蘇州納米所開發出可以“看到”載流子的新型納米成像技術

　　目前，納米材料已經被日益廣泛地應用在電子、光電、生物電子、傳感以及能源等領域的各種器件中。因此，理解和表征納米材料的電學性能不僅是基礎科學研究的興趣所在，也是實現其廣泛實用化的迫切需求。但是，傳統的場效應晶體管（field-effect transistor, FET）方法在納米材料電學性能的表征中遭遇到器件制備過程復雜、材料-電極歐姆接觸不易實現以及檢測通量較低等問題。

　　中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員陳立桅課題組與合作者共同發展了一種名為介電力顯微術（dielectric force microscopy, DFM）的新型功能成像技術來解決上述難題。相關綜述發表于近期的Accounts of Chemical Research 期刊（Accounts of Chemical Research 48:1788 (2015) ）。

　　半導體和金屬材料對于外部電場介電響應的主要貢獻來自于載流子遷移引起的宏觀極化。因此，材料中的載流子濃度及其遷移率既決定了該材料的介電響應也決定了它的電導率。借助于掃描探針技術對微小作用力的超靈敏檢測（~pN），DFM通過測量材料的誘導偶極與針尖上的電荷之間的相互作用力來表征納米材料的介電響應。此成像模式無需電極接觸即可“看”到納米材料中的載流子（圖a）。以單壁碳納米管（直徑~1nm）和氧化鋅納米線（直徑~30-50nm）作為研究模型，DFM成功地實現了對納米材料介電常數的測量（Nano Letters 7:2729 (2007)）、半導體與金屬導電性的分辨（Nano Letters 9:1668 (2009)）以及半導體材料中載流子類型的判定（Journal of Physical Chemistry C 116:7158 (2012)）（圖e-g）。更為有趣的是，DFM展現出傳統FET方法無法實現的~20nm 的空間分辨率。

　　此外，陳立桅與合作者通過比對同一單壁碳管的DFM與FET測量結果，證實了DFM與FET互為平行測量手段（Nano Research 7:1623 (2014)）。相關研究結果揭示了DFM信號的門控調制比（DFM信號在不同門電壓下的比值）正比于FET器件開關比的對數（圖b）。這個半對數關系得到微觀層面的Drude模型的解釋和證實（圖c）。這一模型將對未來DFM技術在不同材料與器件體系中的應用提供一個理論框架。

　　在納米材料電學性質測量領域中，由斯坦福大學教授沈志勛（Zhi-Xun Shen）開發的掃描近場微波顯微術（scanning near-field microwave microscopy）具有與DFM類似的特性與功能（Review of Scientific Instruments 79:063703 (2008)）。掃描近場微波顯微術與DFM均具有無接觸測量和納米尺度空間分辨率等特性。不同的是，掃描近場微波顯微術和DFM分別測量材料的高頻和低頻介電性質。DFM無需昂貴的高頻網絡分析器和特制的掃描探針，因而便于應用在多種復雜成像環境中。DFM這一成像模式可能在未來的基礎研究與工業在線監測領域獲得廣泛應用。

　　相關系列工作由國家自然科學基金、中科院先導專項計劃、江蘇省自然科學基金、美國化學會石油研究基金會和蘇州納米科技協同創新中心提供資助。

　　圖：（a）DFM二次掃描模式示意圖。（b）DFM門控比與FET器件開關比之間的半對數關聯性。（c）DFM信號與載流子濃度和遷移率依賴性的數值模擬結果。DFM納米尺度空間分辨率展示：內部具有金屬-半導體結的單壁碳管的形貌像（d）和介電響應像（e-g）。