近日，由德國(guó)布倫瑞克工業(yè)大學(xué)半導(dǎo)體技術(shù)研究所的研究團(tuán)隊(duì)，發(fā)布了一項(xiàng)關(guān)于壓電氧化鋅納米線的研究成果^[1]。該研究依托AFM/SEM二合一顯微鏡FusionScope系統(tǒng)，全面評(píng)估了不同生長(zhǎng)條件下ZnO納米線的結(jié)構(gòu)、力學(xué)與電學(xué)特性，實(shí)現(xiàn)了在掃描電子顯微鏡視野下對(duì)單根ZnO納米線的精準(zhǔn)電接觸與電流-電壓特性測(cè)量，為下一代壓電納米發(fā)電機(jī)的高效設(shè)計(jì)與性能優(yōu)化提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)支撐。

圖1. FusionScope二合一多功能顯微鏡

設(shè)備核心優(yōu)勢(shì)：解決傳統(tǒng)表征痛點(diǎn)

在納米科技與能源材料研究飛速發(fā)展的今天，ZnO 納米線因兼具優(yōu)異壓電特性與半導(dǎo)體特性，成為微納能量收集器的核心材料，但其精準(zhǔn)、無(wú)損表征一直面臨挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)表征手段往往需要將樣品在不同設(shè)備之間切換，即增加了樣品損壞的風(fēng)險(xiǎn)，又難以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)共定位，嚴(yán)重影響表征結(jié)果的準(zhǔn)確性與可靠性。

FusionScope系統(tǒng)通過(guò)集成原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）及 Kleindiek 納米機(jī)械手微操縱器，從根本上解決上述問(wèn)題：

• 原位無(wú)損表征：無(wú)需轉(zhuǎn)移樣品，可在同一系統(tǒng)內(nèi)完成 ZnO 納米線的形貌表征與電學(xué)測(cè)試，避免樣品移動(dòng)導(dǎo)致的損傷或位置偏差；

• 精準(zhǔn)定位操控：依托高傾角（-10°-80°）SEM 成像引導(dǎo)，納米機(jī)械手可將探針精確定位至單根 ZnO 納米線頂端，實(shí)現(xiàn) “靶向" 電學(xué)測(cè)試，且支持最多 4 個(gè)微操作器同時(shí)集成，提升測(cè)試效率；

• 多性能協(xié)同分析：除電學(xué)表征外，可結(jié)合 AFM 接觸共振模式測(cè)量納米線壓痕模量，搭配 ESPY33 工具評(píng)估壓電系數(shù)（d??），實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)、力學(xué)、電學(xué)性能的一體化分析，系統(tǒng)地表征了 ZnO 納米線在能量收集應(yīng)用中的綜合性能。

FusionScope：揭示 ZnO 納米線關(guān)鍵電學(xué)特性

FusionScope 系統(tǒng)能夠在高傾角的SEM圖像引導(dǎo)下，將探針精確定位至目標(biāo)納米線頂端，完成原位電學(xué)測(cè)試；結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通過(guò) FusionScope 所獲得的 *I-V* 曲線清晰地揭示了 ZnO 納米線與鎢探針之間的歐姆接觸行為。這一發(fā)現(xiàn)與通常預(yù)期的肖特基接觸有所不同，研究團(tuán)隊(duì)分析認(rèn)為可能與探針誘導(dǎo)的局部電場(chǎng)、表面缺陷態(tài)、或聚合物殘留等因素有關(guān)。該結(jié)果對(duì)理解納米器件中金屬-半導(dǎo)體界面行為具有重要意義。

壓電納米發(fā)電機(jī)自問(wèn)世以來(lái)，研發(fā)人員致力于推動(dòng)該技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用，核心問(wèn)題聚焦于如何提升這種新型器件的輸出性能；研究發(fā)現(xiàn)輸出性能的改善取決于氧化鋅（ZnO）納米線的幾何形狀，陣列的壓電系數(shù)隨著納米線高度的增加和直徑的減小而增加，因此，通過(guò)FusionScope研究其直徑與長(zhǎng)度對(duì)材料壓電性能的影響對(duì)于壓電納米發(fā)電機(jī)的推廣起著促進(jìn)作用。

