一種原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，包括金屬納米探針、絕緣堵片和樣品支撐臺，所述絕緣堵片的正反表面分別設(shè)有多個金屬電極，且對應(yīng)的金屬電極之間通過金屬化通孔實現(xiàn)導(dǎo)電連接；所述樣品支撐臺一端與絕緣堵片連接，另一端設(shè)有取樣區(qū)和測試區(qū)，所述測試區(qū)為設(shè)在樣品支撐臺表面并懸空的金屬電極，樣品支撐臺的金屬電極與絕緣堵片的金屬電極為導(dǎo)電連接；所述金屬納米探針、測試區(qū)金屬電極和被測樣品構(gòu)成三端場效應(yīng)晶體管。本發(fā)明能夠在原子尺度的分辨率下觀察樣品并實時進行電學測量，原位揭示待測單元的電學性能和納米結(jié)構(gòu)變化。
【專利說明】—種原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明屬于納米器件性能原位測量領(lǐng)域，尤其涉及原位測量石墨烯場效應(yīng)管的電學性能及原子結(jié)構(gòu)的多電極透射電鏡樣品臺，具體為利用納米尺度微結(jié)構(gòu)加工工藝，在狹小的透射電鏡樣品上制備多電極器件搭建區(qū)以及納米材料取樣區(qū)。
【背景技術(shù)】
[0003]在納米電子器件領(lǐng)域，石墨烯二維材料被認為是硅的接班人。石墨烯是由碳原子組成的單原子層平面薄膜，具有高導(dǎo)電性、高強度、超輕薄等特性。研究基于石墨烯的場效應(yīng)晶體管在外加電場狀態(tài)下的電學響應(yīng)和物理形貌變化，采集其電學特性數(shù)據(jù)，是當前設(shè)計和開發(fā)石墨烯納米場效應(yīng)晶體管的基本目標。
[0004]透射電子顯微鏡是表征納米材料微觀結(jié)構(gòu)的一種重要工具，通過透射電子顯微鏡能夠觀測到納米材料樣品的高分辨圖像。特別是利用專門設(shè)計的樣品臺將外場引入到納米材料樣品的特定部位，對納米材料進行三維空間的操縱和電學性能測量，對于了解納米材料納觀結(jié)構(gòu)和對外場的響應(yīng)行為，設(shè)計和構(gòu)建新型納米器件具有非常重要的意義。
[0005]對于一般的場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，至少需要三端電極:源、漏、和柵極。現(xiàn)有技術(shù)無法滿足多電極納米器件的測量。透射電子顯微鏡由于能夠在原子尺度的分辨率下觀察樣品，是研究納米材料結(jié)構(gòu)和性能的有力工具，而透射電鏡中物鏡極靴之間放置樣品的空間非常狹小，特別對于具有亞納米尺度分辨率的商用球差透射電鏡，通常只有2、3毫米左右，在容納下樣品桿之外，很難安裝多電極，更難測量電信號，因此需要將電信號導(dǎo)出到電鏡外部進行測量。此種條件下，如何進行原位石墨烯晶體管的構(gòu)建已經(jīng)很困難。如何在有限空間內(nèi)引入多個電極，實時進行電學測量，原位揭示待測單元的電學性能和納米結(jié)構(gòu)變化是當前石墨烯場效應(yīng)晶體管研究的難題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]發(fā)明目的:針對上述現(xiàn)有存在的問題和不足，本發(fā)明的目的是提供一種原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，能夠在原子尺度的分辨率下觀察樣品并實時進行電學測量，原位揭示待測單元的電學性能和納米結(jié)構(gòu)變化。
[0007]技術(shù)方案:為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:一種原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，包括金屬納米探針、絕緣堵片和樣品支撐臺，所述絕緣堵片的正反表面分別設(shè)有多個金屬電極，且對應(yīng)的金屬電極之間通過金屬化通孔實現(xiàn)導(dǎo)電連接；所述樣品支撐臺一端與絕緣堵片連接，另一端設(shè)有取樣區(qū)和測試區(qū)，所述測試區(qū)為設(shè)在樣品支撐臺表面并懸空的金屬電極，樣品支撐臺的金屬電極與絕緣堵片的金屬電極為導(dǎo)電連接；所述金屬納米探針、測試區(qū)金屬電極和被測樣品構(gòu)成三端場效應(yīng)晶體管。
