材料表征教学资料 pfm cafm

1、精选ppt1压电力显微吴迪南京大学材料科学与工程系-精选ppt2压电效应n 电力耦合电力耦合 (electromechanical coupling)F= 2qEexDl=dEexl=Fk=2qkEexDll=dEexl=1Aeq3 . 0=k=100N/md=9.6pC/N=9.6pm/V电力耦合是极性键合的结果，只要晶体的对称性允许。界面、表面和低维材料中由于对称破缺可能产生不同寻常的电力耦合。-精选ppt3压电效应n 电力耦合电力耦合 (electromechanical coupling)晶体材料中，d33从2 pm/V(石英)到500 pm/V(PZT)。正压电效应：ChargeFo

2、rced33逆压电效应：StrainBiasd33-精选ppt4压电效应n 铁电材料中的电力耦合铁电材料中的电力耦合单畴铁电材料中应变S=QP2(E)=QPs+Pind(E)2=QPs2+2Qe0ePsE+QPind2E=Edc+Eaccoswt对小的ac信号，取出应变的一次谐波S1w=2Qe0ePsEaccoswt有效压电系数d33-effd33(Edc)=2Qe0e(Edc)P(Edc)-精选ppt5压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n PFMPFM测量电压施加到样品表面时的力学响应测量电压施加到样品表面时的力学响应pm量级的微小形变fA量级的微弱

3、电流1-10nm的微小尺度导电的针尖nanoelectromechanicsBaTiO3: d33=80 pm/V；相当于10 V产生0.8 nm的形变，很难测量-精选ppt6压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n vertical PFM：normal displacement在导电针尖上施加交流电压)cos( tVVVacdctipw+=由于纵向压电效应，样品发生纵向形变，导致悬臂梁形变)cos(),(0ww+=tVVAzzacdc如果频率远低于共振频率)cos(3333w+=tVdVdzacdc振动的振幅正比于d33的大小相位对应样品中的极化方向，

4、反向电畴相位相差d33-d33bias offbias on-精选ppt7压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n vertical PFM)cos(33tVdzacw=正畴：位移和电压同位相，0负畴：位移和电压相位相相反， )cos()cos(3333ww=tVdtVdzacac-精选ppt8压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 偏压与测量偏压与测量conventional: switch-and-image testingstroboscopic: time-dependent testingspectrosc

5、opic: step-bias testingspectroscopic: pulse-biased testing -精选ppt9压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 偏压与测量偏压与测量conventional: switch-and-image testing-5.0 Vdomain patterning5.0 V-5.0 VPFM phase image-精选ppt10压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 偏压与测量偏压与测量stroboscopic: time-dependent testing-精选

6、ppt11压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 偏压与测量偏压与测量spectroscopic: step or pulse?Acos=KkleverCz(Vdc+Vk)d33Vacstepstep模式下静电项使回线变形，模式下静电项使回线变形，V Vk k使回线平移使回线平移-精选ppt12压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n lateral PFM: shear displacementV=Vdc+Vaccoswt畴控制测量-精选ppt13压电力显微 (piezoelectric force microsc

7、opy)n 3D PFM-精选ppt14压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 晶体取向晶体取向四方结构压电晶体，如BaTiO3，电场与c轴平行，形变最大，与c轴垂直，形变为0。-精选ppt15压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 晶体取向晶体取向四方结构四方结构 (4mm)00000000000003331311515dddddvertical PFMlateral PFM (x)lateral PFM (y)00000000000001531333115ddddd旋转旋转900vertical PFMlate

8、ral PFM (x)lateral PFM (y)-精选ppt16压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 晶体取向晶体取向33323115coscossin)(ddddeff+=因此，从压电响应可以测量晶体学取向！-精选ppt17压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 测量方式测量方式在顶电极上测量，激发是global的，测量是local的 测量对针尖不敏感 分辨率受膜厚和电极厚度限制 成核位置是本征的，不受控制-精选ppt18压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 测量方

9、式测量方式在薄膜上直接测量，激发是local的，测量也是local的 测量对针尖非常敏感 分辨率受针尖形状和接触的限制 在针尖下成核-精选ppt19压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 回线回线-精选ppt20压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 针尖电压写畴针尖电压写畴微区铁电畴操纵-精选ppt21压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 压电力显微测量的困难压电力显微测量的困难需要高电压压电性较强的材料，PZT d33 500 pm/V, 10 V电压引起50 pm形变

10、形变探测极限： 50 pm对压电性较弱的材料，必须使用高电压或接触共振对大多数材料，压电系数很小，石英: 23 pm/V; LiNbO3: 10 pm/V; BiFeO3: 1-10 pm/V材料的矫顽场和绝缘性有限，太高的电压是不现实的！事实上，大多数薄膜测量需在mV的驱动电压下进行！-精选ppt22压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 压电力显微测量的困难压电力显微测量的困难接触共振的稳定性阻尼较小(Q10)时品质因子Q代表了共振的能量耗散在共振频率下，即振幅被放大Q倍在空气中，一般悬臂梁的Q值在10100-精选ppt23压电力显微 (piezoe

11、lectric force microscopy)n 压电力显微测量的困难压电力显微测量的困难接触共振的稳定性-精选ppt24压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 压电力显微测量的困难压电力显微测量的困难接触共振的稳定性共振频率决定于tip-sample接触k值，随形貌起伏而变化！在粗糙表面测量，应当远离共振频率-精选ppt25压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 压电力显微测量的困难压电力显微测量的困难接触共振的稳定性接触式测量，针尖磨损改变共振频率-精选ppt26压电力显微 (piezoelectric f

12、orce microscopy)n 压电力显微测量的困难压电力显微测量的困难接触共振的稳定性普通的锁相环使用固定的驱动频率和振幅，不能使悬臂保持在共振频率反相铁电畴上的共振-精选ppt27压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 压电力显微测量的困难压电力显微测量的困难Dual AC Resonance Tracking 针尖施加两个交流信号用两个独立的锁相放大器测量两个频率下的振幅通过振幅的改变追踪共振频率Nanotechnology 18, 475504 (2007)-精选ppt28压电力显微 (piezoelectric force microscopy)n 压电力显微测量的困难压电力显微测量的困难Dual AC Resonance Tracking frequencyphaseamplitudenativepre-existtip-written-精选ppt29Conductive-AFMn 导电针尖作为电极，导电针尖作为电极，map表面的电流分布表面的电流分布phaseamplitudecu