使用FusionScope配套的插件微操作器對(duì)ZnO納米線的電學(xué)性能進(jìn)行表征，電學(xué)測(cè)試在接觸模式下進(jìn)行，導(dǎo)電的AFM針尖與ZnO納米線的頂部接觸，為了單獨(dú)表征ZnO納米線，使用安裝在連接到MM3E微操作器的低電流測(cè)量套件上的探針針尖，對(duì)每個(gè)樣品的三個(gè)點(diǎn)采集了I-V曲線，微操作器作為AFM/SEM二合一顯微鏡 FusionScope的附加組件安裝，高達(dá)80°的傾斜視圖SEM成像能夠?qū)⑻结樶樇饩珳?zhǔn)定位到不同的ZnO納米線上。如圖2所示。

圖2. (a)使用微操作器測(cè)量ZnO納米線陣列I-V特性的FusionScope裝置內(nèi)部示意圖，最多可同時(shí)將4個(gè)微操作器集成到FusionScope中。（b）探針與ZnO納米線接觸的25°傾斜視圖SEM顯微照片。

根據(jù)接觸尺寸相對(duì)于ZnO納米線橫截面寬度的大小，獨(dú)立的ZnO納米線與頂部接觸金屬之間的界面電學(xué)行為可以從肖基特變?yōu)闅W姆接觸，本研究通過(guò)使用微操作器測(cè)量生長(zhǎng)狀態(tài)下的ZnO納米線的I-V曲線特性來(lái)研究界面的電學(xué)行為，測(cè)量具有不同直徑以及納米線頂部形成的界面類型的ZnO納米線的I-V特性結(jié)果如圖3所示。圖3a,c,d可以看出，I-V曲線具有線性特征，證明探針壓在樣品頂端形成了歐姆接觸，另一方面，圖3b描繪了樣品波動(dòng)的I-V曲線，這可歸因于O2等離子體刻蝕后的嵌入聚合物殘留物或Cr/Au薄膜頂接觸。

圖3. 使用微操作器對(duì)ZnO納米線陣列進(jìn)行I-V測(cè)量的結(jié)果：(a,b)電學(xué)探針與納米線陣列樣品TSG570接觸的SEM顯微照片及其相應(yīng)的I-V圖；（c,d）電學(xué)探針與納米線陣列樣品TSG690接觸的SEM顯微照片及其相應(yīng)的I-V圖。對(duì)于（b,d）嵌入聚合物已部分被O₂等離子體刻蝕以進(jìn)行接觸探測(cè)。

賦能多場(chǎng)景微觀性能分析

FusionScope 作為一款集成了 AFM 與 SEM 的關(guān)聯(lián)分析平臺(tái)，不僅在材料科學(xué)研究中表現(xiàn)出色，也在納米電子器件、半導(dǎo)體工藝、能源材料等領(lǐng)域的微觀性能分析中展現(xiàn)出強(qiáng)大潛力。設(shè)備通過(guò)SEM側(cè)向視野，精準(zhǔn)定位探針位置，針對(duì)性地對(duì)目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行掃描，在半導(dǎo)體加工、薄膜材料、磁性樣品等領(lǐng)域都具有突出的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，F(xiàn)usionScope還具有免樣品轉(zhuǎn)移、高清快速成像、一鍵完成模塊導(dǎo)航等優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際測(cè)試中為研究者帶來(lái)了極大的便利。所有你關(guān)心的材料特質(zhì)，都能在這里找到答案！

研究負(fù)責(zé)人之一 Frank Eric Boye Anang 評(píng)價(jià)“FusionScope 為我們提供了全新的原位電學(xué)探測(cè)能力，它使我們?cè)诓灰苿?dòng)或損壞樣品的情況下，就能對(duì)特定納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠的電學(xué)性能評(píng)估，極大提升了實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性與重復(fù)性。"

FusionScope 憑借 “原位無(wú)損、精準(zhǔn)定位、多性能協(xié)同" 的技術(shù)特性，為納米材料表征提供了高效解決方案。其在 ZnO 納米線陣列研究中的應(yīng)用，不僅推動(dòng)了壓電納米發(fā)電機(jī)的研發(fā)進(jìn)程，更為多領(lǐng)域微觀性能分析開(kāi)辟了新路徑，助力科研與產(chǎn)業(yè)界突破納米表征技術(shù)瓶頸。

參考文獻(xiàn)：

[1]. Nondestructive Mechanical and Electrical Characterization of Piezoelectric Zinc Oxide Nanowires for Energy Harvesting, Micromachines 2025, 16(8), 927; https://doi.org/10.3390/mi16080927