材料表征教学资料 pfm cafm

1压电力显微吴迪南京大学材料科学与工程系压电效应电－力耦合(electromechanicalcoupling)2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。压电效应电－力耦合(electromechanicalcoupling)3晶体材料中，d33从～2pm/V(石英)到～500pm/V(PZT)。正压电效应：Charge＝Forced33逆压电效应：Strain＝Biasd33压电效应铁电材料中的电－力耦合4单畴铁电材料中应变对小的ac信号，取出应变的一次谐波有效压电系数d33-eff压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)PFM测量电压施加到样品表面时的力学响应5～pm量级的微小形变～fA量级的微弱电流～1-10nm的微小尺度导电的针尖nanoelectromechanicsBaTiO3:d33=80pm/V；相当于10V产生0.8nm的形变，很难测量压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)verticalPFM：normaldisplacement6在导电针尖上施加交流电压由于纵向压电效应，样品发生纵向形变，导致悬臂梁形变如果频率远低于共振频率振动的振幅正比于d33的大小相位对应样品中的极化方向，反向电畴相位相差

d33-d33biasoffbiason压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)verticalPFM7正畴：位移和电压同位相，＝0负畴：位移和电压相位相相反，＝压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)偏压与测量8conventional:switch-and-imagetestingstroboscopic:time-dependenttestingspectroscopic:step-biastestingspectroscopic:pulse-biasedtesting压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)偏压与测量9conventional:switch-and-imagetesting-5.0Vdomainpatterning5.0V-5.0VPFMphaseimage压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)偏压与测量10stroboscopic:time-dependenttesting压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)偏压与测量11spectroscopic:steporpulse?step模式下静电项使回线变形，Vk使回线平移压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)lateralPFM:sheardisplacement12畴控制测量压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)3DPFM13压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)晶体取向14四方结构压电晶体，如BaTiO3，电场与c轴平行，形变最大，与c轴垂直，形变为0。压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)晶体取向15四方结构(4mm)verticalPFMlateralPFM(x)lateralPFM(y)旋转900verticalPFMlateralPFM(x)lateralPFM(y)压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)晶体取向16因此，从压电响应可以测量晶体学取向！压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)测量方式17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，不受控制压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)测量方式18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压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)回线19压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)针尖电压写畴20微区铁电畴操纵压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)压电力显微测量的困难21需要高电压压电性较强的材料，PZTd33~500pm/V,10V电压引起50pm形变形变探测极限：~50pm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:2－3pm/V;LiNbO3:10pm/V;BiFeO3:1-10pm/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！压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)压电力显微测量的困难22接触共振的稳定性阻尼较小(Q>10)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10－100压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)压电力显微测量的困难23接触共振的稳定性压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)压电力显微测量的困难24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，应当远离共振频率压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)压电力显微测量的困难25接触共振的稳定性接触式测量，针尖磨损改变共振频率压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)压电力显微测量的困难26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压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)压电力显微测量的困难27DualACResonanceTracking

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Nanotechnology18,475504(2007)压电力显微(piezoelectricforcemicroscopy)压电力显微测量的困难28DualACResonanceTracking

frequencyphaseamplitudenativepre-existtip-writtenConductive-AFM导电针尖作为电极，map表面的电流分布29phaseamplitudec