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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）結合在一起的測試系統。雙探針掃描電鏡主要包括真空系統、電子光學系統、樣品臺和探針系統等四個組成部分，如圖1所示。其中真空系統用于提供樣品形貌表征和測試所需的真空環境，電子光學系統用于掃描電子成像，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低維納米結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，對測試系統的成像分辨率、測量精度、溫度變化、外場激發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不能滿足測量場發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可以解決原系統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）解決原系統成像分辨率低、對導電能力低的材料成像質量差的問題。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。而且此系統組裝年限較長，成像質量有所

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可以有效提高對寬帶隙材料的成像質量，有助于電學測試的定位。

（2）解決原系統中探針定位精度低、可操控性差的問題。原系統物鏡直徑為100mm，而工作距離僅為0-20mm，電子光學系統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，利用光激發的電子行為可以很好的表征材料的電子能帶結構，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的改造，提高了系統的成像分辨率、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射器件、光敏器件、能源器件等的物性測量提供服務。系統新功能的開發將會為固態量子、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。