多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置

摘要

本发明的一种多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置，包括：用于对被测多铁性材料进行多铁性畴结构的原位激发以使该被测多铁性材料的激励点产生畴结构成像信号的原子力显微镜原位激励平台；对所述畴结构成像信号进行原位实时检测和数据处理并实时显示所述多铁性畴结构的原位成像表征结果的原位检测平台。采用本发明，能够有效进行多铁性材料纳米尺度铁电畴、铁磁畴的原位、无损、实时、动态、集成表征。

说明书

技术领域

本发明属于仪器研制领域，具体地，涉及一种多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置。

背景技术

多铁性材料是指在一定温度下同时存在铁电性、铁磁性和铁弹性中两种或者两种以上有序态的一类化合物。其中，最有研究意义和使用价值的是同时具有铁电性和铁磁性的多铁性材料。

这两种有序态的同时存在会使材料体系产生独特的磁电耦合效应，使多铁性材料具有丰富的物理性质。同时，两种有序子系统在体系内部引起的自发磁电耦合效应使得材料能够通过电场来控制其自发磁化，通过磁场来控制其自发极化，从而具有巨大的应用前景。

而兼具铁电性和铁磁性的功能材料在信息存储、微波领域、高压输电线路电流测量、多功能电子设备等多方面都有很大的发展潜力。由于多铁性材料蕴含着丰富的材料科学与物理研究课题、以及可预期的广阔应用前景，近年来引起了国内外广大科学工作者的密切关注，是当前无机材料学界最为活跃的研究领域之一，而纳米尺度多铁性能的测量和表征亦日益成为该领域急需解决的挑战性课题。

包括（铁）电畴与（铁）磁畴等的畴结构是多铁性材料中重要的微观结构，是多铁性材料宏观物理现象和物理性能的基础，电畴和磁畴结构的原位观察对研究磁电耦合效应意义重大。

目前铁电畴与铁磁畴的表征方法具有如下局限性：铁电畴、铁磁畴结构的表征是采用多套分立装置完成的，无法达到实时、同步检测。因此，多铁性材料的畴结构的传统表征方法难以实现多铁性材料纳米尺度电畴、磁畴的原位、实时、集成表征。

针对以上局限性，本发明希望建立能实现多铁性材料纳米尺度电畴、磁畴的原位、无损、实时、动态、定量表征的表征装置，以满足当前迅猛发展的多铁性材料表征之急需。

发明内容

鉴于以上所述，本发明所要解决的技术问题在于提供一种多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置，能够有效进行多铁性材料纳米尺度铁电畴、铁磁畴的原位、无损、实时、动态、集成表征。

为了解决上述技术问题，本发明的一种多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置，包括：用于对被测多铁性材料进行多铁性畴结构的原位激发以使该被测多铁性材料的激励点产生畴结构成像信号的原子力显微镜原位激励平台；对所述畴结构成像信号进行原位实时检测和数据处理并实时显示所述多铁性畴结构的原位成像表征结果的原位检测平台。

根据本发明，通过设置原子力显微镜原位激励平台，提供纳米尺度电畴、磁畴激发所需的基本硬件平台，并实现原位激发多铁性材料纳米尺度多铁性畴结构（铁电畴、铁磁畴）的成像信号；并通过设置原位检测平台，用于实现多铁性材料纳米尺度畴结构的原位实时检测及数据处理，实时显示畴结构的成像表征结果。

本发明将原子力显微镜（AFM）纳米检测功能与畴结构成像信号激励相结合，基于商用AFM纳米检测平台，建立起兼具纳米级畴结构成像信号激励与检测特性的纳米原位评价技术，有效解决了多铁性材料纳米尺度畴结构原位表征这一关键技术难点。本发明的表征装置不仅具有纳米尺度多铁性畴结构原位激发、原位同步表征的独特功能，而且具有高分辨率、高灵敏度、高信噪比等优点。且本发明的表征装置结构简单、兼容性强、适用于与不同商用AFM相结合，是一项易于推广和应用的新技术，且拓展了现有商用原子力显微镜所不具有的纳米多铁性材料物性评价功能，为深入研究纳米多铁性材料的磁电耦合机制以及纳米多铁性材料与器件的深入发展提供了重要的原位、纳米尺度表征装置。

