SMIM扫描微波阻抗显微镜原理与应用介绍

1、 Scanning Microwave Impedance Microscopy (sMIM) 原理及应用介绍为何需要 near-field 近场微波显微镜远场微波受到衍射极限的限制，无法分辨小于/2的细节。因此需要更长的工作波长（灵敏度下降）；更短的工作间距（近场微波显微镜）。近场微波显微镜的针尖与样本的距离远小于微波（100MHz-100GHz）的波长，因此，微波的有效作用区域远小于波长，由波动引起的相位效应可以忽略。复介电常数的频率响应复介电常数与频率的关系符合德拜弛豫关系。s为静态介电常数，为光频介电常数对于每一种极化均存在弛豫时间，在每一个m=1/处和 急剧变化， 出现极大值。同时出

2、现极化能量耗散，0.01 m=1/100的区间称为弥散区域。复介电常数的频率响应对于不同频率的电磁波，所能够发生的极化现象不同，低频时电场变化周期比弛豫时间长很多，可以充分进行各种极化过程， r接近于静态介电常数s ；高频时极化跟不上电场变化，损耗系数增大，以热的形式散发。对于微波，主要发生电子云极化和离子极化。因此，对于不同频率的电磁波（微波、可见光、射频），测得的介电常数应当是不同的。为何需要 near-field 近场微波显微镜对于低频电磁波信号（MHz），系统介电特性的测量需要进行电极的排列和测量表面的良好处理（分辨率低）；对于高频电磁波信号（射频、可见光），由于其频率太高，虽然有较高

3、分辨率，但被测样本的几乎没有极化作用，测量的物理量基本上是光学量而没有电磁学特性。因此，对于样品介电特性的测量，采用微波频段有许多优势，其穿透作用强，可以探查样品内部信息，且其受频率影响产生的极化作用包括了常见的短弛豫时间的极化，由不受长弛豫时间极化（空间电荷分布）的影响近场微波显微镜测量原理微波从波导中通过，发生指数衰减，出现截止频率；且从波导中通过并于样本发生关系的场很弱，灵敏度差。后出现同轴传输线，避免微波衰减，则没有截止频率。左图为采用同轴共振腔的微波显微镜，基本的工作原理是，微波共振产生的峰值电位通过针尖与样本相互作用，反射波改变共振腔的有效长度和损耗，从而改变系统的共振频率和品质因

4、数。从而计算可得样本的性质。近场微波显微镜测量原理尽管经过几代的发展，但近场微波显微镜的工作原理是一致的。微波经耦合环在/4同轴共振腔中共振，共振频率为f0，经针尖传导后作用在样品上，样品反射后的微波由共振器吸收后会与产生的共振微波相互作用，造成共振频率改变f；反射的微波衰减很快，相较于输出微波来说要小得多，因此可用扰动方程分析。近场微波显微镜测量原理与频率相关的输入函数反射后的频率改变系数A是一个与系统属性相关的参数，在测量频率不变的情况下是一个定值，因此该函数应当是一个线性函数对于厚度大于100um的块状物近场微波显微镜测量原理对于厚度小于10um的薄膜由于微波的属性，对电介质的穿透能力较

5、强，因此测量得到的介电常数是薄膜和基底的介电常数耦合结果，需要进行剥离。sMIM的基本构造-针尖结构（a）所示的针尖由于没有屏蔽周围的环境，收到温度的影响很大。且没有高度控制系统（b）所示的AFM针尖结构可以控制针尖高度，但无法屏蔽周围的电磁信号。（c）所示的针尖结构解决了上述问题。右图为针尖的具体结构，包括微波传输线，激发结构（Exc）和吸收器（Tip）。sMIM的基本构造示意图则可以将系统的阻抗描述为：（1）针尖与地间的阻抗Zt；（2）激发器与地间的阻抗Ze；（3）针尖与激发器间的阻抗Zet。当针尖与样品接触时，上述三个量分别发生变化。从程序框图中可以看出此sMIM可以实现高度的控制和对于

6、杂散干 扰 信 号 的 消 减 （C o m m e n - m o d e cancellation）sMIM的基本构造示意图要提高测量的灵敏度，需要对线路阻抗进行匹配，使其在工作频率下（1GHz）达到共振状态，经匹配后可以得到系统相关参量Zt 、Ze ； Zet可由有限元计算得出。sMIM的测量原理sMIM显微镜不同于传统的NSMM显微镜，不通过频率漂移和品质因数的改变而确定电属性的，而是通过对反射波相位和幅值的分析得到复介电常数。这一技术的关键在于对外界信号的屏蔽和对共模信号的消减。sMIM的测量实例与应用左图为扫描图示样本时的成像，（b）为AFM形貌图；（c）为介电通道成像；（d）为电

7、导通道成像。可见内部信息主要反映在电容的变化信息上；图示横截面可获得V60mV；分辨率为120nm。sMIM的测量实例与应用图示为对In2Se3的测量结果；在不同的输入阻抗区测量得到的结果不同；对测量出的结果需要进行有限元分析来模拟。对不同的阻抗，MIM-C与MIM-R的测量结果不同sMIM的测量实例与应用将测得的结果输入COMSUL进行模拟（准静态模式，时域谐波分析）；sMIM的测量实例与应用图示为sMIM测量CdTe样本的MIM-C成像，在晶格边界处电容比晶格处电容高很多，说明边界处载流子浓度高。这一现象一方面可以说明该模式可以用来测试样本缺陷（a. 无定形vs晶体；c. 化学气相沉积样本

8、vs机械玻璃）；另一方面，其他方法得到的结果为晶格边界处载流子浓度低，对应较低的电容，说明MIM-C成像受形貌影响很大。sMIM的测量实例与应用为避免形貌对测量的影响，可以进行dC/dV的测量；具体测量方法是采用直流+交流信号进行测量，不断改变直流分量的幅值，得到dC/dV图像，可以避免形貌对结果的影响。测量结果如左下图（幅值图）所示，边界处变化率大，则此处载流子浓度低。通过相位图还可判断出边界处p型载流子缺乏。则通过dC/dV图像可以判断载流子的空间分布。Reference1Lai K, Ji M B, Leindecker N, et al. Atomic-force-microscope

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