[发明专利]一种铁电膜宏/微观结构与电学性能联合测试系统

权利要求书

1.一种基于原子力显微镜的铁电膜宏/微观结构和电学性能联合测试系统，其特征在于，包括分立设备：原子力显微镜、锁相放大器、交流信号源、直流信号源、加法电路、数据采集器、电脑；铁电膜上下表面镀有电极，构成顶电极和底电极；系统可实现对铁电膜宏/微观结构、铁电和压电性能的同时原位测试分析；其中：

交流信号源、直流信号源用于给铁电膜施加驱动电压；经由数据采集器对分压电阻上压降的监测，定量确定铁电膜宏观铁电性；经由原子力显微镜确定铁电膜表面微结构；经由原子力显微镜探针探测铁电膜表面在外加交流激励电压下诱导的表面振动，定量确定其微观压电性；交流激励电压诱导的表面振动信号经锁相放大器分析，获得铁电膜微观铁电性。

2.根据权利要求1所述的联合测试系统，其特征在于，根据铁电试样材料的差异以及膜厚的差异，合理设置交/直流信号源所输出电压信号的幅值和频率：

对于铁电性测试，所施加电压的幅值超过材料的矫顽电压，以便促使铁电膜内电偶极子的取向排列；

对于铁电性测试，所施加电压的幅值应超过材料的矫顽电压，以便促使铁电膜内电偶极子的取向排列；

对于压电性能测试，应先施加超过材料矫顽电压的极化电压，让试样处于特定极化态，随后再进行压电性测试；

对于微观压电测试，所施加交流激励电压的幅值应小于试样的矫顽电压，以免压电测试时的交流电压改变试样现有的极化状态。

3.根据权利要求2所述的联合测试系统，其特征在于，顶电极厚度小于50nm。

4.根据权利要求1、2或3所述的联合测试系统，其特征在于，同时进行测试分析内容包括：铁电膜微结构成像，宏观铁电性能测试分析，微观铁电性能测试分析，微观压电性能测试分析；其中：

（1）铁电膜微结构成像：商业原子力显微镜的探针以接触模式或是动态力模式的工作模式成像，获得铁电膜表面特定区域微结构的三维信息，结果最终由电脑记录并输出；

（2）宏观铁电性能测试分析：交流信号源输出特定频率和振幅的交流驱动电压，经加法电路处理后施加于铁电膜的顶电极；该外加交流电压的幅值大于待测铁电膜的矫顽电压，以便实现铁电膜内电偶极子的反转；铁电膜底电极经过一分压电阻后接地；分压电阻阻值介于100kΩ到1GΩ之间；在交流电压施加过程中，数据采集器采集分压电阻上的电压信号V，由欧姆定律，铁电反转电流I表示为：I=V/R；电流I对时间积分，即得到铁电膜极化强度P；为了便于获得准确的极化强度-驱动电压(P-V)电滞回线，交流信号源所输出的交流驱动电压信号也一并由数据采集器采集；最终数据由电脑记录分析；由P-V电滞回线，定量获得铁电膜宏观的剩余极化强度、矫顽电压、矫顽场信息；

（3）微观铁电性能测试分析：交流信号源与直流信号源同时输出，经由加法电路叠加后生成带有直流偏置的交流驱动电压，其中直流偏压Vdc用于调控铁电膜的电偶极子取向状态，交流电压Vac用于在该极化态下驱动铁电膜表面产生与交流信号同频率的振动；该驱动电压施加于铁电膜的顶电极；原子力显微镜工作在接触或是动态力工作模式下，铁电膜表面的振动信号由原子力显微镜探针采集，经由原子力显微镜系统传送至锁相放大器；如果原子力显微镜工作在动态力模式，所选用的探针的共振频率高于50kHz，同时所施加的交流驱动电压的频率小于1kHz，以确保足够的信号采集精度；与此同时，驱动铁电膜振动的交流电压信号也输入到锁相放大器的参考端；锁相放大器比较参考信号和铁电膜表面振动信号，其输出电压幅值A_lockin及相位信息Φ_lockin，可反映铁电膜微观区域极化态及压电性的相对大小，由此获得微观尺度下的A_lockin-Vdc和Φ_lockin-Vdc滞回线，并确定铁电膜矫顽电压及矫顽场；

（4）微观压电性能测试分析：直流信号源经由加法电路后施加于铁电膜顶电极，使铁电膜处于特定极化态；随后交流信号源经由加法电路后施加于铁电膜顶电极，驱动铁电膜在该极化态下振动，表面振动信号由原子力显微镜探针采集，并最终送于电脑记录分析；原子力显微镜工作于接触或是动态力成像模式；如果原子力显微镜工作在动态力模式，所选用的探针的共振频率高于50kHz，同时所施加的交流驱动电压的频率小于1kHz，以确保足够的信号采集精度；根据所探测到的膜表面振动振幅A与对应的交流驱动幅值Vac，可定量获得铁电膜的逆压电系数d₃₃=A/Vac。