又，在本发明中，也可以是，所述原子力显微镜原位激励平台包括：具备载置所述被测多铁性材料的磁性底座的原子力显微镜平台；用于对所述被测多铁性材料进行扫描以检测其激励点所产生的所述畴结构成像信号的探针；用于产生分别施加于所述磁性底座及探针上以进行所述原位激发的激励信号的信号发生单元；用于将从所述探针检测到的所述畴结构成像信号发送至所述原位检测平台的信号输出单元。

根据本发明，可以使原子力显微镜原位激励平台有效地实现对被测多铁性材料进行多铁性畴结构的原位激发以使该被测多铁性材料的激励点产生畴结构成像信号，并将该畴结构成像信号输出至原位检测平台。

又，在本发明中，也可以是，所述原子力显微镜原位激励平台还包括：将所述探针的扫描模式在接触式扫描模式与非接触式扫描模式之间进行切换的切换模块。

根据本发明，可以通过切换模块使探针的扫描模式在电畴成像过程中的接触式扫描模式与磁畴成像过程中的非接触式扫描模式之间进行直接、实时切换，提高了本发明的表征装置的可靠性，保证了扫描定位的准确性，实现了多铁性畴结构的原位成像。

又，在本发明中，也可以是，所述切换模块包括：用于在电畴成像过程中开启所述接触式扫描模式而在磁畴成像过程中关闭所述接触式扫描模式的接触式扫描开关控制单元；和用于在所述磁畴成像过程中开启所述非接触式扫描模式而在所述电畴成像过程中关闭所述非接触式扫描模式的非接触式扫描开关控制单元。

根据本发明，通过该接触式扫描开关控制单元和非接触式扫描开关控制单元可以有效地实现在电畴成像过程中的接触式扫描模式与磁畴成像过程中的非接触式扫描模式之间的直接、实时切换。

又，在本发明中，也可以是，还包括设于所述信号发生单元与所述探针之间的压电双晶片。

根据本发明，通过设置压电双晶片，可以有利于实现被测多铁性材料的磁畴结构成像信号的原位激发。

又，在本发明中，也可以是，所述探针为磁电检测探针，在所述接触式扫描模式下，所述探针作为反馈参量的微悬臂形变量为0.1-2nm，与所述被测多铁性材料互作用的接触面积直径为10-20nm；在所述非接触式扫描模式下，所述探针与所述被测多铁性材料之间的距离为50nm-150nm。

根据本发明，磁电检测探针同时具有微区压电、磁力信号激励源及检测源的功能；该磁电检测探针的工作模式包括接触式扫描模式与非接触式扫描模式。在接触式扫描模式下，探针作为反馈参量的微悬臂形变量为0.1-2nm，与被测多铁性材料互作用的接触面积直径为10-20nm，从而有利于实现电畴成像的高分辨率。在非接触式扫描模式下，探针与被测多铁性材料之间的距离为50nm-150nm，可以有利于减小样品形貌起伏对磁畴信号的影响，保持磁畴成像信号的稳定性。

又，在本发明中，也可以是，所述探针的工作频率范围为2kHz-70kHz。

根据本发明，探针的工作频率范围为2kHz-70kHz，有利于获得较大幅度的电畴和磁畴有效成像信号，减小噪声干扰。

又，在本发明中，也可以是，其特征在于，所述原位检测平台包括：用于接收所述原子力显微镜原位激励平台输出的所述畴结构成像信号并提高该信号幅度的信号处理单元；对所述信号处理单元输出的信号进行检测的锁相放大器单元；对所述锁相放大器单元输出的信号进行数据处理并显示所述多铁性畴结构的原位成像表征结果的处理及显示单元。

