大气环境双模静电力显微术高分辨成像的机理与方法研究

The structure and properties of optoelectronic materials are generally in the nanometer scale. Scanning probe microscopy is the only class of instrumentation that can characterize the topography and properties at nanoscale resolution. Among them, Electrostatic Force microscopy (EFM) primarily characterizes electrical properties. However, at present, the resolution of EFM in atmospheric environment is usually only about 30 nanometers, which can not meet the needs of the study of the characterization of optoelectronic materials in the nanometer scale. In recent years, the "multi-frequency method" in the field of scanning probe microscopy has been rapidly developed. Applied its "bimodal" method, the applicant's research team developed a kind of bimodal EFM under atmospheric environment and achieved an imaging resolution of 10-15 nm for the first time. In this project, the influence of signal crosstalk and probe convolution on the measurement and imaging in atmospheric bimodal EFM will be studied through theoretical analysis, simulation and comparison with experiment, and the mechanism and method of atmospheric bimodal EFM high resolution imaging will be discussed. Then, a new idea of using both methods of one-pass scan and frequency modulation for imaging is proposed to improve the resolution of atmospheric bimodal EFM to 3-5 nm and an instrument prototype will be built. At last, the characterization techniques and experimental methods of high-resolution imaging and quantitative measurement of local surface potential and other electrical properties at several nanometer scale will be established. Their applications in the study of optoelectronic materials will also be set up.

光电材料的结构和特性通常具有纳米尺度的特征。扫描探针显微术是目前唯一一类能以纳米级分辨率对形貌和物性表征成像的仪器技术，其中静电力显微术（EFM）主要对电学特性表征成像。然而，目前大气环境EFM的分辨率通常只有30纳米左右，不能满足光电材料纳米表征研究的需要。近年来，扫描探针显微术领域的“多频率方法”得到了迅速发展。本项目申请人研究团队应用其“双模成像”方法研发了一种大气环境的双模EFM并率先实现了10-15纳米的高分辨成像。本项目拟通过理论分析、仿真计算并与实验对比，深入研究大气双模EFM中存在的信号串扰和探针卷积对测量成像的影响，探讨大气双模EFM高分辨成像的机理与方法；提出采用一遍扫描成像和频率调制方式，将大气双模EFM的分辨率提高到3-5纳米并搭建实验装置；发展局域表面电势等电学特性在几纳米尺度的高分辨成像和定量化测量的表征技术和实验方法，建立其在光电材料研究领域的应用范例。

本项目针对大气环境静电力电力显微术（EFM）的分辨率不能满足光电材料与器件的纳米表征研究需要的实际情况，通过理论分析、仿真计算并与实验对比，对基于双模静电力显微术（EFM）的测量成像理论技术及应用开展了深入研究，重点研究了在大气环境下的、高空间分辨率测量成像的技术方法并探索了其机理，研发了一系列在大气环境下进行高分辨成像和定量化测量的纳米表征的仪器技术并实现了项目成果的产品转化。. 本项目研究主要在以下六个方面取得了明显进展或重要结果：①开展大气环境的原子力显微镜（AFM）的、高品质因子的音叉型自感应探针的制备方法及其机理的研究，显示出其用于高分辨成像的潜力；②开展基于石英音叉(QTF)的、AFM自感应探针的频率调制及测控系统的研发，可为光电材料器件或集成电路的检测提供新的仪器和方法。③基于静电力显微术的次表面成像技术的仿真研究：获得了埋藏在半导体样品内部的极性颗粒的埋藏深度和相对介电常数，可用于下一代集成电路检测仪器设备的研发。④利用扫描电容显微镜对薄膜材料的介电常数进行测量成像，可为纳米分辨率的相对介电常数的测量成像提供新的方法。⑤研究了针尖导电的音叉型自感应探针的高效制备及应用，可满足AFM形貌成像和高分辨静电力成像的应用需求；⑥实验装置的样机搭建、仪器技术的完善应用及成果转化：研发了所需的核心模块和完整样机，实现了技术成果的产品转化，合作企业已推出相应新产品。. 本项目发展了基于大气环境EFM在纳米空间尺度范围内的高分辨成像和定量化测量的理论、技术和方法，拓展了其技术应用领域并实现了项目成果的产品转化。本项目执行期间已发表研究论文 5篇（第一标注）；新申请发明专利5件，获授权发明专利3件；获软件著作权登记证书2件；获其它重要研究成果2项。本项目研究成果可为光电材料器件的纳米表征研究、集成电路检测仪器设备的研发以及教育教学等领域提供新的仪器技术、方法和产品。