高真空中二维材料的表面电位测量
J. Serron, A.Minj, L. Wouters, T. Hantschel
IMEC, Leuven, Belgium
介绍:
随着传统场效应晶体管 (FET) 的逐渐规模化，如何克服短沟道效应的不利影响变得越来越重要。在这里，二维 (2D) 材料能够将载流子限制在一个平面内，进而改善静电栅极的控制，并能够进一步扩展摩尔定律。在二维材料中，过渡金属硫化物（TMD）由一层过渡金属M组成，夹在两层硫原子X之间，形成化学式MX2. MoS2, WS2, MoSe2和 WSe2都是常见的过渡金属硫化物, 由于它们的晶格结构而具有半导体特性。它们的单分子层显示出直接的带隙，可以表现出良好的电学、光学和机械材料特性。目前过渡金属硫化物正在被广泛地进行研究，预计会在纳米电子学、光电子学和新型器件制造领域产生巨大影响。
由于面外电导率低且容易撕裂，单层到几层过渡金属硫化物的表征是非常具有挑战性的。 只有少数基于拉曼、光致发光光谱和原子力显微镜(AFM)的技术可以在短时间内提供所需的结构和电学特征信息。除了通过AFM对过渡金属硫化物的粗糙度和层台阶高度进行统计分析之外，利用基AFM的开尔文探针力显微镜 (KPFM)，能够越来越多地用于可视化二维/衬底系统中的充电效应、二维/二维异质结构和晶粒中的探针电荷转移边界[1, 2, 3].
KPFM 允许在纳米尺度上对表面和器件的电学特性进行表征。它主要通过探测AFM探针针尖和样品之间的接触电位差(VCPD) 来对导电和半导体材料上的表面电位分布进行成像[4]。因此，该技术可以收集有关功函数、材料不均匀性、局部俘获电荷、嵌入纳米结构、互连故障等信息[5, 6]。当导电AFM探针针尖与导电或半导体样品电连接时，针尖和样品的费米能级对齐。因此，电子从具有较低功函数的材料流向较高功函数的材料，直到达到平衡状态（即，费米能级对齐）。两个表面上电荷的重新分布在针尖和样品之间引入了静电力，该静电力与它们的功函数的差异成正比。为了消除这种静电力，在针尖和样品之间施加外部直流偏压；所谓接触电位差 VCPD [1].
它被定义为：
φtip 和 φsample分别是针尖和样品的功函数, e是元电荷。
F图 1：电连接的针尖-样品系统的带对齐图，左侧为0 DC 偏压，右侧为 DC 偏压 = -VCPD。此示意图仅适用于导致针尖和样品之间的非零电场的功函数 φSAMPLE ≠ φTIP。 EF 是费米能级的能量， Evac 是真空能级的能量。
作为一种动态 AFM 方法，KPFM 可以在 Park AFM系统中以振幅调制模式或边带模式运行。 在 Park 的边带 KPFM 中，VCPD 取决于静电力梯度而不是长程静电力，这有利于高电灵敏度和空间分辨率，这主要受针尖半径的限制。分析计算表明，对于商用针尖几何形状，在平面上可以实现接近10nm的空间分辨率[7].为了更好地理解KFPM原理，我们参考Park总公司Hosung Seo, Dan Goo和Gordon Jung所发表的“ How to obtain sample potential data for KPFM measurement” 应用说明以及Park美国分公司Armando Melgarejo, Ben Schoenek和 Byong Kim发表的“ Surface Potential Imaging via Sideband Kelvin Probe Force Microscopy”应用说明。
为了通过边带 KPFM 在过渡金属硫化物上获得可靠且定量的表面电位测量值，考虑气体种类对样品表面变化的影响是至关重要的。在未来，由于过渡金属硫化物表面反应性引起的性能变化甚至可以用于分子传感应用。这里，在 Park 的 NX-Hivac 系统中，在环境和高真空条件下直接比较 MoS2的表面电位，突出了气体种类对样品表面的影响，并显示了环境控制对定量过渡金属硫化物特性的必要性。
实验:
