针对pfm技术之铁电材料纳米尺度力电耦合概述

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1、针对PFM技术之铁电材料纳米尺度力电耦合概述第1章绪论1.1压电、铁电材料及其应用压电、铁电材料是一类非常重要的功能材料，因其所具有的压电、铁电、热释电，以及非线性光学等性能，其应用已广泛的渗透至国防工业、民用工业，乃至日常生活中的各种领域，包括微电子器件、固态存储、红外探测、超声和显示器件等[1-5]。压电、铁电材料的晶体结构由于不具有对称中心，因而内部正负电荷中心不重合，而存在自发极化。这一极化可能在机械力、电场、温度场、光等外加载荷作用下发生变化，使得其具有压电、铁电、热释电，以及非线性光学等性能[6,7]。压电材料是一类特殊的介电材料，能实现力-电间的相互转换，这主要是因为其具有压

2、电性[1,8]。如图1.1所示，沿某一方向对压电材料施加机械力，引起内部正负电荷发生位移，从而在压电材料两侧表面出现符号相反的束缚电荷，而且束缚电荷密度与所加的机械力成正比；压电材料的这一性质称为正压电性。反之，压电材料在外加电场作用下，正负电荷发生位移引起晶格畸变，在宏观上表现为材料发生几何形变，这一特性则称为逆压电效应。值得注意的是材料变形并不能引起正负电荷的相对位移变化，因而压电效应只存在于本身不具备中心对称性的介电材料。.1.2压电响应力显微技术(PFM)力电耦合现象在自然界中普遍存在，包括无机压电材料、铁电聚合物、分子晶体，以及生物分子和组织[29-36]。Guthner和Dra

3、nsfeld最早基于力电耦合作用，在扫描探针与底电极间施加直流电压，对铁电聚合物(PVDF-TrFE)在微米尺度区域进行局部极化，并加载交变电压测试极化区域的压电响应[37]。Gruverman等进一步采用该技术研究PZT薄膜中的纳米尺度畴翻转和成像[38]。经历了十几年的发展，压电向应力显微技术(PiezoresponseForceMicroscopy，简称PFM)目前已经成为在纳米尺度无损表征压电、铁电等极性材料的重要工具[39]。同时PFM技术也由只是测试面外位移响应的VPFM技术[40]，发展到了研究面内位移分量的LPFM技术[41]，进而发展成为三维极化重构的三维PFM技术[42

4、]。压电响应力显微技术主要部件包括导电探针、函数发生器、四象光探测器，以及锁相放大器，如图1.5所示。PFM工作的基本原理是由函数发生器产生的周期性交变电压Vtip=V0+Vaccos(ωt)加载在导电探针上，此时导电探针相当于活动电极。压电样品在外电场作用下，由于逆压电效应发生表面形变，从而引起悬臂发生挠动Atip=A0+A1ωcos(ωt+φ)。这一振动通过激光反射到四象光探测器接收并记录，其中一阶谐振信号对应于压电材料的压电响应。最后信号通过锁相放大器输出。PFM输出的信号包括振幅信号A=A1ω/Vac和相位信号φ，其中

5、振幅信号对应针尖-材料间相互作用力的大小，取决于样品压电系数，而相位信号则取决于材料内部极化取向。例如，对于c+畴其极化取向垂直于材料表面向下，因而相位φ=0；对于c-畴（极化取向与c+畴相反），对应的相位φ=180°。测试过程中通过反馈信号调控探针-样品间的距离，确保两者间的相互作用力为恒定值，这样反馈信号对应于样品的表面形貌[43]。如图1.6所示，由于PFM测试过程中探针作为活动电极，不同于平行板电极，这使针尖-样品间的作用力可能沿空间的各个方向，导致材料变形也可能沿各个不同方向。平行于三个坐轴方向的力Fd，Ft，Fb分别引起悬臂挠度、扭转、翘曲变形。悬臂的挠

6、度对应于PFM记录的面外(平行于z轴)压电响应，我们称之为垂直PFM(VPFM)，其信号对应于四象光二极管(a+b)-(c+d)；扭转变形则对应于面内(x-y平面)的压电响应，我们称之为面内PFM(LPFM)，其信号对应(a+c)-(b+d)。第2章导电针尖与样品间电弹性场分析2.1引言关于压电材料力电耦合的分析，目前已有了大量的研究，例如针对无限大压电体或半无限大压电体的分析，由点力或点电荷引起的力电耦合响应分析[73-76]，半空间压电材料的压痕分析[77-80]等。PFM技术测试压电材料时，导电探针作为活动电极，因而分析针尖与压电材料内部的电弹性场，实际是包含边界条件的力电耦合问题。

7、但是基于PFM技术的电弹性场分析相当困难，尤其是在给定测试条件下，同时确定整个空间，包括空气与压电半空间中的电弹性场。分析困难的主要原因有以下两个方面：一方面，因为导电探针引起的电场呈现高度非均匀分布；另一方面因为涉及压电材料的力电耦合，以及压电样品和测试空间(如，空气)的复杂耦合。针对导电SPM探针与测试压电样品间的力电交互作用，目前已有大量的研究分析，但是仍未完备。其中绝大多数的理论分析都是基于解耦方法，即把各向同性