4中的电学性能包括待测区域的电容分布、阻抗、介电性、表面电荷、载流子类型和载流子浓度。
本发明还公开了一种基于静电力显微镜的宽频电学检测系统，包括：形貌获取模块，用于通过静电力显微镜获得待测样品的形貌，并根据形貌确定待测区域；电压施加模块，用于向探针施加第一电压和第二电压的差频电压；电容计算模块，用于获取差频电压下探针和待测区域之间的静电力变化，根据静电力变化结合第一电压和第二电压，计算待测区域电容的空间分布信息；电学性能获取模块，用于根据待测区域电容的空间分布信息计算待测区域的电学性能。
本发明还公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现上述任一项的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明其通过测量和分析EFM的针尖与样品间的静电力中的差频信号，能够快速准确的获得样品在宽频静电场中的局域电学信息。2、本发明中方法可以更加高效的，从微观层面深入的研究微纳器件以及新材料在宽频电场的电学特性，为微纳器件设计及新材料开发提供了便利。
附图说明
图1是现有技术中的高次谐振的静电力显微镜的原理图；
图2是本发明一实施例中基于静电力显微镜的宽频电学检测方法的示意图；
图3是本发明一实施例中电压频率转化方式的示意图，图3(a)中第一电压和第二电压的频率约为500kHz；图3(b)中第一电压和第二电压的频率约为2MHz；图3(c)中第一电压和第二电压的频率约为20GHz；
图4是本发明一实施例中样品和静电力显微镜之间的等效电路图。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好的理解本发明的技术方向，通过具体实施例对本发明进行详细的描绘。然而应当理解，具体实施方式的提供仅为了更好地理解本发明，它们不应该理解成对本发明的限制。在本发明的描述中，需要理解的是，所用到的术语仅仅是用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
本发明提供了一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法、系统和可读介质，其通过向静电力显微镜的探针施加差频信号，并测量和分析EFM的针尖与样品间的静电力中的差频信号，能够快速准确的获得样品在宽频静电场中的局域电学信息。本发明可以用于检测频率为1kHz至10GHz的电场下的样品电学性能，由于其可检测的电场频率范围较宽，基本覆盖了一般用于微器件中的半导体、介电、铁电材料等材料感兴趣的频率范围，所以这种方法为微纳器件的开发和检测提供了一定程度的便利。其具体的技术方案包括以下内容：
实施例一
本实施例公开了一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，如图2所示，包括以下步骤：
S1通过静电力显微镜获得待测样品的形貌，并根据形貌确定待测区域，其中，形貌检测可以采用轻敲模式或接触模式获得。轻敲模式和接触模式都是AFM的常规检测形貌的模式，其具体过程不在此赘述。通过图2中的光电二极管检测EFM的探针的位置，从而确定样品表面的高低起伏，即样品的形貌特征。
S2将静电力显微镜的探针移动到待测区域，向探针施加第一电压和第二电压的差频电压。
步骤S2中，施加在探针上的总的电压信号的公式为：
V(ω1，ω2)＝V1cosω1t-V1cosω2t
其中，V(ω1，ω2)为总的电压信号，V1为第一电压和第二电压的幅值，t是时间，ω1和ω2分别是第一电压和第二电压的角频率。
如图3所示，图3是本发明一实施例中电压转化方式的示意图，图3(a)中第一和第二电压频率约为500kHz；图3(b)中第一电压和第二电压频率约为2MHz；图3(c)中第一电压和第二电压频率约为20GHz。ω1和ω2均远大于探针悬臂梁的力学共振频率ωr。这样探针类似于一个低通过滤器，探针不会响应高频段的振动(即ω1、ω2、2ω1、2ω2、ω1+ω2)将高频信号激励转化成探针在低频信号的响应。Δω信号的振动频率大小可以通过调节ω1和ω2取值而调节。本实施例中第一电压和第二电压的角频率差Δω等于探针的力学共振频率ωr。或者第一电压和第二电压的角频率差Δω等于探针的二阶力学共振频率。这样设置可以便于微小的信号的放大、提取和分析。且Δω仅与两个高频信号的频率差有关。
S3获取差频电压下探针和待测区域之间的静电力变化，根据静电力变化结合第一电压和第二电压计算待测区域电容的空间分布信息。通过光电二极管和锁相放大器提取探针在角频率差Δω处的振动信号，将探针在Δω频率处振动的幅度和相位信息记录保存，实现实时的数据记录和二维图像记录；最终得到样品的电容的空间分布信息。如需计算局域阻抗时，可通过获得针尖与样品间的复电容梯度dC/dz。
步骤S3中静电力F的计算公式为：
Figure BDA0002864093760000041
其中，C是电容，z是直角坐标系中的z轴方向，V(ω1，ω2)为总的电压信号，V1为第一电压和第二电压的幅值，t是时间，ω1和ω2分别是第一电压和第二电压的角频率。
S4根据待测区域电容的空间分布信息计算待测区域的电学性能。
