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雙探針掃描電子顯微鏡是一種將形貌表征技術（掃描電子顯微鏡）與電學測試技術（雙探針電學測量系統(tǒng)）結(jié)合在一起的測試系統(tǒng)。雙探針掃描電鏡主要包括真空系統(tǒng)、電子光學系統(tǒng)、樣品臺和探針系統(tǒng)等四個組成部分，如圖1所示。其中真空系統(tǒng)用于提供樣品形貌表征和測試所需的真空環(huán)境，電子光學系統(tǒng)用于掃描電子成像，樣品臺可以提供特定的樣品取向和溫度控制，而探針系統(tǒng)可以提供樣品電學測試所需的電極并且能夠精確位移。通過以上各部分的精確配合可以實現(xiàn)低維納米結(jié)構與微納器件特性的局域物性測量。

圖1 雙探針掃描電子顯微鏡系統(tǒng)的示意圖

近年來，隨著人們對低維材料光電特性研究的深入，對測試系統(tǒng)的成像分辨率、測量精度、溫度變化、外場激發(fā)等條件要求越來越高。同時，該設備由于自身局限性以及部件老化問題，存在一些應用上的不足：

1）電子光學系統(tǒng)的物鏡直徑達100mm，而工作距離只有0-20mm，因此探針豎直方向移動的空間十分有限，如圖4所示；2）由于擴散泵的效率較低，而且工作壽命已達極限，因此腔體的真空度已經(jīng)不能滿足測量場發(fā)射等特性所需的真空條件；3）缺少研究材料光電特性的有效手段，而光電特性分析是研究材料的帶隙特征的有效手段。

技術創(chuàng)新完成后能夠解決的具體科研問題及其意義

改造后的雙探針掃描電子顯微鏡系統(tǒng)可以解決原系統(tǒng)中高精度局域測量存在的諸多問題，具體可分為以下幾個方面：

（1）解決原系統(tǒng)成像分辨率低、對導電能力低的材料成像質(zhì)量差的問題。寬帶隙材料由于具有較高的擊穿電壓，電子飽和速率高等，是制備各種高功率、高頻器件的理想材料。但是寬帶隙材料的導電能力差，特別是對于納米尺寸的材料，在電鏡下的觀察和定位較為困難。而且此系統(tǒng)組裝年限較長，成像質(zhì)量有所

下降，對寬帶隙材料的觀察更為困難。通過改進電子光學系統(tǒng)可以有效提高對寬帶隙材料的成像質(zhì)量，有助于電學測試的定位。

（2）解決原系統(tǒng)中探針定位精度低、可操控性差的問題。原系統(tǒng)物鏡直徑為100mm，而工作距離僅為0-20mm，電子光學系統(tǒng)物鏡與樣品之間空間較小，因此外加探針或者光路只能以接近水平方向靠近樣品表面，樣品的定位以及探針自由移動均受到非常大的限制。改造后的系統(tǒng)采用較小直徑和較長焦距的物鏡，樣品上方空間增大，探針和光路能夠以較小角度達到樣品表面，增加了操作的自由度。同時新的探針系統(tǒng)位移精度增加，有助于低維納米材料電學特性的測量。

（3）引入新的光源后此系統(tǒng)可用于材料光電特性的測量，彌補了電子能帶表征手段的不足。在半導體光譜的研究中，利用光激發(fā)的電子行為可以很好的表征材料的電子能帶結(jié)構，因此引入激勵光源可以更加有效的表征半導體材料電子能帶的特征。同時，對于半導體晶體材料，不同晶面往往具有不同的光學和電學特性。利用探針的精確定位能力，可以研究微米乃至納米尺寸半導體材料不同晶面的光電特性，避免了生長大面積晶體的技術困難。

成果及應用領域

本項目通過對原系統(tǒng)的改造，提高了系統(tǒng)的成像分辨率、真空度和探針的精確定位能力，增大了探針移動的自由度，增添了激勵光源，可以為納米尺寸低維材料的場發(fā)射器件、光敏器件、能源器件等的物性測量提供服務。系統(tǒng)新功能的開發(fā)將會為固態(tài)量子、超導、納米、表面、光學、半導體等多個領域中研究的開展起到重要的支撐與促進作用。