圖：（a）DFM二次掃描模式示意圖。（b）DFM門控比與FET器件開關(guān)比之間的半對數(shù)關(guān)聯(lián)性。（c）DFM信號與載流子濃度和遷移率依賴性的數(shù)值模擬結(jié)果。DFM納米尺度空間分辨率展示：內(nèi)部具有金屬-半導(dǎo)體結(jié)的單壁碳管的形貌像（d）和介電響應(yīng)像（e-g）。 

　　目前，納米材料已經(jīng)被日益廣泛地應(yīng)用在電子、光電、生物電子、傳感以及能源等領(lǐng)域的各種器件中。因此，理解和表征納米材料的電學(xué)性能不僅是基礎(chǔ)科學(xué)研究的興趣所在，也是實現(xiàn)其廣泛實用化的迫切需求。但是，傳統(tǒng)的場效應(yīng)晶體管（field-effect transistor, FET）方法在納米材料電學(xué)性能的表征中遭遇到器件制備過程復(fù)雜、材料-電極歐姆接觸不易實現(xiàn)以及檢測通量較低等問題。

　　中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員陳立桅課題組與合作者共同發(fā)展了一種名為介電力顯微術(shù)（dielectric force microscopy, DFM）的新型功能成像技術(shù)來解決上述難題。相關(guān)綜述發(fā)表于近期的Accounts of Chemical Research 期刊（Accounts of Chemical Research 48:1788 (2015) ）。

　　半導(dǎo)體和金屬材料對于外部電場介電響應(yīng)的主要貢獻來自于載流子遷移引起的宏觀極化。因此，材料中的載流子濃度及其遷移率既決定了該材料的介電響應(yīng)也決定了它的電導(dǎo)率。借助于掃描探針技術(shù)對微小作用力的超靈敏檢測（~pN），DFM通過測量材料的誘導(dǎo)偶極與針尖上的電荷之間的相互作用力來表征納米材料的介電響應(yīng)。此成像模式無需電極接觸即可“看”到納米材料中的載流子（圖a）。以單壁碳納米管（直徑~1nm）和氧化鋅納米線（直徑~30-50nm）作為研究模型，DFM成功地實現(xiàn)了對納米材料介電常數(shù)的測量（Nano Letters 7:2729 (2007)）、半導(dǎo)體與金屬導(dǎo)電性的分辨（Nano Letters 9:1668 (2009)）以及半導(dǎo)體材料中載流子類型的判定（Journal of Physical Chemistry C 116:7158 (2012)）（圖e-g）。更為有趣的是，DFM展現(xiàn)出傳統(tǒng)FET方法無法實現(xiàn)的~20nm 的空間分辨率。

　　此外，陳立桅與合作者通過比對同一單壁碳管的DFM與FET測量結(jié)果，證實了DFM與FET互為平行測量手段（Nano Research 7:1623 (2014)）。相關(guān)研究結(jié)果揭示了DFM信號的門控調(diào)制比（DFM信號在不同門電壓下的比值）正比于FET器件開關(guān)比的對數(shù)（圖b）。這個半對數(shù)關(guān)系得到微觀層面的Drude模型的解釋和證實（圖c）。這一模型將對未來DFM技術(shù)在不同材料與器件體系中的應(yīng)用提供一個理論框架。

　　在納米材料電學(xué)性質(zhì)測量領(lǐng)域中，由斯坦福大學(xué)教授沈志勛（Zhi-Xun Shen）開發(fā)的掃描近場微波顯微術(shù)（scanning near-field microwave microscopy）具有與DFM類似的特性與功能（Review of Scientific Instruments 79:063703 (2008)）。掃描近場微波顯微術(shù)與DFM均具有無接觸測量和納米尺度空間分辨率等特性。不同的是，掃描近場微波顯微術(shù)和DFM分別測量材料的高頻和低頻介電性質(zhì)。DFM無需昂貴的高頻網(wǎng)絡(luò)分析器和特制的掃描探針，因而便于應(yīng)用在多種復(fù)雜成像環(huán)境中。DFM這一成像模式可能在未來的基礎(chǔ)研究與工業(yè)在線監(jiān)測領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。

　　相關(guān)系列工作由國家自然科學(xué)基金、中科院先導(dǎo)專項計劃、江蘇省自然科學(xué)基金、美國化學(xué)會石油研究基金會和蘇州納米科技協(xié)同創(chuàng)新中心提供資助。