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有多個金屬電極，且對應的金屬電極之間通過金屬化通孔實現導電連接；所述樣品支撐臺一端與絕緣堵片連接，另一端設有取樣區和測試區，所述測試區為設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電連接；所述金屬納米探針、測試區金屬電極和被測樣品構成三端場效應晶體管。本發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構變化。
【專利說明】—種原位測量納米器件的透射電鏡樣品臺
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明屬于納米器件性能原位測量領域，尤其涉及原位測量石墨烯場效應管的電學性能及原子結構的多電極透射電鏡樣品臺，具體為利用納米尺度微結構加工工藝，在狹小的透射電鏡樣品上制備多電極器件搭建區以及納米材料取樣區。
【背景技術】
[0003]在納米電子器件領域，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，具有高導電性、高強度、超輕薄等特性。研究基于石墨烯的場效應晶體管在外加電場狀態下的電學響應和物理形貌變化，采集其電學特性數據，是當前設計和開發石墨烯納米場效應晶體管的基本目標。
[0004]透射電子顯微鏡是表征納米材料微觀結構的一種重要工具，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構和對外場的響應行為，設計和構建新型納米器件具有非常重要的意義。
[0005]對于一般的場效應晶體管結構，至少需要三端電極:源、漏、和柵極。現有技術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，是研究納米材料結構和性能的有力工具，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建已經很困難。如何在有限空間內引入多個電極，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構變化是當前石墨烯場效應晶體管研究的難題。

【發明內容】

[0006]發明目的:針對上述現有存在的問題和不足，本發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構變化。
[0007]技術方案:為實現上述發明目的，本發明采用以下技術方案: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有多個金屬電極，且對應的金屬電極之間通過金屬化通孔實現導電連接；所述樣品支撐臺一端與絕緣堵片連接，另一端設有取樣區和測試區，所述測試區為設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電連接；所述金屬納米探針、測試區金屬電極和被測樣品構成三端場效應晶體管。
[0008]作為優選，所述樣品支撐臺測試區的金屬電極為4個，對應的絕緣堵片正反面也分別設有4個金屬電極。[0009]進一步改進，所述樣品支撐臺表面設有4個電極引腳并分別與測試區金屬電極連接；同時所述絕緣堵片設有插槽，樣品支撐臺一端設在該插槽內。
[0010]進一步的,所述樣品支撐臺材質選用娃或氮化娃。
[0011]進一步的，所述絕緣堵片的材質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]作為優選,所述金屬電極的材質米用鈦金合金。
[0014]進一步的，所述取樣區為柵格狀。
[0015]有益效果:與現有技術相比，本發明具有以下優點:可以直接在透射電鏡樣品上原位構建多電極納米器件，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為本發明所述透射電鏡樣品臺的結構示意圖；
圖2為本發明所述絕緣堵片的結構示意圖；
圖3為本發明所述樣品支撐臺正面的結構示意圖；
圖4為本發明所述樣品支撐臺反面的結構示意圖。
[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6、測試區7、電極引腳8、插槽9、被測樣品10。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖和具體實施例，進一步闡明本發明，應理解這些實施例僅用于說明本發明而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價形式的修改均落于本申請所附權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管的電學性能及原子結構的透射電鏡樣品臺，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有4個金屬電極，且正反面對應金屬電極通過金屬化通孔實現導電連接；同時絕緣堵片設有插槽結構，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有測試區和樣品區，其中樣品區為柵格狀用于盛放待測樣品，測試區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，該金屬電極懸空設置，其中2個電極引腳設在上表面，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的金屬電極導電連接。
[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的薄的、合適的石墨烯薄片，轉移至多電極的測試區，并與金屬電極接觸從而原位構建成為三端場效應晶體管。
[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，且通孔內壁也沉積同樣的導電金屬薄膜從而將正反面的金屬電極進行導通。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。樣品臺的電極采用半導體加工工藝濺射、光刻、離子束刻蝕等完成。樣品臺末端懸空結構，采用異向濕法刻蝕完成。
[0023]作為優選，為了增加金屬電極與氮化硅薄膜的附著性，金屬電極應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，這里采用半導體工藝里常用的濕法刻蝕通孔技術即可。
[0025]利用本發明所述的透射電鏡樣品桿原位石墨烯場效應晶體管，并進行電學性能及顯微結構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，原位構建石墨烯場效應晶體管結構。
[0029]( 5 )開啟原位樣品桿外部操作控制系統，利用電子衍射圖、配合高分辨像分析場效應晶體管工作時電極界面的石墨烯缺陷和表面結構等的變化；利用原位樣品桿的原位操縱能力，改變界面接觸方式、狀態和不同接觸位置，充分發掘界面結構上的豐富信息；將獲得的界面信息和原位測得的電學性質進行關聯性分析和研究。
[0030](6)利用原位構建的納米場效應晶體管結構，以上述方法對其他場效應晶體管組成要素進行系統優化研究工作。
【權利要求】
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有多個金屬電極，且對應的金屬電極之間通過金屬化通孔實現導電連接；所述樣品支撐臺一端與絕緣堵片連接，另一端設有取樣區和測試區，所述測試區為設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電連接；所述金屬納米探針、測試區金屬電極和被測樣品構成三端場效應晶體管。
2.根據權利要求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的金屬電極為4個，對應的絕緣堵片正反面也分別設有4個金屬電極。
3.根據權利要求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有4個電極引腳并分別與測試區金屬電極連接；同時所述絕緣堵片設有插槽，樣品支撐臺一端設在該插槽內。
4.根據權利要求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選用娃或氮化娃。
5.根據權利要求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采用藍寶石或氮化鋁。
6.根據權利要求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.根據權利要求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米用鈦金合金。
8.根據權利要求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 優先權日:2013年10月14日
【發明者】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