低温强场扫描微波阻抗显微镜

  

低温强场扫描微波阻抗显微镜(LTSIM-1

l  设备简介

低温强磁场扫描近场微波阻抗显微镜(Scanning Microwave Impedance MicroscopysMIM))是一种与原子力显微镜兼容的扫描探针技术。sMIM 可以对尺寸接近10nm 材料的局域电学性质(例如介电常数和电导率)进行成像,观察物质微观结构和特性。随着当代凝聚态物理以及信息功能材料的研究向纳米尺度发展,sMIM 逐渐在半导体材料、相变存储材料、超导材料、石墨烯材料等新型功能材料与相关的物理机理研究方面发挥重要作用,并成为这些研究领域中不可或缺的测量工具。特别是在低温、强磁场等极端条件下,可以定量无损地对新型功能材料中存在的奇异量子物理现象进行测量和研究。扫描近场微波阻抗显微技术通过近场微波方法,以非常高的灵敏度和纳米级别的分辨率对导体、半导体以及绝缘体等样品的电容和电导同时进行成像。

低温强磁场扫描近场微波阻抗显微镜目前主要应用于信息功能材料国家重点实验室对人工二维晶体超结构、超导纳米器件物理结构和埋层纳米超导电路进行无损成像。其具有超强的纳米精密检测能力,将为实现高性能新型功能器件快速无损检测提供条件;此外,通过增加降温和强磁场等极端实验条件,还可以用于对高温超导材料和石墨烯等新型二维信息功能材料原位表征,为研究实现在极端条件下二维晶体材料的导电机理研究提供条件。

l  设备原理

扫描近场微波阻抗技术与原??显微镜相兼容,通过同轴屏蔽型的独特探针结构,实现在测量样品表面形貌的同时能够探测样品局部的电导率以及介电常数相关的信息。利用激光对悬臂梁形变程度的灵敏探测实现样品形貌的精确成像,而悬臂梁内部的金属导电通路则负责传输微波信号至探针尖端,通过收集反射的微波信号从而分析得到测量区域的电导率以及电容率信息。另外,sMIM在直流模式下能够在探针上施加变化的直流偏压引起样品局部的载流子分布变化,通过电容-偏压(C-V)曲线来探测样品局部的载流子类型以及掺杂浓度;在交流模式下则可以通过dC-dV曲线来对样品的整个扫描区域进行掺杂类型和掺杂浓度的相对比较。

l  设备主要功能

ü  AFM(原子力显微镜)

ü  MFM(磁力显微镜)

ü  sMIM(扫描微波阻抗显微镜)

常规模式:样品形貌测量、电容率成像(sMIM-C)、电导率成像(sMIM-R

直流模式:样品局部的载流子类型与相对掺杂浓度判断(C-VR-V曲线)

交流模式:样品扫描区域的掺杂类型和掺杂浓度比较(dC-dV图像)

l  设备技术指标

ü  AFM 稳态面内分辨率 < 1nmsMIM面内分辨率 < 10 nmz方向分辨率 < 0.1nm

ü  定位区域(x-y-z):常温下 5×5×5 mm,低温下 5×5×5 mm

ü  样品扫描面积:常温下 40×40 μm,低温下 30×30 μm

ü  微波工作频率:3GHz

ü  样品室尺寸:45mm(直径)

ü  拉伸台载荷力:1000N

ü  无液氦磁体恒温器工作温度范围:4-300 K

ü  垂直磁场加载范围:9T-9T

l  测试样品要求

ü  横向尺寸 < 10 mm

ü  表面最大高度起伏 < 1um

ü  sMIM的测量要求样品是非金属

ü  对变温和强磁场环境的测量要求样品具有较高的稳定性

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