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        1. 壓電響應力顯微鏡

          ? ? ? ?壓電響應力顯微鏡(Piezoresponse Force Microscopy,PFM)簡稱壓電力顯微鏡,是檢測鐵電樣品微區壓電性能的一種新技術。

          ? ? ? ?鐵電材料是一類以機電能量轉換為主要特征兼具多重物理效應的功能材料,其壓電效應、熱釋電效應等已在微電子、光電子和微機電系統等高新技術領域得到了廣泛的應用, 成為非常重要的基礎性材料。

          ? ? ? ?近年來,基于原子力顯微鏡(Atomic Force Microscopy,AFM)、掃描探針顯微鏡(Scanning Probe ?Microscopy,SPM)的各種表征新技術發展非常迅速, 適應了當今材料和器件進行非破壞性、亞表面和微區表征的要求,其中壓電響應應力顯微術不僅克服了以往疇結構觀察技術的缺點與不足,實現了對表面形貌和相應區域納米尺度三維疇結構的同步成像,并在疇結構控制操作、外場下的疇結構動態研究以及對微區的鐵電、壓電等物理性能成像和定量化表征方面都顯示出了獨特的優點。

          ? ? ? ?壓電響應力顯微鏡是原子力顯微鏡的一種功能擴展,它在基于原子力顯微鏡的接觸模式基礎上,利用導電探針對樣品施加可控的電場,并從探針處接收樣品對該電場的響應。由于原子力探針的針尖只有10nm量級的尺度,因此,不但施加在樣品表面的電場是高度局域的,從探針處得到的樣品對該電場的響應也是高度局域的,這就使得壓電響應力顯微鏡具有納米級的空間分辨能力,克服了以往疇結構觀察技術的缺點與不足,實現了對表面三維形貌和相應區域納米尺度疇結構的同步成像。

          ? ? ? ?本原納米儀器的壓電響應力顯微鏡原理如下圖所示:

          壓電響應力顯微鏡PFM/原子力顯微鏡AFM原理圖

          ? ? ? ?在硬件上,壓電力顯微鏡實際上是在原子力顯微鏡基礎上,將其基本信號開放出來,利用鎖相放大技術,通過導電探針對樣品施加高頻的交變電場,此交變電場將引起鐵電樣品幾何尺度產生相應周期變化,原子力探針對樣品表面進行掃描檢測,探針形變的低頻部分是由樣品表面的起伏引起的,代表了樣品的表面形貌;而與交變電場同頻率的探針法向和切向運動的高頻信號的幅值和相位變化,則代表了樣品對應區域的平面外(即與樣品表面垂直)和平面內(即與樣品表面平行)的疇圖像,這在量化的角度上分別與壓電系數d33和d31相關。? ? ? ?

          ? ? ? ?利用壓電響應力顯微鏡可以在納米尺度上得到樣品的鐵電疇微觀結構和空間分布,例如可以檢測鐵電材料的表面形貌和原位壓電性質,也即是說,利用壓電力顯微鏡對鐵電材料進行檢測,一次掃描就可同時得到樣品的表面三維形貌圖和對應的原位鐵電疇結構圖,如果對儀器進行標定,甚至可以對材料進行微區壓電系數(一般指d33)進行定量測量。

          標準樣品的壓電響應力顯微鏡PFM測試結果

          本原壓電響應力標準樣品(條紋極化的LiNiO3)的測試結果(83um)

          左:形貌圖,右:壓電疇分布圖

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