台阶仪测试原理及应用 | 半导体ZnO薄膜厚度测量及SERS性能研究

 

表面增强拉曼散射SERS技术在痕量检测中具有独特优势，但其性能依赖于活性基底的形貌精度。ZnO作为一种新型半导体薄膜材料，因其本征微米级表面粗糙度通过在其表面覆盖一层贵金属Au，能够大大地提升SERS活性。而ZnO膜厚直接影响Au纳米颗粒的分布与"热点"形成。Flexfilm费曼仪器提供精准的膜厚测试，其中Flexfilm探针式台阶仪覆盖纳米至微米级薄膜的精准检测需求。本文利用探针式台阶仪精确控制ZnO膜厚，研究其对SERS性能的调控机制。

ZnO/Au复合薄膜基底制作流程

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台阶仪测量原理

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台阶仪，又称探针式轮廓仪，其工作原理是通过一个极其精细的探针在样品表面进行轻微的接触式划动。当探针划过样品表面的台阶时，其垂直方向上的位移变化会被高灵敏度的传感器捕捉，并将这种机械位移转化为电信号。信号经过放大和处理后，便可精确地计算出台阶的高度，即薄膜的厚度。

在该研究中，研究人员在ZnO薄膜样品上预先制造出清晰的台阶边缘，以便台阶仪的探针能够从基底划到薄膜表面，从而测量两者之间的高度差。

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测量结果与分析

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ZnO/Au复合薄膜台阶仪测试结果

根据台阶仪测试结果，曲线的变化直观地反映了薄膜表面与衬底之间的高度差。具体数据显示：

台阶仪测试数据表

左侧高度：平均值为16.8Å

右侧高度：平均值为-487.2Å

台阶高度：通过计算右侧高度与左侧高度的差值得出，约为-504.0Å。

这个测量结果表明，所制备的ZnO薄膜厚度接近 500 Å ，即50nm。这一精确的厚度数据与通过其他表征手段观察到的薄膜形貌和均匀性，共同验证了实验制备方法的成功，即成功制备了厚度均匀、致密的ZnO薄膜。

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复合薄膜SERS性能

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ZnO与４种不同浓度的Au纳米颗粒的复合薄膜检测RhB的拉曼谱图

对比不同Au浓度的增强效果发现，3g・L⁻¹时拉曼信号最强，增强效果最佳；浓度过高（4g・L⁻¹、5g・L⁻¹）或过低时，增强效果均有所减弱。与10⁻⁹M罗丹明B的拉曼信号相比，本实验中3g・L⁻¹Au浓度的复合薄膜增强效果更显著，特征峰尖锐，进一步验证了该浓度下复合薄膜的优异SERS性能。

薄膜的厚度是影响其物理和化学性质的关键因素之一。在本研究中，精确测定ZnO薄膜的厚度至关重要，因为它直接关系到后续沉积的金Au纳米颗粒的分布状态，并最终影响整个ZnO/Au复合薄膜的表面增强拉曼散射（SERS）效应。通过台阶仪获得的精确厚度数据，为深入理解复合薄膜的结构与性能之间的构效关系奠定了坚实的基础。

Flexfilm探针式台阶仪

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在半导体、光伏、LED、MEMS器件、材料等领域，表面台阶高度、膜厚的准确测量具有十分重要的价值，尤其是台阶高度是一个重要的参数，对各种薄膜台阶参数的精确、快速测定和控制，是保证材料质量、提高生产效率的重要手段。

• 配备500W像素高分辨率彩色摄像机
• 亚埃级分辨率，台阶高度重复性1nm
• 360°旋转θ平台结合Z轴升降平台
• 超微力恒力传感器保证无接触损伤精准测量

Flexfilm费曼仪器作为国内领先的薄膜厚度测量技术解决方案提供商，研发的Flexfilm探针式台阶仪可以准确测量ZnO薄膜的表面台阶高度、膜厚，为半导体复合薄膜的形貌精度与性能关联研究提供了不可替代的计量支撑。

原文参考：《ZnO/Au复合薄膜的制备及SERS性能的研究》

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