铁电畴的扫描力显微镜检测方法研究

摘要

铁电畴的结构及其运动规律直接决定了铁电体的物理性质及其应用方向,电畴的检测是进行铁电特性研究的前提条件.现有的铁电畴检测手段,如偏光显微镜、粉末花样技术、扫描电镜、透射电镜、扫描电子声显微镜等存在这样或那样的缺点:诸如制样繁琐、易破坏原始畴结构、或畴结构成像分辨率还不够高等.扫描力显微镜(S FM)是源于原子力显微镜的一类与力作用技术相关的显微仪器总称.由于其操作简便、样品无需特别制备、能高灵敏度地探测探针-样品表面之间各种作用力,具有极高的成像分辨率,故自它诞生之日起即被各学科领域所关注.为了获得高分辨、简易和非破坏的铁电畴检测方法,SFM不失为一种有效的研究手段.该文利用电压调制SFM研究铁电畴的检测方法.探讨S FM检测电畴的不同机理和成像模式,从理论上分析了压电响应原子力显微镜(PFM)、扫描非线性介电显微镜(SNDM)和开尔文力显微镜(KFM)检测电畴的成像原理;实验研究了电压、作用力、探针等的改变对电畴成像的影响.针对给定的样品进行了仪器参数优化:当交流电压振幅V<,ac>≥3 V(小于反转电压),频率f=5~20kHz时使用导电微悬臂DF3-R能够得到PMN-PT铁电单晶的清晰电畴结构图像.在研究PFM检测电畴的过程中,为了减弱甚至消除静电力的干扰,对不同微悬臂、施加电压等因素逐一进行分析研究.结果表明,采用弹性系数较大的探针能够有效的减小静电力的干扰.采用改装的直流电源成功地对样品进行了反转,并利用PFM研究了铁电畴的极化反转.该工作的结果为今后研究铁电薄膜材料的电畴结构打下了基础,也为研究铁电块材的疲劳、极化弛豫等特性提供了有效手段.

目录

文摘

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第一章前言

1.1课题背景

1.2电畴结构现有的研究方法及存在的问题

1.2.1电畴结构现有观察技术

1.2.2传统电畴观察技术存在的问题

1.2.3 SFM电畴观察方法研究进展和有待解决的问题

1.3本论文的工作

第二章铁电畴及其检测原理

2.1铁电畴的形成机理

2.1.1铁电体的性质

2.1.2铁电畴的形成

2.1.3电畴的极化反转

2.2铁电畴的扫描力显微镜检测技术

2.2.1扫描力显微镜的原理

2.2.2压电响应原子力显微镜的电畴成像

2.2.3扫描非线性介电显微镜铁电畴成像

2.2.4开尔文力显微镜电畴成像

第三章实验仪器

3.1扫描与反馈控制电路系统

3.2锁相放大电路

3.3图像扫描控制与处理软件

第四章结果与讨论

4.1电压对电畴成像的影响

4.1.1有效电压影响

4.1.2交流电压实验

4.2导电探针与样品表面之间接触力的影响

4.2.1微悬臂的弹性系数

4.2.2力参数(Force Ref.)实验

4.3输入增益的调整

4.4 PFM和SNDM、KFM模式对比

4.5样品表面粗糙度的影响

4.6气氛对电畴成像的影响

4.7静电力对PFM电畴成像的影响

4.7.1静电力干扰机理分析

4.7.2静电力干扰的大小和排除方法

4.8电畴的极化反转

第五章结论

参考文献

致谢

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