[发明专利]用于薄膜表征的测量技术

说明书

一种测量装置，包括高电容率介质谐振器(10)，其具有低微波损耗角正切和至少一个第一对称轴(z1)；导电谐振腔(100)，其包含谐振器(10)且几何形状类似于该谐振器(10)，并具有与第一对称轴(z1)重合的第二对称轴(z2)；谐振腔(100)具有与第一对称轴(z1)正交的多个相似端口(104)，每个此类端口(104)都具有微波天线(114)，用于将微波射入谐振腔，从而在谐振器中激励出电场，或者用于从谐振腔接收微波；以及比较电路(200、300、400、500、600、700、800)，其连接至所述多个端口(104)中用于将微波射入谐振腔的第一端口(P1)，同时还连接至所述多个端口(104)中用于接收来自谐振腔的微波的其他端口(P2、P3)；其中该测量装置还包括与谐振腔(100)电接触的导电调谐螺钉(106)，该调谐螺钉至少可部分地位于谐振器中激励出的电场中；以及磁力源(18)，该磁力源(18)用于对引入至谐振器(10)的上表面(12)邻近处的样本施加磁场，该上表面(12)基本平行于或反平行于第一对称轴(z1)；以及其中用于接收来自谐振腔(100)的微波的所述多个端口(104)的其他端口中的一个(P3)与用于将微波射入谐振腔的所述多个端口(104)的第一端口(P1)正交。这样的测量装置可用于在谐振器(10)并未与薄膜或其上形成有薄膜的衬底(20)接触的情况下，测量薄膜(30)的电导率或薄膜电阻以及薄膜的载流子迁移率。

技术领域

本发明涉及对薄膜进行表征的测量技术，且尤其是用于确定薄膜的载流子迁移率以及薄膜的电导率或等同的薄膜电阻。

背景技术

发明人之前曾在他们的论文“Non-contact method for measurement of themicrowave conductivity of grapheme”中描述过一种用于测量包括单层或非常少层石墨烯的石墨薄膜样本的电导率和薄膜电阻的技术，参见Applied Physics Letters，Vol.103，pp.123103-1-123103-4(2013)。这种技术使用了由在导电室中微波激励的具有低微波损耗角正切的高电容率材料的单晶(比如蓝宝石)制作而成的高Q因数介质谐振器，以在非接触的方式下测量此类包膜样本的电导率。如该论文结尾所述，本发明人指出还期望能够找到一种以类似的非接触的方式测量薄膜样本的载流子迁移率的技术。

到目前为止，已经使用接触式的方法测量了薄膜样本(比如单层或非常少层的石墨烯)的载流子迁移率，所使用的接触式方法包括将包膜样品图案形成(patterning)在衬底(比如氧化硅晶片)上的霍尔棒器件中，然后将电极附接至样本，以便从场效应和磁阻测量中确定样本的载流子迁移率，例如K.S.Novoselov，A.K.Geim et al在Science，V0l.306，pp.666-669(22October 2004)上的文章“Electrical Field Effect in Atomically ThinCarbon Films”和K.S.Novoselov et al在Proceeding Nat.Acad.Sci.，Vol.102，no.30，pp.10451-10453(26 July 2005)上的文章“Two-dimensional atomic crystals”中所描述的。

这样的技术具有以下的缺点：其在将样本制备成霍尔棒器件时是费时且低效的，并且对待测的薄膜样本具有破坏性。

另一方面，以非接触的方式来测量半导体样本也是已知的，方法是通过将这样的样本放置在矩形腔体谐振器中，并向该腔体内射入微波以在静态磁场的存在下将该样本激励成正交模。然而，这种技术具有的缺点是，尽管样本并不会被这种技术所破坏，但是很难精确地表征样本的霍尔系数及其迁移率。这是由于几个原因。第一，很难在腔体内实现高Q因数；第二，相对于样本，矩形腔体复杂的几何形状使样本和腔体之间耦合的计算有问题，因此仅能使用极小体积的样本，而腔体内的样本的形状和位置通常都是关键的。此外，还存在腔体导电壁上的磁场的直接效应，该直接效应由制造腔体的金属的小但有穷的霍尔系数引起。因此，这种技术并不受欢迎。