由二次电子发射调控的碳纳米管器件电子束诱生电流成像中的衬度反转

半导体单壁碳纳米管凭借其载流子迁移率和电流传输能力，已成为构建下一代纳米电子器件、生物传感及柔性电子设备的核心候选材料。在实际应用中，扫描电子显微镜不仅是观察其形貌的关键工具，其中的电子束诱导电流技术更是表征半导体器件内部结构、评估局部缺陷及金属接触特性的重要手段。该技术能够精准定位界面性质，为优化场效应晶体管的性能提供关键的物理参数支撑。

但在针对一维碳纳米管器件进行表征时，现有的成像机制研究尚不充分，面临严峻挑战。传统的诱导电流理论主要基于三维体半导体模型，认为信号主要由耗尽区的内建电场分离电子空穴对产生，但这难以解释纳米尺度下复杂的信号生成过程。特别是电子束落地能量及衬底电荷积累对成像对比度的具体影响规律仍不明确，导致在定量分析金属与纳米材料接触电阻等核心瓶颈问题时缺乏可靠的理论框架，这限制了碳基电子器件工艺的进一步精准迭代与工程化应用。

针对上述问题，由湘潭大学、浙江大学、北京大学等机构组成的联合研究团队利用泽攸科技的SEM纳米探针台进行了系统研究，团队通过同步分析不同落地能量下的二次电子与诱导电流信号，揭示了一维碳纳米管器件的成像逆转机制受二次电子发射而非传统内建电势支配的核心物理起源。

纳米尺度界面电学特性的表征对于高性能碳基电子器件的开发至关重要，然而电子束诱导电流在单壁碳纳米管中的成像机理长期以来并未得到充分解释。本研究通过在扫描电子显微镜下同步分析二次电子信号与诱导电流信号，对比了1千电子伏特与10千电子伏特两种落地能量下的成像表现。实验结果有力证明了碳纳米管器件中的诱导电流强度与二次电子发射效率存在强相关性，这一发现挑战了传统认为诱导电流仅由内建电势支配的观点，为低维半导体材料的电学表征提供了全新的物理视角。

图1 扫描电镜中双模式二次电子/电子束诱导电流成像装置示意图

图2 1 keV 与 10 keV 落地能量下 Pd‑碳纳米管接触区域的二次电子与电子束诱导电流对比成像

研究团队观察到碳纳米管在不同落地能量下呈现出截然不同的成像对比度，并详细剖析了其背后的物理起源。在1千电子伏特的低能量下，由于二氧化硅衬底表面积累正电荷，碳纳米管及其周边表现出亮对比度，电流方向由电极流向碳纳米管。当落地能量提升至10千电子伏特时，衬底转为负电荷积累，导致二次电子发射增强，此时碳纳米管区域呈现暗对比度，电流方向发生反转。这种对比度随能量变化的特性证实了衬底充电极性是决定一维器件诱导电流方向的主导因素。

图3 传统电子束诱导电流机制预测、实验观测与本文提出的二次电子驱动 EBIC 机制对比

图4 电子束作用体积与耗尽区相对关系的示意图对比

在构建这套精密的原位表征实验平台过程中，泽攸科技提供的三维纳米操纵手发挥了关键的技术支撑作用。该设备安装于显微镜样品台内，通过高精度的纳米级位移控制，使探针能够准确触达并连接碳纳米管器件的源极。在实验中，泽攸科技纳米探针将捕获到的微弱感生电流信号传输至外部放大器进行处理，从而实现了诱导电流信号与扫描位置的实时对应和图像重建。这种稳定且精确的物理连接是获取高质量、高信噪比电学图像的前提，确保了研究中对比度演化数据的真实性与可靠性。

图5 在 1 keV 落地能量下，随着电子束剂量（扫描次数）增加，Pd‑碳纳米管接触处的二次电子与电子束诱导电流图像及信号分布演变

除了能量参数外，研究还探讨了累积电子剂量与碳纳米管本征电阻对信号分布的调制作用。随着扫描次数增加，表面累积的碳污染会导致碳纳米管电阻升高，进而使诱导电流信号逐渐衰减，甚至导致界面处的对比度提升特征消失。同时诱导电流强度沿碳纳米管轴向呈现出单调递减趋势，这反映了电荷传输过程中受到的电阻梯度约束。这些发现不仅深化了对诱导电流物理机制的理解，也为利用该技术评估金属与纳米材料接触质量、筛选高性能场效应晶体管提供了非破坏性的检测方案。

图6 解释碳纳米管中 EBIC 信号行为的模型

泽攸科技SEM纳米探针台实现了三维空间上的精确定位，具有小尺寸大行程、高精度及易操作等优点，同时兼容高真空是扫描电镜重要的原位功能附件。根据不同实验需求，可将电学探针替换为光纤探针、纳米镊子、显微注射器等各类操纵选件和测量头。下图为该研究成果中用到的SEM纳米探针台：

泽攸科技SEM纳米探针台

泽攸科技专注于扫描电子显微镜、原位测量系统、台阶仪、纳米位移台、光栅尺、探针台、电子束光刻机、二维材料转移台、超高真空组件及配件、压电物镜、等离子体化学气相沉积系统等精密设备的研究，满足国家在科学精密仪器领域的诸多空白。泽攸科技以自主知识产权的技术为核心，依托一支专业的研发与生产团队，经过二十多年的技术积累，在半导体加工设备和材料表征测量领域已属于国内头部。公司承担和参与了国家重点研发计划、国家重大科研装备研制项目等多个重量级科研项目，多次实现国内材料表征测量设备的“国产替代"，相关产品具有较好的国际声誉、产品检测数据被国际盛名期刊采纳。