EFM

静电力显微镜王段李东升•静电力显微镜（英文名：ElectrostaticForceMicroscopy,简称EFM），它是一种利用测量探针与样品的静电相互作用，来表征样品表面静电势能，电荷分布以及电荷输运的扫描探针显微镜。概述静电力显微镜工作原理•静电力显微镜的关键部分是由悬臂梁组成的探针。静电力显微镜通过测量两者的库仑相互作用来实现样品成像。工作时，探针与样品之间被加上工作电压，悬臂梁探针受静电力的作用，在样品表面震荡，但不接触样品表面。范德华力随着原子间距离r成1/r6衰减，因而原子力显微镜必须保证探针与样品表面几乎接触。相比之下，随1/r2衰减的库仑力较为长程，通常探针与样品表面的工作距离为100nm。假设样品与探针之间的电压为ΔV，等效电容为C，那么系统的总能量为：221VCU若用z来代表样品表面的法线方向,则探针所受的静电力可以表示为：221VZCFticelectrosta•成像方式有两种：电场梯度成像和表面电势成像。•电场梯度成像技术相对简单，测量的是样品电场变化。样品可以是导体、绝缘体或半导体。但因为表面形貌与电场梯度混合在一起，对于表面形貌特征变化大的样品，很难获得真实的样品表面电电场信息。•表面电势成像测量的是样品表面的有效电压，即测量过程中调节针尖电压，使针尖与样品之间的静电力最小（此时，针尖与样品上的电压相等），通过针尖所加电压获得样品表面电势信息。静电力显微镜成像方式扫描特点•静电力显微镜的每一条扫描线都要进行两次扫描：首先，形貌测量时采用轻敲模式获得；然后针尖提起一定高度第二次扫描，扫描过程中保持针尖与样品间距来获得电性质。这种测量方式虽然将样品形貌特征与电场梯度分离开来，但在纳米级测量中，由于二次定位产生的误差（非线性误差）会严重影响测量结果，从而很难获得真实的图像信息。因此，利用静电力显微镜一次扫描同时测量样品表面形貌和样品表面电性质的技术受到了广泛的重视。EFM三种测量模式1.接触模式下的EFM在接触模式下，针尖与样品间的相互作用力是两者互相接触的原子中电子间存在的库仑排斥力以及针尖与样品产生的静电力，但由于接触模式下原子力占主要作用，可以控制针尖与样品间原子力的恒定测量样品表面形貌。优点：可以获得较稳定、高分辨率形貌与样品电性质图像。缺点：探针在样品表面上的移动以及针尖表面间的粘附力，可能使得样品产生变形，同时表面摩擦力也使得针尖产生较大的损害，从而在图像数据中可能产生假象。2.非接触模式下的EFM•非接触模式是控制探针在样品表面上方20—100nm距离处扫描，针尖和样品之间的作用力是很弱的长程作用力—范德华力与静电力。由于范德华力远小于原子力，很难获得微悬臂受力弯曲的变形量。为了提高信噪比，通过压电元件驱动悬臂在其共振频率处振动，在针尖上施加振荡信号，由于范德华力梯度作用，悬臂的弹性常数发生变化，引起微悬臂的共振频率减小，通过测量悬臂振动的振幅、频率和相位的变化，就能够用来检测针尖和样品之间的较小的作用力，针尖和样品之间的距离是通过保持微悬臂共振频率和振幅来控制的。优点：探针始终不与样品表面接触，因而针尖不会对样品造成污染或产生破坏。缺点：理论上我们可以控制针尖在完全脱离表面但又非常接近的距离上进行扫描，但在实际操作中难度是很大的，一般控制在100nm左右，由于样品和针尖之间的距离较大，使得非接触模式的分辨率比接触模式的分辨率要低。3.轻敲模式下的EFM•轻敲模式在大气中成像，是利用压电晶体在微悬臂共振频率附近驱动微悬臂振荡。当样品不与针尖接触时，微悬臂是高振幅自由振荡的，当针尖向下移向表面直到它轻轻接触表面，由于微悬臂没有足够空间去振荡，其振幅会减小。使用检测器检测这个振幅，通过调整针尖和样品的距离来控制微悬臂振幅，使得针尖作用在表面上的力恒定，从而得到样品的表面形貌。同时，针尖和样品间由于施加另一个可调交流电压产生的静电力受到轻敲振荡信号的调制，利用锁相放大技术可以提取样品表面的电性质信号。优点：避免了针尖粘附到样品上以及扫描过程中对样品的破坏，对于软、粘和脆性样品的研究具有独到的优势。缺点：实际运用中存在着不易控制的缺点，对于表面形貌起伏较大的样品，很难控制振幅恒定。静电力显微镜的应用•（1）可使用静电力显微镜来测量样品局部电特性，如表面电势、表面电荷以及铁电材料掺杂结构。已经应用于微电子元器件、超大规模集成电路、微电子机械系统以及纳米材料的微观电特性的研究。例如，利用高灵敏度的静电力显微镜测量了Si3N4的表面离子的移动以及其空间分布。表面流动电荷的运动是影响半导体元件和IC系统性能不稳定的主要原因，因此使用EG5对这种电荷成像，尤其在其它方法观察不能确定时为元件的设计提供了非常有益的信息，而且EFM使用的纳米级探针可获得更高的分辨率。•（2）可用于研究电荷的捕捉-释放技术。1997年，科学家首次成功的用单电子移动单电子，利用这种技术可望获得速度和存贮容量都比现在提高成千上万倍的量子计算机。其中关键技术为单电荷的操作技术，将电子作为波动处理的纳米电子学将使量子元件代替微电子元器件，这种量子器件具有超高速、超容量、超微型、低功耗的特点。例如，有人利用扫描电容显微镜来研究SiO2/Si材料的电荷捕获-释放现象。与表面电荷测量一样EFM能够实现局部电荷捕捉-释放，在实现超高密度存储技术中具有巨大潜能。