[发明专利]一种表面电势测量方法

说明书

本发明属于材料测试技术领域，更具体的，涉及一种基于开尔文探针力显微镜技术的表面电势测量方法。通过样品校准，标定双谐波开尔文探针力显微镜测试表面电势时电势比例系数，解决了因为该系数不确定导致的表面电势值测量不准确的问题，实现了样品表面电势的可靠快速测量。

技术领域

本发明属于材料测试技术领域，更具体的，涉及一种基于开尔文探针力显微镜技术的表面电势测量方法。

技术背景

材料微观区域的表面电势测量对于电子器件的微型化研究具有重要意义。现在常用的微观区域表面电势的测量方法主要是开尔文探针力显微镜技术。开尔文探针力显微镜技术是一种通过探针与样品表面之间的静电力来测量表面电势的方法，空间分辨率可以达到纳米量级，电势分辨率可以达到毫伏级。开尔文探针力显微镜技术又可以分为传统开尔文探针力显微镜与开环开尔文力显微镜。传统开尔文探针力显微镜是依赖于施加直流偏压反馈回路去抵消样品的表面电势，从而实现表面电势及其分布的测量，但是该方法在测量过程中，由于外加反馈回路的影响，测量结果对系统的各项参数非常敏感，导致表面电势测量结果不准确。开环开尔文力显微镜技术不需要外加直流反馈回路，相较于传统开尔文探针力显微镜有几大优势：首先，该方法简化了测量步骤并且消除了反馈回路对测量带来的影响；其次，该技术非常适合于类似于半导体、绝缘体等压敏材料的测试；除此之外，该技术还可以将现有的开尔文探针力技术拓展到液态环境，测量固液界面处的电化学势。开环开尔文力显微镜又可以划分为双谐波开尔文探针力显微镜与带状激励开尔文探针力显微镜。

双谐波开尔文探针力显微镜技术外加直流电压为零，电势测量过程中，给探针施加交流电压V_ac使其在频率ω发生简谐振动，探针在频率为一倍频ω振动时的振幅A_ω及相位二倍频2ω振动时的振幅A2ω有如下关系式：

其中，k为针尖弹性系数，电势比例系数X＝G_2ω/G_ω；G_ω、G_2ω是测量过程中系统分别在频率ω与2ω的转换系数。双谐波开尔文探针力显微镜技术是通过锁相放大器监测探针在一倍频ω振动时的振幅A_ω及相位二倍频2ω振动时的振幅A_2ω，代入公式(3)计算得到表面电势。虽然该测试方法简单、直接、干扰少，但是由于系统的转换系数G_ω、G_2ω不确定，导致比例系数X的无法准确定量，使得利用双谐波开尔文探针力显微镜测量样品表面电势具有较大误差。

因此传统基于双谐波开尔文探针力显微镜技术的表面电势测试方法存在较大误差的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于双谐波开尔文探针力显微镜技术准确测量表面电势的测量方法。

为解决上述技术问题，本发明采用技术方案是一种表面电势测量方法，包括如下步骤：

步骤1：测试校准

1)将等离子体注入绝缘基底表面，形成长度为L，宽度为W的带状导电区域；用磁控溅射法在带状导电区域宽轴的两侧镀上铂金电极，铂金电极与带状区域为欧姆接触；得到校准样品；

2)测试带状区域的表面电阻R，在铂金电极间施加恒定电流I，计算得到样品表面的理论单位电压降ΔVt＝I*R/L；

3)将校准样品固定在开尔文探针力显微镜样品台上，在铂金电极之间施加恒定电流I；同时在导电探针与样品之间加上交流激励电压V_ac，使导电探针及其悬臂发生谐振；

4)将探针移动到校准样品带状导电区域上方，设定探针扫描范围后开始扫描，记录初始扫描点为参考点，记录扫描点与参考点的距离a，利用锁相放大器监测探针在一倍频振动时的振幅与相位、二倍频振动时的振幅，并输出到计算机；