[发明专利]一种近场微波显微镜介电常数测量标定的软接触实现方法

说明书

一种近场微波显微镜介电常数测量标定的软接触实现方法，属于近场微波显微镜的测试领域。采用至少3个已知介电常数的样品进行软接触测试，得到各样品在软接触时的谐振频率，然后通过拟合的方式得到常数A与f₀，完成近场微波显微镜介电常数测量时的标定。本发明方法操作简单，误差较小，有效减小了针尖样品距离对介电常数测量的影响，很好地实现了利用近场微波显微镜测量介电常数时的标定。

技术领域

本发明属于近场微波显微镜的测试领域，具体为利用近场微波显微镜的探针与样品的软接触模式来测量样品的介电常数，通过对谐振腔谐振频率随针尖-样品距离的接近曲线的探究，提出一种实现软接触的方法，利用该方法对已知介电常数的样品进行了测试和拟合，实现对近场微波显微镜介电常数测量时的标定，为利用近场微波显微镜对介电常数定量化测量奠定了基础。

背景技术

近场微波显微镜(Near-Field Scanning Microwave Microscopy，NSMM)结合了微波测量技术与扫描探针测量技术，利用微波探针与样品之间发生相互作用(这种相互作用携带了样品的电磁信息)，进而影响谐振腔的谐振频率与品质因数等微波参数，因此通过测量这些微波参数，可以反演出样品的电磁信息(介电常数、电导率、磁导率等)。

目前测量介电常数的方法主要有：平板电容法、传输反射法、自由空间法和谐振腔法，这些方法测得的往往是样品各个区域响应的积分，因此难以获得材料在纳米尺度的微观特性，而且对样品的形状有特殊的要求。而近场微波显微镜结合了微波测量技术与扫描探针测量技术，可以将场集中在较小的区域内，实现材料局域性质的测量，并大大减小了对样品形状的要求。

目前，NSMM技术主要的实现方法有：利用同轴谐振腔内导体伸出的探针实现测量，利用AFM末端的探针实现测量。其中利用同轴谐振腔的方法可以实现很高的品质因数，因而可以大大提高测量时的空间分辨率和灵敏度。在利用同轴谐振腔测量介电常数前，首先建立准静态模型，推导出谐振腔谐振频率f_r与高度H以及样品介电常数ε_r之间的关系；对于同一种介电常数ε_r的样品，谐振腔谐振频率f_r与高度H近似满足对数关系；对于不同介电常数ε_r的样品，当H＝0时(软接触)，谐振腔谐振频率f_r与样品介电常数ε_r满足(1)式。

NSMM的微波谐振腔如图1所示，在测试时，电场集中于探针针尖处，相当于一个“点源”，当针尖与样品的距离H在近场范围内(DHλ，D为针尖的特征尺寸，λ为波长)时，探针针尖上的“点源”会“照射”到样品上，同时样品会对谐振腔产生微扰作用，针尖与样品之间发生相互作用，这种相互作用不仅受到样品电磁性能(介电常数、电导率、磁导率等，对于介质样品主要考虑介电常数)的影响，探针与样品之间的距离也是一个重要的影响因素。为了排除针尖样品距离对测试结果的影响，软接触模式被提出。软接触模式是指针尖与样品接近H＝0的临界接触，而在实际测试过程中，难以控制针尖和样品刚好处于软接触模式。目前，通常采用显微镜或者探针下方放一个感受压力的秤来判别针尖是否与样品软接触，但这些方法存在误差大、无法自动控制、难实现等问题。在实际测试时，对于开口谐振腔体会受到来自外界环境的干扰(比如样品台)，公式(1)中的修正空载谐振频率f₀与实际谐振腔的空载谐振频率有一定的差距，目前通过采用两个不同的已知介电常数ε_r的样品得到软接触谐振频率f_r，然后通过(1)式可求解出常数A与f₀，但是该方法的人为误差和系统误差较大。

发明内容

本发明的目的在于，针对背景技术存在的缺陷，提出一种对近场微波显微镜介电常数测量时进行标定的软接触实现方法。该方法操作简单，误差小，自动化测量，有效减小了针尖样品距离对介电常数测量的影响。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种近场微波显微镜介电常数测量标定的软接触实现方法，其特征在于，包括以下步骤：