2K LT SCANWAVE™ - 低温扫描微波阻抗显微镜系统（LT-sMIM）

Overview

PrimeNano’s 2K LT ScanWave™ 低温扫描微波阻抗显微镜系统提供了一个前沿物理研究（量子效应， 相变等）和新型材料研究（拓扑绝缘体，铁电材料， 磁性材料等）的工业级解决方案。实现在超低温度，超强磁场环境下直接对于材料导电性质和介电性质的表征，在测量样品表面形貌的同时得到样品的电学性质，如导电率，介电常数，载流子浓度，载流子类型等。工业级的完整系统解决方案实现快速有效的科研测量，从而加速研究人员的科研进程。

 

Low Temperature / High Magnetic Field sMIM

图1： LT ScanWave™ - 低温扫描微波阻抗显微镜系统。其包含了低温强磁场扫描探针显微镜领导品牌Attocube System的部件

图2: 低温扫描微波阻抗显微镜扫描杆。其集成了sMIM探头， 位置器，扫描器及微波匹配电路等关键组件。

低温强磁场下材料的电学性质的研究和表征对于揭示前沿科学研究的物理机制有着重要的指导意义。多项诺贝尔奖桂冠被授予在温度场和磁场下材料电学性质的研究，如高温超导（1987年）、整数量子霍尔效应（1985年）、分数量子霍尔效应（1998年）、巨磁阻效应（2007年）和石墨烯（2010年）等。 近年来，微米，纳米尺度下材料电学的表征技术促进科学新现象，材料新特性研究和发现的又一次飞跃。 PrimeNano的ScanWave™扫描微波阻抗显微镜，以其独有的技术和优良的性能，得到全球范围内高校，研究所的青睐，在科研中发挥着重要的作用[1-6]。如研究巨磁阻表征[7]、二维电子气中的量子霍尔效应[8]、分数量子霍尔效应[9]、电荷序研究[10]、磁性材料的畴壁导电性[11]和石墨烯中的量子霍尔效应[12]等。

2K Low-Temp sMIM System by PrimeNano

PrimeNano联合低温强磁场扫描探针显微镜领导品牌Attocube System， 共同开发了低温强磁场扫描微波阻抗显微镜系统，如图二所示。专业的系统集成实现了低温强磁场下扫描微波阻抗显微镜对于电学性质的表征， 但同时不损失其系统的其他性能。 工业级的完整系统解决方案实现了复杂测试系统的简单快捷操作，从而加速研究人员的科研进程。

标准的低温扫描微波阻抗显微镜配备低温扫描微波电路模块、具备激光反馈的扫描探针显微镜、闭循环的低温恒温器、超导磁铁及其控制器、电脑软件操作界面等。 可根据客户需要选择其他配置，如闭循环的扫描器、多轴磁场、更低温度等。详情请来电咨询PrimeNano。

 

 

主要特性

  • 超低温度（2K）超强磁场（15T）环境下材料电学性质的纳米尺度表征
  • 稳定的温度和磁场环境
  • 多种测量模式：sMIM, sMIM-dC/dV, sMIM C-V
  • 工业级的低温强磁场sMIM电学表征完整解决方案
  • 无液氦超低振动环境
  • 快速更换探针和样品
  • 兼容多种扫描模式：接触式、非接触式、恒定力、恒定高度等
  • 对样品制备无特殊要求

应用实例

  材料科学

  • 铁电体
  • 磁体

  1维/2维材料

  • 畴壁电学性质
  • 石墨烯，MoS2等

  固体物理和量子效应

  • 相变材料
  • 拓扑绝缘体
  • 量子霍尔效应
  • 自旋量子霍尔效应

See Use Cases

技术参数

基本参数

技术

低温恒温箱

原子力显微镜

电学测量

 

扫描微波阻抗显微镜（sMIM）

超低振动，基于脉冲管的闭合环路低温恒温器

悬臂梁原子力显微镜，具备激光相干反馈系统

sMIM近场扫描，可施加直流或是交流偏压

低温恒温器参数*

温度范围

磁场

样品环境

可用性

 

2K到300K或是4K到300K（与低温很温箱相关）

9T （可升级到12T）

He交换气体

集成触摸屏对温度和磁场的全自动控制，USB接口远程连接控制

原子力显微镜参数**

成像模式

高度反馈

样品移动范围

扫描范围

噪声

 

接触/非接触模式AFM, 恒定高度模式，恒定接触力模式

具有附加PLL的PI反馈回路

5×5×5mm3

@300K：50×50×24μm3，@4K：30×30×15μm3

接触模式，@4K：确保值：0.15nm；期望值：0.10nm

sMIM参数

测量参数

工作温度范围

微波频率

探针大小

空间分辨率

电学分辨率

微波功率

偏压范围

探针

兼容模式

 

