雙探針掃描電子顯微鏡是一種將形貌表征技術(shù)（掃描電子顯微鏡）與電學(xué)測(cè)試技術(shù)（雙探針電學(xué)測(cè)量系統(tǒng)）結(jié)合在一起的測(cè)試系統(tǒng)。雙探針掃描電鏡主要包括真空系統(tǒng)、電子光學(xué)系統(tǒng)、樣品臺(tái)和探針系統(tǒng)等四個(gè)組成部分，如圖1所示。其中真空系統(tǒng)用于提供樣品形貌表征和測(cè)試所需的真空環(huán)境，電子光學(xué)系統(tǒng)用于掃描電子成像，樣品臺(tái)可以提供特定的樣品取向和溫度控制，而探針系統(tǒng)可以提供樣品電學(xué)測(cè)試所需的電極并且能夠精確位移。通過(guò)以上各部分的精確配合可以實(shí)現(xiàn)低維納米結(jié)構(gòu)與微納器件特性的局域物性測(cè)量。
圖1 雙探針掃描電子顯微鏡系統(tǒng)的示意圖
近年來(lái)，隨著人們對(duì)低維材料光電特性研究的深入，對(duì)測(cè)試系統(tǒng)的成像分辨率、測(cè)量精度、溫度變化、外場(chǎng)激發(fā)等條件要求越來(lái)越高。同時(shí)，該設(shè)備由于自身局限性以及部件老化問(wèn)題，存在一些應(yīng)用上的不足：
1）電子光學(xué)系統(tǒng)的物鏡直徑達(dá)100mm，而工作距離只有0-20mm，因此探針豎直方向移動(dòng)的空間十分有限，如圖4所示；2）由于擴(kuò)散泵的效率較低，而且工作壽命已達(dá)極限，因此腔體的真空度已經(jīng)不能滿足測(cè)量場(chǎng)發(fā)射等特性所需的真空條件；3）缺少研究材料光電特性的有效手段，而光電特性分析是研究材料的帶隙特征的有效手段。
技術(shù)創(chuàng)新完成后能夠解決的具體科研問(wèn)題及其意義
改造后的雙探針掃描電子顯微鏡系統(tǒng)可以解決原系統(tǒng)中高精度局域測(cè)量存在的諸多問(wèn)題，具體可分為以下幾個(gè)方面：
（1）解決原系統(tǒng)成像分辨率低、對(duì)導(dǎo)電能力低的材料成像質(zhì)量差的問(wèn)題。寬帶隙材料由于具有較高的擊穿電壓，電子飽和速率高等，是制備各種高功率、高頻器件的理想材料。但是寬帶隙材料的導(dǎo)電能力差，特別是對(duì)于納米尺寸的材料，在電鏡下的觀察和定位較為困難。而且此系統(tǒng)組裝年限較長(zhǎng)，成像質(zhì)量有所
下降，對(duì)寬帶隙材料的觀察更為困難。通過(guò)改進(jìn)電子光學(xué)系統(tǒng)可以有效提高對(duì)寬帶隙材料的成像質(zhì)量，有助于電學(xué)測(cè)試的定位。
（2）解決原系統(tǒng)中探針定位精度低、可操控性差的問(wèn)題。原系統(tǒng)物鏡直徑為100mm，而工作距離僅為0-20mm，電子光學(xué)系統(tǒng)物鏡與樣品之間空間較小，因此外加探針或者光路只能以接近水平方向靠近樣品表面，樣品的定位以及探針自由移動(dòng)均受到非常大的限制。改造后的系統(tǒng)采用較小直徑和較長(zhǎng)焦距的物鏡，樣品上方空間增大，探針和光路能夠以較小角度達(dá)到樣品表面，增加了操作的自由度。同時(shí)新的探針系統(tǒng)位移精度增加，有助于低維納米材料電學(xué)特性的測(cè)量。
（3）引入新的光源后此系統(tǒng)可用于材料光電特性的測(cè)量，彌補(bǔ)了電子能帶表征手段的不足。在半導(dǎo)體光譜的研究中，利用光激發(fā)的電子行為可以很好的表征材料的電子能帶結(jié)構(gòu)，因此引入激勵(lì)光源可以更加有效的表征半導(dǎo)體材料電子能帶的特征。同時(shí)，對(duì)于半導(dǎo)體晶體材料，不同晶面往往具有不同的光學(xué)和電學(xué)特性。利用探針的精確定位能力，可以研究微米乃至納米尺寸半導(dǎo)體材料不同晶面的光電特性，避免了生長(zhǎng)大面積晶體的技術(shù)困難。
成果及應(yīng)用領(lǐng)域
本項(xiàng)目通過(guò)對(duì)原系統(tǒng)的改造，提高了系統(tǒng)的成像分辨率、真空度和探針的精確定位能力，增大了探針移動(dòng)的自由度，增添了激勵(lì)光源，可以為納米尺寸低維材料的場(chǎng)發(fā)射器件、光敏器件、能源器件等的物性測(cè)量提供服務(wù)。系統(tǒng)新功能的開(kāi)發(fā)將會(huì)為固態(tài)量子、超導(dǎo)、納米、表面、光學(xué)、半導(dǎo)體等多個(gè)領(lǐng)域中研究的開(kāi)展起到重要的支撐與促進(jìn)作用。
