一文解读扫描探针显微镜拓展模式（一）

　　1 MFM（Magnetic Force Microscope，磁力显微镜）

　　磁力显微镜（Magnetic Force Microscope，MFM）是一种专门用于成像样品表面的磁性分布的扫描探针显微镜，通过探针和样品之间的磁力相互作用来获得信息。

 

　　MFM应用

　　MFM主要用于研究材料的磁性特征，广泛应用于物理学、材料科学、电子学等领域。常见的应用包括：

　　● 磁记录介质：研究硬盘、磁带等磁记录设备的磁性结构和缺陷；

　　● 磁性材料：分析磁性薄膜、纳米颗粒、磁性多层膜等材料的磁畴结构；

　　● 生物磁性：研究生物组织中天然存在的磁性物质，如磁性细菌。

 

　　应用实例

　　在自旋存储研究中，以斯格明子的研究为例，传统的磁存储单元受限于材料性质，显著影响自旋存储的高密度需求。斯格明子是一种具有拓扑性质的准粒子，其最小尺寸仅为3nm，远小于磁性隧道结，是理想的信息载体，有望突破信息存储密度的瓶颈。下图为通过MFM表征获取的斯格明子图像。^[1]

　　标准斯格明子M-H曲线斯格明子图像

　　在磁盘研究中，通过MFM可以获取磁盘表面的高分辨率磁性图像，详细了解其磁畴结构和分布情况。MFM具有高空间分辨率和灵敏度，为磁盘材料的研究和优化提供了重要的数据支持。下图展示了通过MFM测试获取的磁盘表面磁畴结构图像。

 

电脑软盘磁畴图像

 

　　2 PFM（Piezoresponse Force Microscope，压电力显微镜）

　　压电力显微镜（Piezoresponse Force Microscopy，PFM）是一种用于研究材料压电性质的扫描探针显微镜，利用探针与样品表面之间的逆压电效应来成像和测量材料的压电响应。

　　压电响应力显微镜测量示意图。压电响应力显微镜(PFM)通过导电尖端向材料表面施加电压V来工作。在压电材料中，尖端电压V将导致局部变形h，该变形被认为完全源于压电耦合。因此，有效压电系数取为d33eff=h∕Vdocumentclass[12pt]{minimal}usepackage{amsmath}usepackage{wasysym}usepackage{amsfonts}usepackage{amssymb}usepackage{amsbsy}usepackage{mathrsfs}usepackage{upgreek}setlength{oddsidemargin}{-69pt}begin{document}$$d_{33}^{{mathrm{eff}}}=h/V$$end{document}。然而，尖端电压会在PFM尖端下方产生不均匀电场，随着我们远离尖端，电场会衰减。该电场的梯度(∇E)必须通过逆挠曲电效应在所有电介质（包括非压电材料）中引起应变，见公式(1)，这会导致测量到的变形h，从而导致表观压电系数

 

材料由于逆压电效应产生形变示意图^[2]

 

　　PFM应用

　　PFM广泛应用于材料科学和电子学领域，尤其是在研究和开发新型压电材料和器件方面。具体应用包括：

　　● 铁电材料：研究铁电材料的畴结构、开关行为和退极化现象。

　　● 压电器件：分析压电传感器、致动器和存储器件的性能。

　　● 生物材料：研究生物组织中的压电效应，例如骨骼和牙齿。

 

　　应用实例

　　PbTiO3具有显著的压电效应，即在外加机械应力作用下产生电荷。这使其在超声波发生器、压电传感器和致动器中具有重要应用。在研究PbTiO3样品时，通过PFM，可以获取PbTiO3表面的高分辨率压电响应图像，详细了解其畴结构和分布情况，为PbTiO3材料的研究和优化提供了重要的数据支持。下图展示了通过PFM测试获取的PbTiO3样品表面压电力图像。

　　3 EFM（Electrical Force Microscope，静电力显微镜）

　　静电力显微镜是一种用于测量成像样品表面的电静力特性的扫描探针显微镜。EFM通过探针与样品表面之间的静电力相互作用，获取表面电荷分布和电势信息。

 

静电力显微镜（抬起模式）^[3]

 