边带 KPFM 允许通过快速的 DC 反馈去消除样品表面和AFM金属针尖之间形成的静电力梯度来测量表面电位。在 Park 的 NX-Hivac 配置中，样品接地，并以 2.0–5.0 kHz 范围内的频率施加 0.5 V 至 3.0 V 之间的交流偏压以调制静电信号。 KPFM 测量的典型扫描速率范围为 0.1 Hz 至 0.3 Hz。 对于该数据集，使用了弹性常数 k ~ 5N/m 和自然频率f0 ~ 150 kHz 的Au 涂层 Si AFM 探针。
结果和讨论:
在本实验中，使用Park NX-Hivac 系统通过边带KPFM，分别在大气和高真空(~10-5 Torr)环境中研究了转移到 SiO2上的MoS2薄片的表面电位（图 2）。 观察到两种环境条件下薄片表面电位分布的显着差异。
图 2：在空气中转移到SiO2基材上的 MoS2薄片的表面电位图（A）和在高真空中沿白色虚线框提取相应的形貌图和横截面图（B）。
如图 2 中的形态所示，MoS2薄片没有均匀地转移到SiO2 衬底上，但在某些区域显示出褶皱和皱纹，分别由白色和蓝色箭头表示。在分析表面电位分布时，考虑到这一点很重要，因为已知层厚度和局部应变会影响二维材料的表面电位。在大气环境中，在转移的MoS2 薄片和SiO2 衬底（图 2A）之间观察到约 0.15 V 的表面电位差，后者的幅度较低。在高真空下测量时，这种差异显着增强到 ~0.4 V（图 2B）。在大气环境中测量到的 MoS2 薄片和 SiO2 之间的小电位差很可能是由于存在厚度高达 2 nm 的表面水层和/或氧气，这通过电荷改变了 MoS2 薄片的表面电位转移，并随后改变其功函数。此外，重要的是要承认，由于 MoS2和 SiO2 的润湿性不同，通过改变水层厚度来筛选实际表面电位会导致 KPFM 测量误差。在高真空条件下，由于消除了水和/或氧气的影响，揭示了表面电位的更多细节和对比度反转。例如，在两种实验条件下都存在 MoS2 薄片皱纹处的表面电位下降，但仅在高真空中才显示出其被更高电位边界包围的情况。对皱纹处和周围形成的电位分布的清晰洞察可以更好地了解它们对器件电流传输特性的影响。该实验突出了在探测二维材料的内在电学特性和在空气中测量时评估真实表面电位方面的障碍。
结论:
本应用说明展示了高真空环境对于使用 KPFM 对二维材料进行可靠和准确的表面电位表征的重要性。 单层到少层 MoS2 在大气条件下的表面电位与高真空下获得的值显着不同：当 Park 的 NX-Hivac 从环境移动到高真空环境时， MoS2 薄片和 SiO2 衬底之间的表面电位差增加量 从 0.15 V 到 0.4 V。在环境条件下观察到的小电位差表明存在一个薄的表面水层，它屏蔽了样品的真实表面电位。 在真空条件下，水分子会随着时间解吸。 因此，它们对二维材料电学特性的影响显着降低，这确保了更可靠和准确的表面电位测量。
参考文献:
[1] Datta et al. Nano Letters 9, pp. 7-11 (2008)
[2] Sharma et al. Appl. Phys. Lett. 110, 061602 (2017)
[3] Moore et al. npj 2D Materials and Applications (2020)
[4] M. Nonnenmacher, M. P. O’Boyle, and H. K. Wickramasinghe, Appl. Phys. Lett. 58, 2921 (1991)
[5] C. Barth et al 2010 New J. Phys. 12 093024
[6] S. Sadewasser, T.Glatzel, Kelvin probe force microscopy, Vol. 65, Springer Series in Surface Sciences
[7] J. Colchero, A. Gil and A. M. Baro, Phys. Rev. B, 64, 245403 (2001)