[发明专利]一种计算多晶铁电材料畴区晶格取向和畴翻转角度的方法

说明书

本发明公开了一种计算多晶铁电材料畴区晶格取向和畴翻转角度的方法，按照如下步骤进行：用原子力显微镜获得2D PFM表征图像；通过公式对铁电材料压电位移进行理论计算；根据2D PFM图像处理确定翻转角度。本发明的优势为：能够通过一次测量获得铁电样品的畴区的晶格取向以及极化前后的极化方向。能获得多晶样品的畴区的晶格取向以及极化前后的极化方向。一般的3D畴表征需要获得90°旋转样品前后的PFM信号，通过本文提供的方法可以省去旋转样品的步骤，为观察到畴区随时间变化的弛豫过程提供了可能性。

技术领域：

本发明涉及铁电材料，属于机电转换的功能材料研究领域，特别涉及一种计算多晶铁电材料极化翻转角度以及晶向的方法。

背景技术：

铁电体是具有自发电极化的特殊材料。在现代功能器件的研发中，铁电材料由于同时具有铁电、压电、介电、热电、电光、非线性光学等特性，从而在航空航天、通信等领域拥有极其广泛的应用前景，诸如铁电存储器、热释电红外探测器、光波导、压控滤波器等。

铁电体的电极化是一种矢量物理量，其方向可以在外界电场作用下发生变化，这种现象被称为极化翻转，矢量变化角度被称为翻转角度。因此，确定和控制畴翻转角度对于磁电耦合设备和非挥发性信息存储具有重大的指导意义。

科研工作者就铁电畴翻转这一问题展开了系统研究。Kalinin通过ScanningSurface Potential Microscopy最早探测到了铁电材料的畴翻转。后来压电力显微镜(Piezoresponse Force Microscopy，PFM)技术被广泛应用于探测和表征铁电畴。对于外延的铁电薄膜而言，可根据材料的面外压电信号(VPFM)和面内压电信号(LPFM)得到极化方向，对比翻转前后的极化方向可以获得翻转角度。

外延铁电材料的翻转特性国际上研究的较多，而多晶铁电材料的晶粒是随机取向的，导致其畴区极化方向难以确定，因此相关研究很少。但相比于外延薄膜，多晶薄膜具有颗粒边界，对畴区应力束缚更小，即研究多晶铁电材料有助于揭示畴翻转的本质。为了细致研究多晶铁电材料的取向，亟需一种新的适用于多晶铁电材料的铁电极化方向的测试方法。

现有主流方案描述：对于某些已知晶格取向的铁电材料来说，可以通过组合一个面外方向的压电信号和样品90°旋转前后的两个面外方向的压电信号获得铁电材料的铁电畴取向。

这种旋转样品方法存在以下缺陷：

1旋转后针尖状态会相应改变，旋转前后信号需要额外校准；

2大多数扫描探针显微镜无法精确控制旋转精确度，造成后期合成3D畴图像困难；

3旋转样品后需要找到原位，操作复杂，消耗时间，难以观测畴区随时间的变化；

4当研究对象为多晶样品时，简单的旋转样品前后探测PFM图像并不能用来直接反应畴区的极化方向。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

发明内容：

本发明的目的在于提供一种技术方法，从而克服上述现有技术中的缺陷。

为实现上述目的，本发明提供了一种计算多晶铁电材料畴区晶格取向和畴翻转角度的方法，按照如下步骤进行：

步骤1，用原子力显微镜获得2D PFM表征图像；

步骤2，通过公式对铁电材料压电位移进行理论计算；

步骤3，根据2D PFM图像处理确定翻转角度。