根据本发明，可以有效地实现对畴结构成像信号进行原位实时检测和数据处理并实时显示多铁性畴结构的原位成像表征结果。

本发明可包含权利要求书和/或说明书和/或附图中公开的至少两个结构的任意组合。尤其是，本发明包含权利要求书的各项权利要求的两个以上的任意组合。

根据下述具体实施方式并参考附图，将更好地理解本发明的上述及其他目的、特征和优点。

附图说明

图1示意性地示出根据本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置的结构框图；

图2示意性地示出图1所示的表征装置中的原子力显微镜原位激励平台的结构框图；

图3示意性地示出图1所示的表征装置中的原位检测平台的结构框图；

图4（a）～图4（d）示出了根据本发明的表征装置得到的测试结果，其中图4（a）是被测的多铁性材料表面形貌的AFM像，图4（b）是采用根据本发明的表征装置在该被测多铁性材料的对应区域原位获得的铁电畴结构的图像，图4（c）是采用根据本发明的表征装置在该被测多铁性材料的对应区域原位获得的铁磁畴结构的图像，以及图4（d）是采用根据本发明的表征装置在具有不同自发极化取向的微区进行压电响应测试而获得的微区压电响应回线。

具体实施方式

以下结合附图和实施例详细地说明本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置。

以下实施例均是采用根据本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置对多铁性材料纳米尺度铁电畴结构和铁磁畴结构的表征结果，以进一步说明本发明的效果，但并非仅限于下述实施例。

图1示意性地示出根据本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置的结构框图。如图1所示，本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置包括用于对被测多铁性材料进行多铁性畴结构的原位激发以使该被测多铁性材料的激励点产生畴结构成像信号的原子力显微镜原位激励平台1；和对畴结构成像信号进行原位实时检测和数据处理并实时显示多铁性畴结构的原位成像表征结果的原位检测平台2。

由于原子力显微镜是当前开展纳米科学研究的重要工具之一，它具有高精度控制、纳米级分辨率等独特优点，已成为一种成熟的纳米检测平台，并为在其基础上发展新技术、拓展新功能提供了重要平台基础。

本发明针对目前纳米尺度多铁性材料表征的迫切需求，基于AFM纳米检测平台的检测成熟性、功能齐全性及结构完善性等特点，建立了纳米尺度多铁性畴结构的原位集成表征装置，实现了纳米尺度铁电畴和铁磁畴的原位、实时、动态成像，为深入研究纳米尺度多铁性材料的磁电耦合机制、纳米尺度多铁性材料及其器件的深入发展提供了重要的原位纳米表征方法。

本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置中的AFM原位激励平台1，用以提供发展纳米尺度多铁性畴结构原位表征新技术的AFM平台基础，并基此实现多铁性材料纳米尺度铁电畴、铁磁畴等多铁性畴结构的原位激发；而原位检测平台2，用以实现多铁性材料纳米尺度铁电畴、铁磁畴等多铁性畴结构的原位实时检测和处理，显示纳米尺度多铁性畴结构的原位成像表征结果。

本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置的更详细的构造如图2和图3所示。其中，图2示意性地示出图1所示的表征装置中的原子力显微镜原位激励平台的结构框图；图3示意性地示出图1所示的表征装置中的原位检测平台的结构框图。

参照图2，该表征装置中的原子力显微镜原位激励平台1包括：具备磁性底座19的原子力显微镜平台11，被测多铁性材料18置于该磁性底座19上，且该被测多铁性材料18与磁性底座19之间可采用导电胶粘结，从而有效地保证了该被测多铁性材料18的机械稳定性和信号的有效传输。该原子力显微镜原位激励平台1包括用于对被测多铁性材料18进行扫描以检测其激励点所产生的畴结构成像信号的探针12。

该原子力显微镜原位激励平台1还包括用于产生分别施加于磁性底座19及探针12上以进行原位激发的激励信号的信号发生单元和用于将从探针12检测到的畴结构成像信号发送至原位检测平台2的信号输出单元。在本实施形态中，该信号发生单元可以是可产生交变电压信号的信号发生器14，而该信号输出单元可以是与探针12相连的畴结构成像信号输出端口111。

