基于静电力显微镜的微纳结构材料基本电学特性的定量化测量方法

纳米结构和材料的电学特性是纳米电子器件设计的关键技术参数。然而目前使用常规的探针和光学测量方法的空间分辨能力较差，只能适用于宏观样品的电学性质表征。发展纳米尺度的电学测量方法不仅有助于发展纳米材料相关理论，还将为设计和构建新型功能纳米器件提供理论指导和实验依据。本申请项目是发展一种基于扫描探针显微技术的定量测量微纳结构基本电学参数的实验方法。通过对导电探针与样品间静电作用所产生的探针微悬臂共振频率和相位变化的分析，探测样品中的电荷和偶极矩的动态响应特征，测量纳米结构的电子能级结构、介电常数、载流子电荷密度等基本电学参数。研究中还将详细模拟和分析探针的有效结构对空间探测分辨率的影响，系统地研究探针-样品间的耦合、基底电子态等影响测量精确性的实验因素。本研究工作是扫描探针技术在纳米电学测量领域的拓展，为进一步阐明纳米结构和性质的关系奠定实验基础。

本研究项目着力发展和完善了基于静电力显微镜相位谱技术的纳米材料电学性质定量化测量方法，建立了精确测量探针微悬臂共振频率和相位变化的实验技术以及对探针与样品间静电作用的建模分析，系统地研究了功能纳米材料，包括石墨烯和有机半导体单层分子薄膜的微观电学特性，探测了这些低维纳米结构中电子能级结构、介电常数、载流子电荷密度等基本电学参数。发展了对复合材料中亚表面/界面局域结构和高分子弛豫性质的新原理探测技术，模拟和定值分析了探针的有效结构对空间探测分辨率的影响，系统地考察了影响测量精确性的各项实验参数。本研究工作拓展了扫描探针技术在纳米精确测量领域的应用，丰富了纳米尺度物性研究的实验方法和理论，研制并发展了相关的仪器设备，为开展分子和纳米尺度材料的微观结构及物性研究奠定了良好的实验基础。在本项目的执行过程中已发表论文9篇，申请专利2项，培养了多名研究生，已毕业博士研究生3名。