[发明专利]一种用于电畴成像的双频多通道同步检测方法

说明书

本发明属于铁电或压电材料电畴测试技术领域，涉及利用逆压电效应实现电畴成像的双频多通道同步检测，该方法采用两台锁相放大器对待测样品面外和面内压电信号进行实时同步检测；其中，所述两台锁相环放大器的参考信号分别由两个独立的频率源提供，频率源同时还提供一个与参考信号相同的交流信号作为激励信号，两个频率源提供的激励信号经加法器叠加后作为交流激励电压加载于导电探针与待测样品之间。本发明通过一次扫描就能够检测出待测样品的面外和面内压电振动的幅度信号与相位信号，并以实时的方式多通道同步输出，大大的提高了检测效率；同时，本发明能够提高电畴成像的分辨率，有效提高检测准确度。

技术领域

本发明属于铁电或压电材料电畴测试技术领域，具体涉及利用逆压电效应实现电畴成像的双频多通道同步检测。

背景技术

铁电材料是一类具有自发极化行为的电介质材料，其本质特性是具有自发极化，自发极化有两个或多个可能的取向，并且自发极化可以在外电场的作用下转向。当温度低于居里温度时，铁电体具有自发极化，当温度高于居里温度时，自发极化消失。铁电晶体，铁电薄膜和陶瓷晶粒内的自发极化在整个晶体内部不是均匀分布的，晶体趋向于分成多个小区域，每个小区域内极化取向一致，而不同的小区域间极化取向不同。这种具有一致极化取向的区域叫做铁电畴，不同取向极化区域之间的界限叫做畴壁。在外场的作用下，随着极化的反转，电畴结构必然发生演变。铁电畴是铁电材料的物理基础，其性质决定了铁电体的应用方向。

利用声、光、电等方法，目前研究铁电畴的手段有多种，比如化学腐蚀法、偏光显微镜法、液晶法、透射电子显微镜等。这些技术虽然在电畴研究工作中取得了进展，但是仍然存在着诸如对样品和原始畴有破坏性、畴成像分辨率不高等局限，尤其是在微区纳米尺度下开展原位电畴结构及其动力学的研究。扫描探针显微镜成为观测纳米尺度的一种重要手段，它是一种与力相关的显微镜的总称，包括原子力显微镜、压电响应力显微镜、开尔文力显微镜等。其中，电畴成像模式中最具代表性的是压电响应力显微镜(piezoresponseforce microscope，PFM)。

PFM的基本原理是利用铁电材料具有的逆压电效应。实际应用中，铁电样品一般制备在底电极上，PFM使用导电针尖。通过在导电针尖和底电极上加载交流激励电压，铁电材料由于逆压电效应而振动，从而实现对电畴的检测。紧压铁电薄膜表面的针尖悬臂除了垂直于薄膜样品方向上的压电形变，在悬臂切向方向上也会产生横向形变，从而通过摩擦力作用导致针尖悬臂的扭转。借助锁相放大器可以分别将垂直压电响应信号和水平压电响应信号检测出来，得到电畴的结构信息。

实际测量中，通常使用一台锁相放大器，垂直压电响应信号和水平压电响应信号一般是通过两次扫描分别获得，而且扫描一幅图需要耗时几分钟。这与电畴的形成和反转所需的时间有着较大差距。特别的，在针尖上施加直流偏压诱导极化反转观测电畴运动时，由于退极化场的作用，上述扫描方式不可避免会影响电畴成像的精度和效率。除此以外，交流电压的幅值和频率往往需要根据具体的实验条件来确定，因为垂直压电响应信号和水平压电响应信号对频率的响应并不都是完全一致的，信噪比最优的压电响应信号需要在在不同的频率下获得，所以，依靠以往的单一频率激励信号很难同时实现面外和面内电畴的高分辨成像。

发明内容

本发明的目的是提供了一种用于电畴成像的双频多通道同步检测方法，该方法能够通过一次扫描同时检测待测铁电材料或压电材料样品的面外、面内压电响应信号，实现多通道的同步输出。本发明的技术方案如下：

一种用于电畴成像的双频多通道同步检测方法，其特征在于，该方法采用两台锁相放大器对待测样品面外和面内压电信号进行实时同步检测；其中，所述两台锁相环放大器的参考信号分别由两个独立的频率源提供，频率源同时还提供一个与参考信号相同的交流信号作为激励信号，两个频率源提供的激励信号经加法器叠加后作为交流激励电压加载于导电探针与待测样品之间；具体包括以下步骤：

步骤1.将具有底电极的待测铁电或压电样品放置于原子力显微镜样品台上，用导电探针接触样品待测区域；