基于pfm技术的压电材料纳米尺度压电系数定量分析

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1、学校代号10530学号201510131333分类号TB383密级硕士学位论文基于PFM技术的压电材料纳米尺度压电系数定量分析学位申请人朱荣科指导教师潘锴讲师学院名称材料科学与工程学院学科专业材料科学与工程研究方向微电子材料与器件工程二零一八年五月QuantitativelyAnalyzingNanoscalethePiezoelectricCoefficientsofPiezoelectricMaterialsUnderPFMMeasurementCandidateRongkeZhuSupervisorLecturerKaiPanCollegeSchoolofMaterialsSci

2、enceandEngineeringProgramMaterialsScienceandEngineeringSpecializationMicroelectronicMaterialsandDevicesEngineeringDegreeMasterofEngineeringUniversityXiangtanUniversityDateMay2018摘要压电材料因具有优异的力电耦合性能而广泛地应用于各类微电子器件和微机电系统。随着器件的日益微型化和多功能化，迫切需求在纳米尺度表征其力电耦合性能，为相关微纳米材料和器件的设计和优化提供重要指导。压电响应力显微技术(PFM)作为一种重要

3、的原子力显微技术，已经发展成为在纳米尺度无损表征压电、铁电材料的重要工具。压电性能是压电材料的一类重要的力电耦合性能，压电系数是衡量其压电性能优异的重要指标，然而目前基于PFM技术的压电系数定量分析仍然具有很大的困难。一方面，针对接触模式PFM技术，由于机械力和电载荷同时加载在导电探针上，导致探针与压电材料间的力电耦合交互作用变得相当复杂，致使很难从总的PFM位移响应中分离出真实的压电位移响应。另一方面，在实际PFM测试过程中，材料的力电耦合性能往往是未知的，需要从测得的信号响应中去进一步分析得到材料的各类本征属性，然而PFM测得的位移信号响应往往耦合了材料弹性、介电、压电性能，那么解

4、耦位移信号响应并定量分析压电材料压电系数极富挑战性。相关的研究内容和重要结论如下：(1)针对接触模式PFM技术，建立了一套力电全耦合理论。对横观各向同性压电材料，考虑三种典型的导电探针：圆柱形探针、锥形探针、球形探针，得到了压电材料内部电弹性场的分布。结果表明：圆柱形探针和球形探针的电场在接触边缘处存在奇异性，导致应力集中，而造成较大的应变；锥形探针在针尖尖端就出现了应力的高度集中和极大的应变；对比有限元结果发现，我们建立的全耦合理论结果与有限元结果、预设边界条件吻合，也验证了全耦合理论的准确性。(2)基于我们建立的全耦合理论框架，针对接触模式PFM技术，从位移信号响应中分离出了本征的

5、压电响应，进而确定其局域的有效压电系数。结果表明，接触模式PFM技术得到的有效压电系数不仅与加载的力、电载荷大小密切相关，而且还与测试条件—探针的几何形状有关，这说明电弹性场分布会影响本征压电响应。进一步研究发现有效压电系数还与铁电材料极化取向有关。(3)基于压电系数与位移和电势的非线性关系，探究各压电张量分量对面外位移和电势的贡献差异，从而选择出合适的测试条件。进一步构建合理的位移和电势优化函数，利用差分进化理论，采用两步优化方法，成功反演优化得到了压电材料的压电系数。反演优化过程中我们还具体研究了种群大小、迭代次数对压电系数优化均值，以及压电系数离散程度的影响。结果表明：压电系数e

6、31对位移的贡献非常小，从而提出了分步优化的方法，即第一步对位移优化得到准确的e和e，第二步对电势优化得到稳定的e。最终通过两步优化法，成功优化出331531了压电系数e31、e33、e15。关键词：压电响应力显微技术(PFM)；力电耦合；压电材料；压电系数，纳米尺度IAbstractPiezoelectricmaterialshavebeenwidelyusedinvariousmicroelectronicdevicesandmicroelectromechanicalsystemsduetotheirexcellentelectromechanicalproperties.How

7、ever,withtheincreasingdemandminiaturizationandmultifunctionofpiezoelectricmaterialsanddevices,itisurgenttocharacterizetheirelectromechanicalpropertiesatthenanoscaleandprovideimportantguidanceforthedesignandoptimizationofrela