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该文主要研究一种纳米微区阻抗测量技术。在一套开放式、可扩展的SPM电子控制系统基础上,我们结合精工SPA300HV型SPM探头系统及商品化的锁相放大器等测量仪器,通过对相关软硬件的改进,建立了一套基于接触式AFM的纳米阻抗显微镜。
这种纳米阻抗测量技术基于接触式的原子力显微镜(AtomicForceMicroscopy,AFM),它在AFM的探针与样品直流偏压的基础上,叠加小振幅的交流偏压信号,通过测量交流信号经过样品后的振幅和相位变化,即样品的阻抗,来获取样品的相关信息。该纳米阻抗显微镜将传统的交流阻抗分析技术同接触式AFM高空间分辨率的特点相结合,除了具有传统接触式AFM的各种功能外,还可以获得亚微米级分辨率的二维局域阻抗分布图,并通过对样品表面局域阻抗谱的测量,可以在100Hz-2MHz频率范围内,描述样品中存在的某些弛豫过程。对于较高阻抗(大于10kΩ)的系统,仪器测量数据的相对误差优于20%,具有较好的精度。纳米阻抗测量技术的研究近几年才在国外出现,但尚未见相关功能的商品化仪器出现;国内也无相关文献报道。
利用该纳米阻抗显微镜,我们对氧化锌、钛酸锶等多晶陶瓷材料的微区阻抗信息进行了测量,并研究了微区阻抗信息与频率和直流偏压之间的关系。通过被测样品与标准电路的等效,初步分析了多晶材料的晶界性质,特别是晶界在电子传输过程中的作用及击穿等过程;同时对AFM微探针与样品之间的微区接触问题进行了初步讨论。该测量技术的实现,对研究多晶材料的微结构以及晶界的微观性能具有重要意义;同时,该仪器也可用于研究微区接触问题。这种高空间分辨率的纳米微区阻抗测量技术将有广阔的应用前景。