[0008]作為優(yōu)選，所述樣品支撐臺測試區(qū)的金屬電極為4個，對應(yīng)的絕緣堵片正反面也分別設(shè)有4個金屬電極。[0009]進一步改進，所述樣品支撐臺表面設(shè)有4個電極引腳并分別與測試區(qū)金屬電極連接；同時所述絕緣堵片設(shè)有插槽，樣品支撐臺一端設(shè)在該插槽內(nèi)。
[0010]進一步的,所述樣品支撐臺材質(zhì)選用娃或氮化娃。
[0011]進一步的，所述絕緣堵片的材質(zhì)采用藍寶石或氮化鋁。
[0012]進一步的，所述樣品支撐臺上的金屬電極為通過磁控濺射方法沉積得到的金、鎳、
鉬金屬薄膜。
[0013]作為優(yōu)選,所述金屬電極的材質(zhì)米用鈦金合金。
[0014]進一步的，所述取樣區(qū)為柵格狀。
[0015]有益效果:與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點:可以直接在透射電鏡樣品上原位構(gòu)建多電極納米器件，在原子分辨率尺度下研究納米器件，并且進行電學性測量；實現(xiàn)了在透射電鏡中原位對納米尺度的待測單元進行電學測量以及觀測，提供了一種新的基于納米線或者薄膜的納米器件的原位測量方法，具有性能可靠，安裝方便的特點，拓展了透射電鏡的功能；可以同時制備多個待測單元，每個電極上都可以配置待測樣品，所以可以實現(xiàn)同一批樣品的多次電特性測量，且每次測量之間互不影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1為本發(fā)明所述透射電鏡樣品臺的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為本發(fā)明所述絕緣堵片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3為本發(fā)明所述樣品支撐臺正面的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4為本發(fā)明所述樣品支撐臺反面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]其中，絕緣堵片1、樣品支撐臺2、金屬納米探針3、金屬電極4、金屬化通孔5、取樣區(qū)6、測試區(qū)7、電極引腳8、插槽9、被測樣品10。
【具體實施方式】
[0018]下面結(jié)合附圖和具體實施例，進一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0019]如圖1所示，一種原位測量石墨烯場效應(yīng)管的電學性能及原子結(jié)構(gòu)的透射電鏡樣品臺，包括絕緣堵片、樣品支撐臺和金屬納米探針，絕緣堵片正反面分別設(shè)有4個金屬電極，且正反面對應(yīng)金屬電極通過金屬化通孔實現(xiàn)導(dǎo)電連接；同時絕緣堵片設(shè)有插槽結(jié)構(gòu)，供樣品支撐臺一端插入插槽中，另一端則懸置。樣品支撐臺的懸置端設(shè)有測試區(qū)和樣品區(qū)，其中樣品區(qū)為柵格狀用于盛放待測樣品，測試區(qū)通過磁控濺射方法沉積金屬薄膜形成4個金屬電極和與該金屬電極分別連接的電極引腳，該金屬電極懸空設(shè)置，其中2個電極引腳設(shè)在上表面，中間2個電極引腳也通過金屬化通孔與下表面的金屬薄膜導(dǎo)通，當樣品支撐臺插入絕緣堵片后，確保電極引腳分別與絕緣堵片上對應(yīng)的金屬電極導(dǎo)電連接。
[0020]工作時金屬納米探針可以上下、左右、前后移動從而操縱并提取放在取樣區(qū)的薄的、合適的石墨烯薄片，轉(zhuǎn)移至多電極的測試區(qū)，并與金屬電極接觸從而原位構(gòu)建成為三端場效應(yīng)晶體管。
[0021]如圖2所示，其中絕緣堵片由具有一定強度的絕緣材料制成，如藍寶石、氮化鋁等，它的尺寸為4_X 2.4mm,并通過激光刻蝕方法在上面打出4個通孔，并在金屬化通孔的對應(yīng)位置的正反面均通過磁控濺射方法沉積金、鎳、鉬等金屬薄膜形成金屬電極，且通孔內(nèi)壁也沉積同樣的導(dǎo)電金屬薄膜從而將正反面的金屬電極進行導(dǎo)通。同樣用激光刻蝕的方法打出尺寸為2mmX0.4m的插槽，然后將樣品臺插入插槽，樣品臺上的四個金屬電極引腳電極與絕緣堵片上的四個金屬電極3連接從而對完成電路對接。
[0022]如圖3所示，樣品臺用便于微納加工的材料制成，如硅、氮化硅等，它的尺寸為2mmX6mmX0.4mm,其寬度與厚度正好為絕緣堵片插槽的尺寸相對應(yīng)。樣品臺的電極采用半導(dǎo)體加工工藝濺射、光刻、離子束刻蝕等完成。樣品臺末端懸空結(jié)構(gòu)，采用異向濕法刻蝕完成。
