[发明专利]原子力显微镜系统及其电流检测方法

说明书

本申请涉及一种原子力显微镜系统及其电流检测方法，在基于导电针尖自感应探针的原子力显微镜系统中，首先对导电针尖自感应探针施加探针激励信号使其进入振动工作模式进行待测样品当前位置的形貌扫描操作。之后将导电针尖自感应探针切换为静态工作模式实现待测样品当前位置的电压‑电流测量操作，最后将导电针尖自感应探针移动到下一位置进行下一位置的检测。上述方案，在进行原子力显微镜形貌扫描的同时，实现局域电阻、或电流的测量或成像。这样，既有动态原子力显微镜形貌成像的优点，即对样品的作用力较小，成像效果好，又有接触原子力显微镜电流测量的优点，可施加较大的斥力作用，可获得稳定可靠的形貌成像和电流测量。

技术领域

本申请涉及扫描成像技术领域，特别是涉及一种原子力显微镜系统及其电流检测方法。

背景技术

扫描探针显微镜(Scanning Probe Microscope，SPM)采用尖锐的探针在样品表面扫描的方法来获取样品表面一些性质的设备，不同的SPM主要是针尖特性及针尖-样品相互作用的不同。其中，目前以原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)应用最为广泛。

原子力显微镜通常使用一个一端固定而另一端带有针尖的弹性微悬臂来检测样品表面形貌或其他表面性质，当样品或针尖扫描时，同距离有关的针尖样品间相互作用力就会引起微悬臂发生形变。基于AFM的导电针尖的电流测量成像方法主要包括基于导电AFM(C-AFM)的电压-电流特性曲线测量(I-V curve)、扫描传输电阻显微镜(scanningspreading resistance microscopy，SSRM)、扫描差分传输电阻显微镜(scanningdifferential spreading resistance microscopy，SDSRM)以及隧道原子力显微镜(tunnelling atomic force microscopy，TUNA)等。这些技术不仅具有AFM本身的高分辨的形貌成像的功能，还具有多种电学测量功能，能够同时对半导体样品的导电性进行高分辨的测量和成像。

目前，大气环境AFM通常采用基于激光位置检测的微悬臂探针，用于形貌成像的AFM探针的针尖通常不需要导电，但导电原子力显微镜(C-AFM)的一类重要应用纳米尺度的电学性质的测量成像中，需要采用针尖导电的AFM探针，例如SSRM、TUNA、NIM(纳米阻抗显微镜)等。在具体测量的实现方法上，电流-电压曲线(I-V Curve)、传输电阻(SSRM)、或纳米局域的阻抗(NIM)等为了使探针和样品将保持良好的电接触，通常需要直接接触并保持较大的力，如10nN-1000nN量级。并且，为了能够检测到隧穿电流，TUNA AFM则需要针尖和样品间保持适当的距离，也即在电流测量时，需要控制探针-样品间的距离或相互作用力的大小。

然而，采用压电自感应探针的导电原子力显微镜中，压电自感应探针的导电针尖和音叉叉臂上的电极实际上是连接在一起的，由于音叉激励信号和电流信号在该引出电极上同时存在，通常并不能单独直接地测量得到压电信号和电流信号；其次是在形貌成像时，探针的悬臂和针尖都处于机械振动的状态，因此从原理上说，难以保持恒定的接触力或恒定的针尖-样品间距。因此，采用压电自感应探针的导电原子力显微镜存在电流检测可靠性差的缺点。

发明内容

基于此，有必要针对传统的采用压电自感应探针的导电原子力显微镜存在电流检测可靠性差的问题，提供一种原子力显微镜系统及其电流检测方法。

一种原子力显微镜系统的电流检测方法，包括：向原子力显微镜系统的导电针尖自感应探针施加探针激发信号，对待测样品的当前测量位置进行形貌扫描；当当前测量位置的形貌扫描完成时，控制所述导电针尖自感应探针进入静态工作模式；控制所述导电针尖自感应探针和所述待测样品之间保持恒定作用力，并输出偏压信号对所述待测样品的当前测量位置进行电压-电流测量；当当前测量位置的电压-电流测量完成时，控制所述导电针尖自感应探针移动至所述待测样品的下一测量位置，并返回向原子力显微镜系统的导电针尖自感应探针施加探针激发信号，对待测样品的当前测量位置进行形貌扫描的步骤，直至所述待测样品的所有测量位置均完成检测。