基于原位透射电子显微镜的纳米材料交流电学性能测试装置及方法与流程

本发明涉及纳米材料性能原位检测领域，具体涉及一种基于原位透射电子显微镜的纳米材料交流电学性能测试装置及方法。

背景技术：

纳米材料是指在三维空间中至少有一维处于纳米尺度范围(1-100nm)或由它们作为基本单元构成的材料。根据结构的不同可分为：三维、二维、一维和零维。一维纳米材料包括纳米线、纳米棒和纳米带等，其表面效应、量子尺寸效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应使其在纳米电子器件方面承担着重要角色。一维纳米材料作为纳电子器件的构建基石，首先要对其电学性质有一个全面的认识。

目前，基于半导体纳米线的纳米器件已被生产制作出来，但是其本身的一些电学性能还没有被完全认识。在对单根纳米线的电学测量中，构建电极测试的方法主要有光刻加工电极测试法、聚焦离子束(FIB)沉积电极法、电子束诱导沉积(EBID)固定纳米线法，由其获得的I-V曲线进一步获得电阻等电学参数的过程较为复杂，且性能参数信息较少。因此，如何在电极和纳米线之间构建一个稳定的测试结构、获得较为全面的电学性能参数成为纳米线电学性能测试的重中之重。现有技术一般为直流测试，缺乏交流电的测试方法。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种基于原位透射电子显微镜的纳米材料交流电学性能测试装置及方法，通过对交流电学性能测试装置施加交流信号，利用阻抗频谱分析装置进行分析，获得电学性能曲线，解决了现有技术的不足。

技术方案：为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：基于原位透射电子显微镜的纳米材料交流电学性能测试装置，其特征在于，包括纳米线样品、原位电学测试装置和阻抗频谱分析装置；

所述原位电学测试装置包括钨探针和纳米线样品杆；纳米线样品可固定在纳米线样品杆；所述钨探针通过纳米微操纵杆控制与纳米线样品的接触；钨探针与纳米线样品接触后，钨探针、纳米线样品和阻抗频谱分析装置形成回路。

基于原位透射电子显微镜的纳米材料交流电学性能测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在透射电子显微镜的基础上搭建交流电学性能测试装置，制备纳米线样品，并将纳米线样品载入交流电学性能测试装置的纳米线样品杆；利用纳米微操纵杆控制钨探针和纳米线样品的接触状态；在原位观察钨探针和纳米线样品接触状态的基础上，利用阻抗分析装置实时测试纳米线样品的电学参数，收集钨探针与纳米线样品接触前后的电学性能曲线。

进一步的，所述钨探针和纳米线样品的接触状态包括钨探针悬空和钨探针与纳米线样品接触。

进一步的，所述电学参数包括所测试频率下的阻抗和电容。

有益效果：本发明提供的一种基于原位透射电子显微镜的纳米材料交流电学性能测试装置及方法，只需要将样品载入搭建的交流电学性能测试装置，通过施加测试的交流信号、控制纳米微操纵杆来改变探针和样品的接触状态，操作远比其他方法简单。由阻抗频谱分析仪得到阻抗、电容等电学参数，具有直观性和定量检测的特性，且所得参数较为全面。操作简单，测试结果直观易读。

本发明首次提出原位测试交流信号和观察并行的测试装置，操作过程简单，测试结果具有直观性和定量检测的特性，且电学参数信息较为全面，可以广泛应用于未来各种纳米材料的电学性能测试。

附图说明

图1为实施例1和实施例2得到的测试结果；

图2为实施例2中原位观测ZnO纳米线样品与钨探针接触情况的实时截图；

图3为本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图3所示为一种基于原位透射电子显微镜的纳米材料交流电学性能测试装置，其特征在于，包括纳米线样品、原位电学测试装置和阻抗频谱分析装置；图中虚线框内的装置及原位电学测量装置(in situ electrical measurement probe)。

所述原位电学测试装置包括钨探针和纳米线样品杆；纳米线样品可固定在纳米线样品杆；所述钨探针通过纳米微操纵杆控制与纳米线样品的接触；钨探针与纳米线样品接触后，钨探针、纳米线样品和阻抗频谱分析装置形成回路。

所述纳米线样品杆为铜网，例如但不局限于碳膜或微栅。

基于原位透射电子显微镜的纳米材料交流电学性能测试方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

在透射电子显微镜的基础上搭建交流电学性能测试装置，制备纳米线样品，并将纳米线样品载入交流电学性能测试装置的纳米线样品杆；利用纳米微操纵杆控制钨探针和纳米线样品的接触状态；在原位观察钨探针和纳米线样品接触状态的基础上，利用阻抗分析装置实时测试纳米线样品的电学参数，收集钨探针与纳米线样品接触前后的电学性能曲线。

进一步的，所述钨探针和纳米线样品的接触状态包括钨探针悬空和钨探针与纳米线样品接触。

进一步的，所述电学参数包括所测试频率下的阻抗和电容。

实施例1：

在透射电子显微镜(TEM)的基础上搭建交流电学性能测试装置，制备ZnO纳米线样品，并将样品载入固定在交流电学性能测试装置的样品杆，控制纳米微操纵杆使钨探针悬浮，在原位观察的基础上，利用阻抗分析仪实时测试ZnO纳米线样品的电学参数，得到阻抗、电容等电学参数，收集钨探针与纳米线样品接触前后的电学性能曲线；

钨探针和ZnO纳米线接触前，基于原位透射电子显微镜内的交流电学性能的测试表征方法测试结果(频率/阻抗/电容)如图1中方形构成的曲线所示。

图中，横坐标为频率；右边的纵坐标为电容，图中下方的曲线以及左上角连接右下角的曲线，表示阻抗；左边的纵坐标为阻抗，图中上方的曲线以及右上角连接左下角的曲线，表示电容；图中用圈画出，并标示了方向的具体为：圆圈旁向右箭头表示：这两条曲线是右侧的电容；圆圈旁向左箭头表示：指向左侧阻抗(这是专业内常用表示方法)。

实施例2：

在透射电子显微镜(TEM)的基础上搭建交流电学性能测试装置，制备ZnO纳米线样品，并将样品载入装置，控制纳米微操纵杆使钨探针与ZnO纳米线样品接触，在原位观察的基础上，利用阻抗分析仪实时测试ZnO纳米线样品的电学参数，得到阻抗、电容等电学参数，收集钨探针与纳米线样品接触前后的电学性能曲线；

钨探针和ZnO纳米线接触后，基于原位透射电子显微镜内的交流电学性能的测试表征方法测试结果(频率/阻抗/电容)如图1中圆形构成的曲线所示；

原位观测ZnO纳米线样品与钨探针接触情况，结果如图2所示。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。