[0023]作為優(yōu)選，為了增加金屬電極與氮化硅薄膜的附著性，金屬電極應(yīng)該選擇鈦和金的合金。
[0024]為使樣品臺的電極與絕緣堵片上的金屬電極互相連接，樣品臺正面的兩個電極需要引入到反面，這里采用半導(dǎo)體工藝里常用的濕法刻蝕通孔技術(shù)即可。
[0025]利用本發(fā)明所述的透射電鏡樣品桿原位石墨烯場效應(yīng)晶體管，并進行電學性能及顯微結(jié)構(gòu)的測試過程步驟如下:
(I)采用采用機械剝離或者CVD方法制備的石墨烯薄片作為溝道材料。
[0026](2)使用鈦金作為三端場效應(yīng)晶體管的源極和漏極。
[0027](3)選用可移動的納米探針，作為柵極。配合研究需要，柵極納米金屬針上可以選擇性的沉積氧化物，所謂柵極絕緣層。
[0028](4)通過操縱裝入原位樣品桿中的納米探針，使得柵極與石墨烯兩者界面接觸，原位構(gòu)建石墨烯場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)。
[0029]( 5 )開啟原位樣品桿外部操作控制系統(tǒng)，利用電子衍射圖、配合高分辨像分析場效應(yīng)晶體管工作時電極界面的石墨烯缺陷和表面結(jié)構(gòu)等的變化；利用原位樣品桿的原位操縱能力，改變界面接觸方式、狀態(tài)和不同接觸位置，充分發(fā)掘界面結(jié)構(gòu)上的豐富信息；將獲得的界面信息和原位測得的電學性質(zhì)進行關(guān)聯(lián)性分析和研究。
[0030](6)利用原位構(gòu)建的納米場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，以上述方法對其他場效應(yīng)晶體管組成要素進行系統(tǒng)優(yōu)化研究工作。
【權(quán)利要求】
1.一種原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，其特征在于:包括金屬納米探針、絕緣堵片和樣品支撐臺，所述絕緣堵片的正反表面分別設(shè)有多個金屬電極，且對應(yīng)的金屬電極之間通過金屬化通孔實現(xiàn)導(dǎo)電連接；所述樣品支撐臺一端與絕緣堵片連接，另一端設(shè)有取樣區(qū)和測試區(qū)，所述測試區(qū)為設(shè)在樣品支撐臺表面并懸空的金屬電極，樣品支撐臺的金屬電極與絕緣堵片的金屬電極為導(dǎo)電連接；所述金屬納米探針、測試區(qū)金屬電極和被測樣品構(gòu)成三端場效應(yīng)晶體管。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，其特征在于:所述樣品支撐臺測試區(qū)的金屬電極為4個，對應(yīng)的絕緣堵片正反面也分別設(shè)有4個金屬電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，其特征在于:所述樣品支撐臺表面設(shè)有4個電極引腳并分別與測試區(qū)金屬電極連接；同時所述絕緣堵片設(shè)有插槽，樣品支撐臺一端設(shè)在該插槽內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，其特征在于:所述樣品支撐臺材質(zhì)選用娃或氮化娃。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，其特征在于:所述絕緣堵片的材質(zhì)采用藍寶石或氮化鋁。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，其特征在于:所述樣品支撐臺上的金屬電極為通過磁控濺射方法沉積得到的金、鎳、鉬金屬薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，其特征在于:所述金屬電極的材質(zhì)米用鈦金合金。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺，其特征在于:所述取樣區(qū)為柵格狀。
【文檔編號】G01N23/00GK103531424SQ201310477205
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2013年10月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月14日
【發(fā)明者】吳幸, 孫立濤, 余開浩, 吳旻駿, 潘弘揚, 邢雪, 馬子哲 申請人:東南大學