　　EFM应用

　　EFM广泛应用于材料科学、电子学和纳米技术等领域，常见的应用包括：

　　● 电荷分布：测量和成像材料表面的电荷分布。

　　● 表面电势：研究材料表面的电势分布和电特性。

　　● 半导体器件：分析半导体器件中的电特性和缺陷。

　　● 纳米电子学：研究纳米级电子器件的电性能。

 

　　应用实例

Au-Ti条带状电极片静电力

 

　　4 KPFM（Kelvin Probe Force Microscopy，开尔文探针力显微镜）

　　KPFM是一种通过探针与样品之间的接触电势差来获取样品功函数和表电势分布的扫描探针显微镜。KPFM广泛应用于金属、半导体、生物等材料表面电势变化和纳米结构电子性能的研究。

 

KPFM获取Bi-Fe薄膜样品表面电势^[4]

 

　　KPFM应用

　　KPFM在材料科学、电子学和纳米技术等领域具有广泛的应用，常见的应用包括：

　　● 表面电势分布：测量和成像材料表面的局部电势分布。

　　● 功函数测量：研究材料的功函数变化，特别是对于不同材料的界面和缺陷。

　　● 半导体器件：分析半导体器件中的电势分布和电学特性。

　　● 有机电子学：研究有机半导体和有机电子器件的表面电势。

 

　　应用实例

Au-Ti条带状电极片表面电势

 

　　5 SCM（Scanning Capacitance Microscope，扫描电容显微镜）

　　扫描电容显微镜（canning Capacitance Microscope，SCM）是一种用于测量和成像样品表面的电容变化的扫描探针显微镜。SCM能够通过探针与样品表面之间的电容变化，提供高分辨率的局部电学特性图像。这种显微镜适用于研究半导体材料和器件的电学特性，如掺杂浓度分布、电荷分布和界面特性等。SCM在半导体工艺和材料研究、故障分析以及器件优化中发挥着重要作用。通过SCM，研究人员能够获得纳米尺度的电学特性信息，从而推动半导体技术的发展和创新。

SCM原理示意图^[5]

 

　　SCM应用

　　SCM主要应用于半导体材料和器件的研究，广泛应用于电子学和材料科学领域。具体应用包括：

　　● 掺杂分布：测量和成像半导体材料中的掺杂浓度分布。

　　● 电荷分布：研究半导体器件中的电荷分布和电场。

　　● 材料特性：分析不同材料的电容特性和介电常数。

 

　　7 设备简介

　　多功能原子力显微镜

　　由致真公司自主研发的多功能原子力显微镜AtomEdge具备亚纳米级分辨率，Z向开环噪声低至30 pm,兼容磁畴、压电响应等多种物性测量,可实现大气、液体或真空环境中工作,有着出色的稳定性和良好的可扩展性。作为一项快速、高精度的物质形貌表征工具,AtomEdge为高端科研和企业研发提供了有力的支持。

 

　　晶圆级原子力显微镜

　　由致真公司自主研发的晶圆级原子力显微镜利用微悬臂探针结构可对导体、半导体、绝缘品等固体材料进行三维样貌表征。样品台兼容12寸晶圆，电动样品定位台与光学图像相结合，可在300X300mm区域实现1μm的定位精度，激光对准，探针逼近和扫描参数调整完全自动化操作。可用于产线，对晶圆粗糙度进行精密测试。

 

　　参考文献

　　[1]Li S,Du A,Wang Y,et al.Experimental demonstration of skyrmionic magnetic tunnel junction at room temperature[J].Science Bulletin,2022,67(7):691-699.

　　[2]Kalinin SV,Gruverman A,eds.Scanning Probe Microscopy:Electrical and Electromechanical Phenomena at the Nanoscale.Springer;2007.

　　[3]https://www.afmworkshop.com/products/modes/electric-force-microscopy

　　[4]https://www.ornl.gov/content/electrostatic-and-kelvin-probe-force-microscopy

　　[5]Abdollahi A,Domingo N,Arias I,et al.Converse flexoelectricity yields large piezoresponse force microscopy signals in non-piezoelectric materials[J].Nature communications,2019,10(1):1266.