[发明专利]一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统及方法

说明书

技术领域

本发明涉及固态电介质应用技术领域，尤其涉及一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统及方法。

背景技术

铁电薄膜由于其具有优越的铁电性、介电性、压电性、电光效应和热释电效应等性能，被广泛应用于各类电子元器件中。作为铁电薄膜各种物理过程和现象的基础，铁电畴取向直接决定或影响着它的性能和应用。例如，面外畴在外加电场作用下的反转，分别对应于二进制存储中的“0”和“1”，以致铁电薄膜被广泛应用于存储器件。而面内畴在外加面内电场作用下的翻转可改变铁电薄膜的电光系数，与此同时，不同的面内电场的方向会引起该系数的变化，由此可见，铁电薄膜在光电子器件中也有重要的作用。因此，探测铁电薄膜的畴取向具有非常重大的意义。

目前，商业用的铁电薄膜畴取向的测试方法主要是：压电响应力显微镜(PFM)和透射电子显微镜(TEM)，然而这些方法都或多或少存在一些缺陷。PFM探测铁电薄膜畴结构主要是利用样品在探针电压下的逆压电效应。然而，研究发现，探针与样品之间的相互作用不仅包含机电作用，同时也有静电作用，这就使得驱动电压、频率，加载力，悬臂力常数，探针端部半径等条件会干扰PFM测试结果。于此同时，PFM探测铁电薄膜面内畴时，外加电压平行与样品表面，以致该PFM信号来源于样品面内形变引起悬臂梁扭动，该信号比较微弱，从而使得面内畴的测试变得困难。最后，PFM的测试是通过探针一帧一帧的扫描而实现，这也就导致PFM的扫描速度慢等问题。而利用TEM测试铁电薄膜的畴取向时，需经过一个相当复杂的制样环节，以致该样品不能再继续使用，同时制样水平的高低直接影响到测试结果好坏，可见TEM的测试准备工作比较耗时。

综上，发展一种非接触、灵敏度高、高效和非破坏性的铁电薄膜畴取向的测量系统及方法，对于促进铁电材料的应用和发展具有重大的科学意义和商业价值。

发明内容

本发明的目的在于针对目前铁电薄膜畴取向测试技术的测试环境敏感，速度慢，面内畴测试困难以及工艺复杂的问题，提出一种能适应各种情况，非接触、非破坏、而且测量精度高、测试速度快的铁电薄膜畴取向的测试系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统及方法，具体为利用光学二次谐波探测技术，建立铁电薄膜畴取向的测试系统，它的测试原理为：一束激光经过二分之一波片后聚焦到铁电薄膜上，其发生二阶非线性光学效应并产生二次谐波，该二次谐波经过格兰棱镜后被探测；二次谐波只产生于非对称的材料中，铁电材料由于其具有自发极化是一种很典型的非对称材料体系；二次谐波与铁电薄膜的畴取向具有很大联系，该系统分为改变入射光偏振和旋转样品两种情况，相应测量这两种情况下样品产生的不同偏振的二次谐波，进而计算样品的畴取向及各个畴所占的比例。

本发明的利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统，包括透射测试系统和反射测试系统，所述透射测试系统包括激光发射模块、待测样品安装模块和透射激光接收模块，所述反射测试系统包括激光发射模块、待测样品安装模块和反射激光接收模块；

所述激光发射模块，用于发射入射激光、调整入射激光的偏振并将该入射激光聚焦到所述待测样品上；

所述待测样品安装模块，用于安装待测样品并旋转样品角度；

所述透射激光接收模块，用于聚焦所述待测样品经入射激光照射后产生的二次谐波、控制该二次谐波的偏振并测量该二次谐波的强度；

所述反射激光接收模块，用于反射和聚焦所述待测样品经入射激光照射后产生的二次谐波、控制该二次谐波的偏振和测量该二次谐波的强度。

进一步地，所述激光发射模块包括依次顺序设置的飞秒激光器、二分之一波片和第一透镜；所述飞秒激光器用于发射入射激光，所述二分之一波片与一运动控制器相连，用于调整入射激光的偏振，所述第一透镜用于将入射激光聚焦到所述待测样品安装模块上安装的所述待测样品上；所述飞秒激光器和所述二分之一波片之间还设置有斩波器，所述二分之一波片与所述第一透镜之间还设置有长波通滤波片。

进一步地，所述透射激光接收模块包括依次顺序设置的第二透镜、格兰棱镜和PMT光电探测器，所述第二透镜用于将二次谐波聚焦到所述PMT光电探测器上，所述格兰棱镜与一运动控制器相连，用于控制被探测到的二次谐波的偏振类型为p偏振或s偏振，所述PMT光电探测器用于测量二次谐波的响应强度；所述第二透镜与所述待测样品安装模块之间还设置有带通滤波片，所述带通滤波片用于过滤所述二次谐波中混杂的基频光。