扫描电子显微镜图像系统改造 电子探针

双探针扫描电子显微镜是一种将形貌表征技术（扫描电子显微镜）与电学测试技术（双探针电学测量系统）结合在一起的测试系统。双探针扫描电镜主要包括真空系统、电子光学系统、样品台和探针系统等四个组成部分，如图1所示。其中真空系统用于提供样品形貌表征和测试所需的真空环境，电子光学系统用于扫描电子成像，样品台可以提供特定的样品取向和温度控制，而探针系统可以提供样品电学测试所需的电极并且能够精确位移。通过以上各部分的精确配合可以实现低维纳米结构与微纳器件特性的局域物性测量。

图1 双探针扫描电子显微镜系统的示意图

近年来，随着人们对低维材料光电特性研究的深入，对测试系统的成像分辨率、测量精度、温度变化、外场激发等条件要求越来越高。同时，该设备由于自身局限性以及部件老化问题，存在一些应用上的不足：

1）电子光学系统的物镜直径达100mm，而工作距离只有0-20mm，因此探针竖直方向移动的空间十分有限，如图4所示；2）由于扩散泵的效率较低，而且工作寿命已达极限，因此腔体的真空度已经不能满足测量场发射等特性所需的真空条件；3）缺少研究材料光电特性的有效手段，而光电特性分析是研究材料的带隙特征的有效手段。

技术创新完成后能够解决的具体科研问题及其意义

改造后的双探针扫描电子显微镜系统可以解决原系统中高精度局域测量存在的诸多问题，具体可分为以下几个方面：

（1）解决原系统成像分辨率低、对导电能力低的材料成像质量差的问题。宽带隙材料由于具有较高的击穿电压，电子饱和速率高等，是制备各种高功率、高频器件的理想材料。但是宽带隙材料的导电能力差，特别是对于纳米尺寸的材料，在电镜下的观察和定位较为困难。而且此系统组装年限较长，成像质量有所

下降，对宽带隙材料的观察更为困难。通过改进电子光学系统可以有效提高对宽带隙材料的成像质量，有助于电学测试的定位。

（2）解决原系统中探针定位精度低、可操控性差的问题。原系统物镜直径为100mm，而工作距离仅为0-20mm，电子光学系统物镜与样品之间空间较小，因此外加探针或者光路只能以接近水平方向靠近样品表面，样品的定位以及探针自由移动均受到非常大的限制。改造后的系统采用较小直径和较长焦距的物镜，样品上方空间增大，探针和光路能够以较小角度达到样品表面，增加了操作的自由度。同时新的探针系统位移精度增加，有助于低维纳米材料电学特性的测量。

（3）引入新的光源后此系统可用于材料光电特性的测量，弥补了电子能带表征手段的不足。在半导体光谱的研究中，利用光激发的电子行为可以很好的表征材料的电子能带结构，因此引入激励光源可以更加有效的表征半导体材料电子能带的特征。同时，对于半导体晶体材料，不同晶面往往具有不同的光学和电学特性。利用探针的精确定位能力，可以研究微米乃至纳米尺寸半导体材料不同晶面的光电特性，避免了生长大面积晶体的技术困难。

成果及应用领域

    本项目通过对原系统的改造，提高了系统的成像分辨率、真空度和探针的精确定位能力，增大了探针移动的自由度，增添了激励光源，可以为纳米尺寸低维材料的场发射器件、光敏器件、能源器件等的物性测量提供服务。系统新功能的开发将会为固态量子、超导、纳米、表面、光学、半导体等多个领域中研究的开展起到重要的支撑与促进作用。