S11，sMIM-C/R，sMIM-AC (dC/dV, dR/dV) Amp & Phase

1.5K到300K或是4K到300K（与低温很温箱相关）

～3GHz

半径小于50nm

小于100nm （与样品相关）

1aF

-15dBm 至 -45dBm

+/-5V， DC-150kHz

屏蔽结构的金属悬臂梁探针

MFM，KPFM，PFM和C-AFM

*   与Attocube低温很温器参数相关

** 其参数基于改造后的Attocube扫描探针显微镜系统

References

  1. M. Tuteja, P. Koirala, S. MacLaren, R. Collins, A. Rockett.  Direct observation of electrical properties of grain boundaries in sputter-deposited CdTe using scan-probe microwave reflectivity based capacitance measurements.  App. Phys. Lett, 107, 142196 (2015)
  2. A. Tselve, A. Klein, J. Gassmann, S. Jesse, Q. Li, S. Kalinin, N. Balke.  Quantitative Nanometer-Scale Mapping of Dielectric Tunability.  Advanced Materials Interfaces, 1500088 (2015)
  3. T. Monti, A. Tselev, O. Udooudo, I.N. Ivanov, S.W. Kingman.  High-resolution dielectric characterization of minerals: a step towards understanding the basic interactions between microwaves and rocks.  http://arxiv.org/abs/1510.08619
  4. W.L. Wilson, E. Seabron, S. Maclaren, X. Xie, S.V. Rotkin, J. A. Rogers.  Scan-Probe Microwave Reflectance of Horizontally Aligned Arrays of Single-Walled Carbon Nanotubes: Nanoscale Imaging of SWNT Electrical Properties in the Quantum Regime.  ECS conference (2015).  MA2015-01 769.  http://ma.ecsdl.org/content/MA2015-01/6/769.abstract
  5. B. Drevniok, S. Dixon-Warren, O. Amster, S.L. Friedman, Y. Yang.  Extending Electrical Scanning Probe Microscopy Measurements of Semiconductor Devices using Microwave Impedance Microscopy.  ISTFA 2015.  In press.
  6. S.L. Friedman, O. Amster, Y. Yang.  Recent advances in scanning Microwave Impedance Microscopy (sMIM) for nano-scale measurements and industrial applications. Proc. SPIE 9173, Instrumentation, Metrology, and Standards for Nanomanufacturing, Optics, and Semiconductors VIII, 917308 (August 27, 2014)
  7. K.J. Lai, M. Nakamura, W. Kundhihanjana, M. Kawasaki, Y. Tokura, M.A. Kelly, Z.X. Shen.  Mesoscopic Percolation Resistance Network in a Strained Manganite Thin Film.  Science, 329, 190 (2010).
  8. K.J. Lai, W. Kundhijanjana, M.A. Kelly, Z.X. Shen, J. Shabani, and M. Shayegan.  Imaging of Coulomb Driven Quantum Hall Edge Stripes.  Physical Review Letters, 107, 176809 (2011)
  9. E.Y. Ma, M.R. Calvo, J. Wang, B. Lian, M.Muhlbauer, C. Brune, Y.T. Cui, K. Lai, W. Kundhikanjana, YL Yang, M. Baenninger, M. Konig, C. Ames, H. Buhmann, P. Leubner, L.W. Molenkamp, S.C. Zhang, D. Goldhaber-Gordon, M.A. Kelly, Z.X. Shen.  Unexpected edge conduction in mercury telluride quantum wells under broken time-reversal symmetry.  Nature Communications, 6, 7252 (2015).
  10. E.Y. Ma, B. Bryant, Y. Tokunaga, G. Aeppli, Y. Tokura, Z.X. Shen.  Charge-order domain walls with enhanced conductivity in a layered manganite.  Nature Communications, V6, 7595 (July 2015)
  11. E.Y. Ma, Y.T. Cui, K. Ueda, S.J. Tang, K. Chen, N. Tamura, PM Wu, J. Fujioka, Y. Tolura, Z.X. Shen.  Mobile metallic domain walls in an all-in-all-out magnetic insulator.  Science, 350, 538-541 (2015)
  12. Y.T. Cui, B. Wen, E.Y. May, G. Diankov, Z. Han, F. Amet, T. Taniguchi, K. Watanbe, D. Goldhaber-Gordon, C.R. Dean, Z.X. Shen. Unconventional Correlation between Quantum Hall Transport Quantization and Bulk State Filling in Gated Graphene Devices.  http://arxiv.org/abs/1511.01541

 

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