如图4所示，通过复电容梯度dC/dz计算局域阻抗时，可将探针和衬底看作两个电极，空气层为一个电容Cair，样品为电容Cs与电阻Rs并联电路，空气层和样品层串联。根据复电容梯度dC/dz可以计算出电容Cs，根据简单的电学公式就可以获得阻抗。通过进一步分析可得到样品的局域载流子浓度、掺杂特性、电导率、电容分布、阻抗、介电性、表面电荷和载流子类型等。
已有的基于EFM的电学性能受限于探针对高频(High Frequency，HF)信号的响应速度不足。而生产和生活中的很多技术实现都需要利用高频段的静电场，例如5G通信技术、无线电广播等，因此研究各种新材料在高频电场下的电学性质具有非常重要的意义和实际应用价值。本申请利用信号发生器给探针施加两个高频电信号的差值电压，并实时记录该信号产生的差频信号。通过分析探针在样品表面扫描时差频信号振幅和相位的变化，就可以得到样品在高频电场下的局域电学性质。
实施例二
基于相同的发明构思，本实施例还公开了一种基于静电力显微镜的宽频电学检测系统，包括：
形貌获取模块，用于通过静电力显微镜获得待测样品的形貌，并根据形貌确定待测区域；
电压施加模块，用于待静电力显微镜的探针移动到待测区域后，向探针施加第一电压和第二电压的差频电压；
电容计算模块，用于获取差频电压下探针和待测区域之间的静电力变化，根据静电力变化结合第一电压和第二电压计算待测区域电容的空间分布信息；
电学性能获取模块，用于根据待测区域电容的空间分布信息计算待测区域的电学性能。
实施例三
基于相同的发明构思，本实施例公开了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行以实现上述任一项的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。上述内容仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1通过静电力显微镜获得待测样品的形貌，并根据所述形貌确定待测区域；
S2将静电力显微镜的探针移动到所述待测区域，向所述探针施加第一电压和第二电压的差频电压；
S3获取所述差频电压下探针和待测区域之间的静电力变化，根据静电力变化结合第一电压和第二电压计算待测区域电容的空间分布信息；
S4根据所述待测区域电容的空间分布信息计算待测区域的电学性能。
2.如权利要求1所述的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，施加在所述探针上的电压信号的公式为：
V(ω1，ω2)＝V1cosω1t-V1cosω2t
其中，V(ω1，ω2)为总的电压信号，V1为第一电压和第二电压的幅值，t是时间，ω1和ω2分别是第一电压和第二电压的角频率。
3.如权利要求2所述的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，第一电压和第二电压的角频率差等于所述探针的力学共振频率ωr。
4.如权利要求2所述的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，其特征在于，所述步骤S2中，第一电压和第二电压的角频率差等于所述探针的二阶力学共振频率。
5.如权利要求1所述的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，其特征在于，所述步骤S3中静电力F的计算公式为：
Figure FDA0002864093750000011
其中，C是电容，z是直角坐标系中的z轴方向，V(ω1，ω2)为总的电压信号，V1为第一电压和第二电压的幅值，t是时间，ω1和ω2分别是第一电压和第二电压的角频率。
6.如权利要求1-5任一项所述的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，其特征在于，所述步骤S1中通过轻敲模式或接触模式获得待测样品的形貌。
7.如权利要求1-5任一项所述的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，其特征在于，所述宽频电压的频率范围为：1kHz至20GHz。
8.如权利要求1-5任一项所述的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法，其特征在于，所述步骤S4中的电学性能包括待测区域的电容分布、阻抗、电导率、介电性、表面电荷、载流子类型和载流子浓度。
9.一种基于静电力显微镜的宽频电学检测系统，其特征在于，包括：
形貌获取模块，用于通过静电力显微镜获得待测样品的形貌，并根据所述形貌确定待测区域；
电压施加模块，用于向所述探针施加第一电压和第二电压的差频电压；
电容计算模块，用于获取所述差频电压下探针和待测区域之间的静电力变化，根据静电力变化结合第一电压和第二电压计算待测区域电容的空间分布信息；
电学性能获取模块，用于根据所述待测区域电容的空间分布信息计算待测区域的电学性能。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现如权利要求1-8任一项所述的基于静电力显微镜的宽频电学检测方法。
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