且，该原子力显微镜原位激励平台1还包括将探针12的扫描模式在接触式扫描模式与非接触式扫描模式之间进行切换的切换模块15，可以通过该切换模块15使探针12的扫描模式在电畴成像过程中的接触式扫描模式与磁畴成像过程中的非接触式扫描模式之间进行直接、实时切换，提高了本发明的表征装置的可靠性，保证了扫描定位的准确性，实现了多铁性畴结构的原位成像。

具体地，如图2所示，该切换模块15包括用于在电畴成像过程中开启接触式扫描模式而在磁畴成像过程中关闭接触式扫描模式的接触式扫描开关控制单元151；和用于在磁畴成像过程中开启非接触式扫描模式而在电畴成像过程中关闭非接触式扫描模式的非接触式扫描开关控制单元152。通过该接触式扫描开关控制单元151和非接触式扫描开关控制单元152可以有效地实现在电畴成像过程中的接触式扫描模式与磁畴成像过程中的非接触式扫描模式之间的直接、实时切换。

还如图2所示，在信号发生单元14与探针12之间还设有压电双晶片13。通过设置压电双晶片13，可以有利于实现被测多铁性材料的磁畴结构成像信号的原位激发。

此外，上述探针12为磁电检测探针，磁电检测探针同时具有微区压电、磁力信号激励源及检测源的功能；该磁电检测探针的工作模式包括接触式扫描模式与非接触式扫描模式。在接触式扫描模式下，探针12作为反馈参量的微悬臂形变量为0.1-2nm，与被测多铁性材料18互作用的接触面积直径为10-20nm；在非接触式扫描模式下，探针12与被测多铁性材料18之间的距离为50nm-150nm。且，该探针12的工作频率范围为2kHz-70kHz。

本发明的表征装置中的AFM原位激励平台1之所以具有原位激发纳米尺度铁电畴和铁磁畴成像信号的功能主要源于多铁性材料特有的逆压电效应以及磁电检测探针12与被测多铁性材料18直接的磁力互作用。以下结合图2进行详细说明。

对于微区铁电畴成像信号，其激发的物理过程可表述如下：信号发生器14施加周期性激励电压信号通过电畴激励信号传输端16作用于磁电检测探针12和被测多铁性材料18的下表面之间，磁电检测探针12由切换模块15的接触式扫描开关控制单元151所控制在被测多铁性材料18表面进行接触式扫描，当磁电检测探针12与被测多铁性材料18接触时，由于多铁性材料特有的逆压电效应，被测多铁性材料18产生与激励电压同频的振动，该振动被磁电检测探针12探测并转化为电信号，并通过畴结构成像信号输出端口111输出，该输出信号与被测微区电畴结构信息直接相关。由此，实现了微区铁电畴结构成像信号的原位激发。

对于微区铁磁畴成像信号，其激发的物理过程可表述如下：当信号发生器14施加的周期性激励电压信号通过磁畴激励信号传输端17作用于压电双晶片13时，由于压电效应导致磁电检测探针12产生振动。磁电检测探针12由切换模块15的非接触式扫描开关控制单元152所控制在被测多铁性材料18表面进行非接触式扫描，当磁电检测探针12与被测多铁性材料18接近至一定距离时，会产生长程的磁性相互作用力，该作用力梯度将引起磁电检测探针12的振动状态发生变化，该振动被转化为电信号，并通过畴结构成像信号输出端口111输出，该输出信号与被测微区磁畴结构信息直接相关。由此，亦实现了微区铁磁畴结构成像信号的原位激发。

另外，如图3所示，本发明的表征装置中的原位检测平台2包括：用于接收上述原子力显微镜原位激励平台1输出的畴结构成像信号并提高该信号幅度的信号处理单元。在图3所示的实施形态中，该信号处理单元为可提高畴结构成像信号幅度，并具有保护功能，防止信号畸变时产生过载而损坏下一级电路和仪器的前端回路处理模块21。

且该原位检测平台2还可包括连接在前端回路处理模块21的输出端的锁相放大器单元。在图3所示的实施形态中，该锁相放大器单元可以是具有测量灵敏度高、抗干扰性强、具有线性、非线性检测功能、满足系统工作要求等优点，可实现微弱畴结构信号的高灵敏度检测的高灵敏度锁相放大器22。

