SMIM掃描微波阻抗顯微鏡原理與應(yīng)用介紹

SMIM掃描微波阻抗顯微鏡原理與應(yīng)用介紹第一頁，共21頁。為何需要near-field近場微波顯微鏡遠場微波受到衍射極限的限制，無法分辨小于λ/2的細節(jié)。因此需要更長的工作波長（靈敏度下降）；更短的工作間距（近場微波顯微鏡）。近場微波顯微鏡的針尖與樣本的距離遠小于微波（100MHz-100GHz）的波長，因此，微波的有效作用區(qū)域遠小于波長，由波動引起的相位效應(yīng)可以忽略。第二頁，共21頁。復(fù)介電常數(shù)的頻率響應(yīng)復(fù)介電常數(shù)與頻率的關(guān)系符合德拜弛豫關(guān)系。εs為靜態(tài)介電常數(shù)，ε∞為光頻介電常數(shù)對于每一種極化均存在弛豫時間，在每一個ωm=1/τ處ε’和ε’’急劇變化，ε’’出現(xiàn)極大值。同時出現(xiàn)極化能量耗散，0.01<

ωm=1/τ<100的區(qū)間稱為彌散區(qū)域。第三頁，共21頁。復(fù)介電常數(shù)的頻率響應(yīng)對于不同頻率的電磁波，所能夠發(fā)生的極化現(xiàn)象不同，低頻時電場變化周期比弛豫時間長很多，可以充分進行各種極化過程，

εr接近于靜態(tài)介電常數(shù)εs；高頻時極化跟不上電場變化，損耗系數(shù)增大，以熱的形式散發(fā)。對于微波，主要發(fā)生電子云極化和離子極化。因此，對于不同頻率的電磁波（微波、可見光、射頻），測得的介電常數(shù)應(yīng)當是不同的。第四頁，共21頁。為何需要near-field近場微波顯微鏡對于低頻電磁波信號（MHz），系統(tǒng)介電特性的測量需要進行電極的排列和測量表面的良好處理（分辨率低）；對于高頻電磁波信號（射頻、可見光），由于其頻率太高，雖然有較高分辨率，但被測樣本的幾乎沒有極化作用，測量的物理量基本上是光學量而沒有電磁學特性。因此，對于樣品介電特性的測量，采用微波頻段有許多優(yōu)勢，其穿透作用強，可以探查樣品內(nèi)部信息，且其受頻率影響產(chǎn)生的極化作用包括了常見的短弛豫時間的極化，由不受長弛豫時間極化（空間電荷分布）的影響第五頁，共21頁。近場微波顯微鏡測量原理微波從波導中通過，發(fā)生指數(shù)衰減，出現(xiàn)截止頻率；且從波導中通過并于樣本發(fā)生關(guān)系的場很弱，靈敏度差。后出現(xiàn)同軸傳輸線，避免微波衰減，則沒有截止頻率。左圖為采用同軸共振腔的微波顯微鏡，基本的工作原理是，微波共振產(chǎn)生的峰值電位通過針尖與樣本相互作用，反射波改變共振腔的有效長度和損耗，從而改變系統(tǒng)的共振頻率和品質(zhì)因數(shù)。從而計算可得樣本的性質(zhì)。第六頁，共21頁。近場微波顯微鏡測量原理盡管經(jīng)過幾代的發(fā)展，但近場微波顯微鏡的工作原理是一致的。微波經(jīng)耦合環(huán)在λ/4同軸共振腔中共振，共振頻率為f0，經(jīng)針尖傳導后作用在樣品上，樣品反射后的微波由共振器吸收后會與產(chǎn)生的共振微波相互作用，造成共振頻率改變Δf；反射的微波衰減很快，相較于輸出微波來說要小得多，因此可用擾動方程分析。第七頁，共21頁。近場微波顯微鏡測量原理與頻率相關(guān)的輸入函數(shù)反射后的頻率改變系數(shù)A是一個與系統(tǒng)屬性相關(guān)的參數(shù)，在測量頻率不變的情況下是一個定值，因此該函數(shù)應(yīng)當是一個線性函數(shù)對于厚度大于100um的塊狀物第八頁，共21頁。近場微波顯微鏡測量原理對于厚度小于10um的薄膜由于微波的屬性，對電介質(zhì)的穿透能力較強，因此測量得到的介電常數(shù)是薄膜和基底的介電常數(shù)耦合結(jié)果，需要進行剝離。第九頁，共21頁。sMIM的基本構(gòu)造-針尖結(jié)構(gòu)（a）所示的針尖由于沒有屏蔽周圍的環(huán)境，收到溫度的影響很大。且沒有高度控制系統(tǒng)（b）所示的AFM針尖結(jié)構(gòu)可以控制針尖高度，但無法屏蔽周圍的電磁信號。（c）所示的針尖結(jié)構(gòu)解決了上述問題。右圖為針尖的具體結(jié)構(gòu)，包括微波傳輸線，激發(fā)結(jié)構(gòu)（Exc）和吸收器（Tip）。第十頁，共21頁。sMIM的基本構(gòu)造示意圖則可以將系統(tǒng)的阻抗描述為：（1）針尖與地間的阻抗Zt；（2）激發(fā)器與地間的阻抗Ze；（3）針尖與激發(fā)器間的阻抗Zet。當針尖與樣品接觸時，上述三個量分別發(fā)生變化。從程序框圖中可以看出此sMIM可以實現(xiàn)高度的控制和對于雜散干擾信號的消減（Commen-modecancellation）第十一頁，共21頁。sMIM的基本構(gòu)造示意圖要提高測量的靈敏度，需要對線路阻抗進行匹配，使其在工作頻率下（1GHz）達到共振狀態(tài)，經(jīng)匹配后可以得到系統(tǒng)相關(guān)參量Zt

