利用原子力显微镜对二维异质结构上莫列波纹的研究

导电性测量是一种有效的方法, 可用来描述某些特殊应用中材料的特性与行为，从能量存储和能量转换元件，到分子元件电路以及纳米级半导体元件。导电探针原子力显微镜（CP-AFM）是其中一种相当有用的技术，它可以提供精确的纳米级测量和先进材料如CNTs膜的导电性的相对分布图。在过去的十年中，几种检测被引入来研究这些材料，然而，绝大多数只能测量有限的电性范围。在这项研究中，配备CP-AFM的Park NX20被用来研究具有广泛导电性的3种不同的材料。实验所得数据清晰地证明了，这项技术借由整合对数型电流放大器于系统中，可利用来测量不同导电材料的典型表征，以及提供薄膜材料的导电率空间解析图。

自原子力显微镜发明以来，原子力显微镜通过在纳米尺度上提供精确、可靠、无损的成像，在材料科学和元件工程中产生了革命性的影响。原子力显微镜被广泛用于纳米技术应用当中，像生物医学可植入驱动器、电池超薄阴极材料、光电探测器和存储器和逻辑电路开关。随着元件尺寸的不断缩小，材料的局部特性测量方式方法在提供精确的纳米尺度测量方面已经变得更加有效。局部的机械性能如粘附性和弹性模量是决定这些元件的可靠性和所含性能的关键参数。现有的原子力显微镜是基于纳米机械方法被引入测量机械性能，例如包括力体积谱和纳米压痕。 然而，其中一些技术相当耗时间，有些则具有破坏性，不能满足某些特定应用的高产量监测。 图1展示了Park Systems开发的原子力显微镜PinPoint纳米机械模式。Park Systems专利的PINPOINT技术比传统的力体积谱技术至少快两个数量级，这可以使用户在短时间内能够同时获取材料的定量力学特性和高分辨率形貌图。在操作过程中，探针针尖以接近-缩回的方式移动，确保两者间不会形成摩擦，消除了探针和样品间的持续接触所产生的侧向力，保持了针尖和样品间的良好状态，进而理想的测量软性或硬性样品，如硬盘和生物样品。在图像中的每一点获取力-距离曲线，用于计算被测样品的机械特性。在数据收集期间，XY 扫描器停止，并控制接触时间以给扫描器足够时间去获取精确和准确的数据。 在本实验中，成功地定量了具有不同模量范围的4种不同材料。各试验所得结果均接近所测材料的标称值，证明了PinPoint模式在力学特性的定量方面所具备的优越性。此外，它又同时获得了高分辨率图像，显示了样品的表面特征。

近年来，对电化学过程的理解如电沉积（也称电镀）在各种科学技术中的作用变得非常凸显，包括括微电子、纳米生物系统、太阳能电池、化学等其他广泛应用。〔1，2〕电沉积是一种传统方法，利用电流通过一种称为电解质的溶液来改变表面特性，无论是化学的还是物理的，使得材料可适合于某些应用。基于电解原理，它是将直流电流施加到电解质溶液中，用来减少所需材料的阳离子，并将颗粒沉积到材料的导电衬底表面上的过程[3 ]。此项技术会普遍增强导电性，提高耐腐蚀性和耐热性，使产品更美观。良好的沉积主要取决于衬底表面形貌〔4〕。因此，一项可以在纳米等级上测量，表征和监测电沉积过程的技术是非常必要的。有几种方法被应用到了这种表面表征。例如像扫描电子显微镜（SEM）和扫描隧道显微镜（STM）。 这些技术可以进行纳米级结构的测量，但是，其中一些为非实时下的，一些通常需要高真空，而另一些则由于其耗时的图像采集而不适用于监测不断变化的过程。[2，5] 为了克服这些缺点，电化学结合原子力显微镜（通常称为EC-AFM）被引入进来。 这种技术允许用户进行实时成像和样品表面形貌变化的观测，并可以在纳米级的特定的电化学环境下实现。[ 6 ] 在此次研究中，成功地验证了铜颗粒在金表面的沉积和溶解。利用Park NX10 AFM在反应过程中观察铜颗粒的形态变化，并在实验过程中使用恒电位仪同时获得电流-电压（CV）曲线。

介绍 石墨烯因其独特的带隙结构可用于高迁移率半导体器件，吸引了研究人员广泛的注意。 然而，由于缺乏合适的衬底，实现这种基于石墨烯的高性能器件一直具有挑战性。最近有研究人员发现可以通过在六方氮化硼（hBN）上外延生长石墨烯的方法来解决这个问题[1,2]。hBN具有和石墨烯高度相似的六方晶格结构，是一种合适的石墨烯衬底。莫尔图案是由于石墨烯与hBN晶格之间存在2%左右的失配而产生的超晶格，其具有周期性，晶格常扫描探针显微镜（SPM）是表征莫尔图案的关键技术。与任何其他显微技术相比，SPM可以提供最高的Z轴分辨率[4]。这是用于验证通过外延生长技术制备的石墨烯/hBN器件成功与否的基本要素。然而，SPM一直面临着如下两个问题的挑战：复杂参数优化让入门的研究者（甚至是专家）都有一个陡峭的学习曲线以及高分辨率成像所使用的专用针尖的高成本。此外，SPM的摩擦模式会导致针尖与样品之间存在机械接触，使得在表征石墨烯/ hBN器件时对样品表面产生破坏。几乎所有关于莫尔图案表征的研究都使用破坏性SPM模式[1,2,3]。 数比这两种材料的晶格常数大两个数量级[3]。 非接触模式原子力显微镜（AFM）是一种自80年代末开始使用的非破坏性的SPM技术[5]。为实现非接触模式成像，针尖与样品之间的距离必须严格精确控制。这是一个挑战，也是这项技术最初的局限性之一。但通过研发，该技术在过去十年已经达到成熟，现在Park 系统公司可以提供标准的AFM成像模式。