此外，该原位检测平台2还可包括对锁相放大器单元输出的信号进行数据处理并显示多铁性畴结构的原位成像表征结果的处理及显示单元。该处理及显示单元23可包括基于计算机平台的信号处理模块和结果显示模块，用于实时显示微区铁电畴、铁磁畴结构的成像结果。

通过如上设置的原位检测平台2可以有效地实现微弱铁电畴和铁磁畴成像信号的原位实时检测、处理和显示微区铁电畴、铁磁畴等多铁性畴结构的原位表征结果。

以下通过具体的实施例更详细说明本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置的工作过程及其表征结果。

实施例1

采用根据本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置对铁酸铋多铁性材料（以下称为被测多铁性材料）的微区铁电畴、铁磁畴结构进行了表征，图4显示了测试结果。其中图4（a）是该被测多铁性材料的表面形貌的AFM像，图4（b）是采用根据本发明的表征装置在该被测多铁性材料的对应区域原位获得的铁电畴结构的图像，图4（c）是采用根据本发明的表征装置在该被测多铁性材料的对应区域原位获得的铁磁畴结构的图像，以及图4（d）是采用根据本发明的表征装置在具有不同自发极化取向的微区进行压电响应测试而获得的微区压电响应回线。

显然，图4（a）与图4（b）、图4（c）差异很大。表面形貌像图4（a）仅显示了被测多铁性材料表面晶粒晶界信息，而电畴结构像图4（b）清晰显示出电畴结构分布，图中的亮、暗衬度显示了电畴结构的不同自发极化取向，磁畴结构像图4（c）清晰显示出磁畴结构分布，图中的亮、暗衬度显示了磁畴结构的不同自发极化取向。

上述结果表明本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置在该被测多铁性材料上成功实现了铁电畴、铁磁畴的原位成像。在对多铁性畴结构进行原位成像的同时，在铁电畴成像模式下，在探针与被测多铁性材料某局域相接触时通过对探针施加直流偏压并检测探针的纵向位移，即可实现被测多铁性材料微区压电性能的定量表征。图4（d）中两条压电响应回线分别对应图4（b）所标示的“A”、“B”区域，显示了具有不同自发极化取向的电畴结构其纳米尺度局域压电性能的差异。上述结果表明本发明的多铁性材料纳米尺度畴结构的原位集成表征装置在定量表征方面的可行性。

上述实施例表明了基于原子力显微镜所建立的纳米尺度多铁性畴结构原位集成表征技术解决了多铁性材料纳米尺度多铁性畴结构（铁电畴、铁磁畴）成像信号原位激发及同步检测这一重大技术难题。该新型纳米表征技术实现了纳米尺度多铁性畴结构的原位激发、原位表征，拓展了现有商用原子力显微镜所不具有的纳米多铁性原位评价功能，为深入研究纳米多铁性材料的磁电耦合理论，纳米多铁性材料及其器件的深入发展提供了重要的原位、定量、纳米表征方法。

综上所述，本发明将原子力显微镜纳米检测功能、多铁性材料的逆压电效应以及探针与多铁性被测材料的磁力相互作用相结合，建立起基于商用原子力显微镜并兼具纳米级电、磁激励和检测特性的纳米原位评价装置，该新型纳米压磁集成表征装置不仅具有纳米多铁性畴结构成像信号原位激发、原位表征等独特功能，而且具有高分辨率、高灵敏度、高信噪比等优点，且其结构简单、兼容性强，适宜广泛推广和应用。由此，本发明解决了多铁性材料中纳米铁电畴、铁磁畴的原位激发和检测这一重大技术难题，可在纳米材料、功能材料等战略新兴材料及其产业中获得重要应用。

在不脱离本发明的基本特征的宗旨下，本发明可体现为多种形式，因此本发明中的实施形态是用于说明而非限制，由于本发明的范围由权利要求限定而非由说明书限定，而且落在权利要求界定的范围，或其界定的范围的等价范围内的所有变化都应理解为包括在权利要求书中。