、Ze；Zet可由有限元計算得出。第十二頁，共21頁。sMIM的測量原理sMIM顯微鏡不同于傳統(tǒng)的NSMM顯微鏡，不通過頻率漂移和品質(zhì)因數(shù)的改變而確定電屬性的，而是通過對反射波相位和幅值的分析得到復(fù)介電常數(shù)。這一技術(shù)的關(guān)鍵在于對外界信號的屏蔽和對共模信號的消減。第十三頁，共21頁。sMIM的測量實例與應(yīng)用左圖為掃描圖示樣本時的成像，（b）為AFM形貌圖；（c）為介電通道成像；（d）為電導通道成像?？梢妰?nèi)部信息主要反映在電容的變化信息上；圖示橫截面可獲得ΔV~60mV；分辨率為120nm。第十四頁，共21頁。sMIM的測量實例與應(yīng)用圖示為對In2Se3的測量結(jié)果；在不同的輸入阻抗區(qū)測量得到的結(jié)果不同；對測量出的結(jié)果需要進行有限元分析來模擬。對不同的阻抗，MIM-C與MIM-R的測量結(jié)果不同第十五頁，共21頁。sMIM的測量實例與應(yīng)用將測得的結(jié)果輸入COMSUL進行模擬（準靜態(tài)模式，時域諧波分析）；第十六頁，共21頁。sMIM的測量實例與應(yīng)用圖示為sMIM測量CdTe樣本的MIM-C成像，在晶格邊界處電容比晶格處電容高很多，說明邊界處載流子濃度高。這一現(xiàn)象一方面可以說明該模式可以用來測試樣本缺陷（a.無定形vs晶體；c.化學氣相沉積樣本vs機械玻璃）；另一方面，其他方法得到的結(jié)果為晶格邊界處載流子濃度低，對應(yīng)較低的電容，說明MIM-C成像受形貌影響很大。第十七頁，共21頁。sMIM的測量實例與應(yīng)用為避免形貌對測量的影響，可以進行dC/dV的測量；具體測量方法是采用直流+交流信號進行測量，不斷改變直流分量的幅值，得到dC/dV圖像，可以避免形貌對結(jié)果的影響。測量結(jié)果如左下圖（幅值圖）所示，邊界處變化率大，則此處載流子濃度低。通過相位圖還可判斷出邊界處p型載流子缺乏。則通過dC/dV圖像可以判斷載流子的空間分布。第十八頁，共21頁。Reference[1]LaiK,JiMB,LeindeckerN,etal.Atomic-force-microscope-compatiblenear-fieldscanningmicrowavemicroscopewithseparatedexcitationandsensingprobes[J].ReviewofScientificInstruments,2007,78(6):063702-063702-5.[2]MohitTuteja,PrakashKoirala,ScottMacLaren,etal.Directobservationofelectricalpropertiesofgrainboundariesinsputter-depositedCdTeusingscan-probemicrowavereflectivitybasedcapacitancemeasurements[J].AppliedPhysicsLetters,2015,107.[3]LaiK,KundhikanjanaW,KellyM,etal.Modelingandcharacterizationofacantilever-basednear-fieldscanningmicrowaveimpedancemicroscope[J].ReviewofScientificInstruments,2008,79(6):063703-063703-6.[4]KeilmannF,HuberAJ,HillenbrandR.NanoscaleConductivityContrastbyScattering-TypeNear-FieldOpticalMicroscopyintheVisible,InfraredandTHzDomains[J].JournalofInfraredMillimeter&TerahertzWaves,2009,30(12):1255-1268.[5]LaiK,KundhikanjanaW,KellyMA,etal.Nanoscalemicrowavemicroscopyusingshieldedcantileverprobes[J].AppliedNanoscience,2011,1(1):13-18.[6]BarkerDJ,JacksonTJ,SuhermanPM,etal.Uncertaintiesinthepermittivityofthinfilmsextractedfrommeasurementswithnearfieldmicrowavemicroscopycalibratedbyanimagechargemodel[J].MeasurementScience&Technology,2014,25(10):2504-2504.[7]FriedmanS,AmsterO,YangY.RecentadvancesinscanningMicrowaveImpedance