[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

说明书

本发明属于仪器仪表技术领域，具体为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。本发明系统包括分立设备：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；本发明系统可同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；本发明可用于各类铁电材料的微结构和电性能的关联性研究工作中。

技术领域

本发明属于仪器仪表技术领域，具体涉及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。

背景技术

铁电材料兼有铁电性、压电性和热释电性，广泛应用于铁电存储、传感、换能、超声、红外成像等各领域。高性能铁电材料的开发一直是近年来研究的热点。铁电材料的微结构直接影响其铁电、压电性能。微结构常通过电子显微镜、原子力显微镜(AFM)等显微手段表征；铁电性由宏观的铁电滞回线表征；压电性则即可通过宏观也可通过微观手段表征，如通过宏观的准静态压电测试仪测试其正压电系数，通过AFM测定其逆压电系数，等。然而目前这些常见的铁电材料分析测试手段难以实现对铁电材料特定区域特征微结构及及其铁电、压电性的同时原位表征，也即无法准确判断特征微结构与铁电、压电性的关联性。尽管现有商业AFM设备已配置了压电力显微镜(PFM)模块，可允许微结构及铁电、压电性的同时表征。然而通常标准配置的PFM模块能提供的交流或直流电压最大幅值仅有10V，因而无法研究稍厚的铁电薄膜。如对于200nm厚的铁电聚偏二氟乙烯薄膜，其矫顽电压约为20V，PFM模块输出的10V电压无法导致铁电膜内偶极子反转，也即无法表征其铁电性。而且，PFM模块所测到的压电信号是经过系统内锁相放大器处理后的输出结果，仅能用于压电性能的定性研究；如果需要定量表征材料的压电性能，则需要进行复杂的定标操作。这些都限制了PFM模块在铁电材料及薄膜表征中的应用。因而，开发适用范围更广的、可用于各类铁电膜微结构及电性能(铁电、压电)联合表征分析的测试系统，对于进一步加深对铁电材料微结构和电性能的关联性的认识，进而指导新的铁电材料设计及开发具有重要意义。

本发明开发了一种基于原子力显微镜的铁电膜微结构及宏/微观铁电、压电性能的联合测试系统，经由该系统可实现对铁电膜特定微结构及对应铁电、压电性能关联性的原位分析。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够对铁电膜特定微结构及对应铁电、压电性能关联性进行原位分析的铁电膜宏/微观结构和电学性能联合测试系统。

本发明提供的铁电膜宏/微观结构和电学性能联合测试系统，是基于原子力显微镜技术的，该系统结构框架如图1所示，包括原子力显微镜、锁相放大器、交流信号源、直流信号源、加法电路、数据采集器、电脑等分立设备；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。

本发明联合测试系统中，由于不同的铁电材料具有不同的矫顽场且铁电试样厚度各异，应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。具体而言：

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。