[发明专利]安装在扫描探针显微镜中的原位微型单元大电流测量装置及电学测试方法

说明书

技术领域

本发明属于纳米材料类超导性能及电学性能测量领域，具体涉及一种在扫描探针显微镜上对具有类超导性质的微型元件进行大电流伏安特性电学测量的装置，特别涉及一种安装在扫描探针显微镜中的原位微型单元大电流测量装置及电学测试方法

背景技术

扫描探针显微镜(SPM)是近20年获得迅速发展的一大类表面分析仪器的总称，该类产品目前含扫描隧道显微镜(STM)、原子力显微镜(AFM)以及由其派生出的磁力显微镜等。扫描探针显微镜技术的出现，使人类第一次能够观察到单个原子在物质表面的排列状态以及与表面电子行为有关的物理和化学性质，在众多科学和技术领域有着十分重大的意义。尤其是在纳米科技中，是科学工作者不可或缺的实验手段和实验基础。

我们在实验室条件下采用导电原子力显微镜对微型材料样品进行测试，其工作原理是：导电探针被预先设定力，与被测样品进行表面接触，这样就使探针、被测样品、扫描器形成了电学回路，通过外加偏压(Bias Voltage)就可以测定伏安特性曲线。为保证实验的正确性，在每次实验前后都对导电探针的工作状态进行检测，细化操作如下：在每次实验前后都将导电探针直接接触样品载体(硅片)表面的镀金膜，通过加一定偏压确认悬臂和金膜之间的传导性，即如果导电探针直接接触金膜，I/V特性曲线则为一条与电流轴重合的曲线。此外为了尽量达到所谓的欧姆接触，从而避免欧肖特基效应，还需要对样品的功函进行测试。

我们新引进的扫描探针显微镜只有10V直流电压及100nA电流的测量范围。而我们课题组已经合成出多种微晶体，其预期具有较宽范围的类超导I/V特性，受限于该类商用仪器的技术指标，无法获取微晶体功能材料的大功率电学性能。而原位测试待测微晶体功能材料的大功率电学性能是当前纳米材料研究的难题。

发明内容

本发明的目的是提供一种安装在扫描探针显微镜中的原位微型单元大电流测量装置及电学测试方法。利用扫描探针显微镜原位实时记录待测微晶体功能材料在大功率电场作用下的电学性质以及电场诱发的微晶体结构状态变化，将微型单元的电学性质与微观结构变化直接对应起来，从纳米尺度上揭示微晶体功能材料的类超导大功率电学性质。

结合附图，说明如下：

安装在扫描探针显微镜中的原位微型单元大电流测量装置包括样品平台、电路部分，它还包括一个能放入扫描探针显微镜中的原位电学测量平台，其上设置一个支撑部分为绝缘衬底4的探针夹持器3，探针夹持器3杠杆式安装在绝缘衬底4上，并通过连接电缆2外接可控电压源。

所述的原位电学测量平台为金属托架(1)。

所述的探针夹持器3为一端带压紧弹簧5的镀金铜片。

所述的的绝缘衬底4材质为聚醚砜工程塑料。

所述的样品平台为直径2cm的金属圆片。

一种用于安装在扫描探针显微镜中的原位微型单元大电流测量装置的电学测试方法，包括以下步骤：

1)在计算机屏幕上绘制显示I/V坐标图(即电流电压关联图)，X轴为电压量，Y轴为电流量；

2)按屏幕提示输入本次样品测试值，具体为扫描电压量，扫描速率和电流限制量；

3)计算机控制插在计算机主机扩展槽上的D/A数模转换器，将输入的数字化电压量转变为模拟量电压输出；

4)计算机控制插在计算机主机扩展槽上的A/D模数转换器，采集电流采样器上的模拟量电流值；

5)计算机控制插在计算机主机扩展槽上的A/D模数转换器，将电流采样器上的模拟量电流值，转变为数字化电流值；

6)计算机按编制程序的计算公式，计算出绘图数据及实时实验数据，判断继续扫描还是结束扫描；

若继续扫描回到第二步，获取新的扫描数值；

若结束扫描，则进入绘图程序及数据存储程序并结束本次实验。

本发明的有益效果：

1.本装置可以直接放入扫描探针显微镜中进行观测，实现了在扫描探针显微镜中原位对纳米尺度的待测单元进行大功率电学测量以及原位观测，提供了一种新的微型器件的原位电学测试方法，具有性能可靠，安装方便，结构简单的特点，拓展了扫描探针显微镜的功能。

2.本发明中电学测量平台可以方便制备和装入扫描探针显微镜中，可以实现在原位通电的同时从最佳角度观测样品。

3.待测元件具有测试区可选择性，可以先进行扫描探针显微观测，选择其中一个待测单元，测试该微区在大功率电场作用下的电学性质以及电场诱发的微晶体结构状态变化，将微型单元的电学性质与微观结构变化直接对应起来，从纳米尺度上揭示微晶体功能材料的电学性质。