“针尖下的实验室”——扫描探针探测与调控铁电畴及其微观物性

铁电和多铁材料作为未来高性能信息媒介引起广泛关注.其中铁电畴的形态及演化特征可显著影响材料电导、光伏、磁电耦合等诸多物理性能以及器件功能,尤其是新奇拓扑畴带来诸多新颖物性,使得通过畴调控方法设计材料及器件性能成为可能.深入理解铁电畴及其微观物性调控规律有望为后摩尔时代信息技术带来新的器件设计方案.本文主要介绍通过多功能扫描探针显微镜研究铁电和多铁材料的微观畴结构和相关物理性能,及其调控规律和机制,并在此基础上构筑新原理信息器件.

PZT薄膜晶化过程的相变及铁电畴监测

采用射频磁控溅射法，在室温Pt／Ti／SiO_2／Si上制备了非晶态Pb(Zr_(0.48)Ti_(0.52))O_3(PZT)薄膜，经不同温度，相同保温时间快速退火处理使其转化为多晶PZT薄膜。用XRD，AFM测定了PZT薄膜的相组分与表面结构，并利用压电响应力显微镜(piezoresponse force microsco-py，PFM)观察了初始晶化和高度晶化样品自发极化形成的铁电畴。结果表明：PZT薄膜晶化发生在550℃，PFM可观察到自发形成的圆形铁电畴。650℃处理的样品晶化最充分并呈现出(111)择优取向，用PFM观察到该样品形成具有强烈压电信号的电畴。由此分别算得铁电相占薄膜总体积的(7.8±0.2)％和(97.3±0.2)％。PFM结合XRD，AFM的运用为寻求铁电薄膜晶化机理提供了新的途径。

铁电畴反转机理的研究

从铁电畴极化反转的动力学出发 ,针对铁电畴反转过程中的新畴成核和畴壁运动两个过程 ,对用外加极化电场实现铁电畴反转的机理进行了理论分析研究 ,并就低电场和高电场两种条件下的开关时间进行了实验验证。结果表明 ,实验值与模型计算值吻合较好。

纳米尺度铁电畴的扫描力显微镜成像研究进展

扫描力显微镜(SFM)作为一种新型的超分辨率近场扫描探针显微仪器正日益受到各学科领域的高度重视.在铁电材料领域,SFM是开展纳米尺度铁电畴结构成像、纳米尺度畴结构控制及纳米尺度微区的铁电性、介电性、压电性等特性研究的潜在的强有力的研究工具.本文就纳米尺度铁电畴的扫描力显微镜的成像原理的研究进展作一综述.

KTiOAsO_4晶体的铁电畴与位错的多种实验方法研究

利用原子力显微镜 ,同步辐射X射线形貌术和化学腐蚀光学显微等方法深入研究了KTiOAsO4 晶体缺陷中的铁电畴和位错。首次用原子力显微镜给出了用两种腐蚀剂腐蚀过的KTA晶体表面的铁电畴和位错蚀坑的照片及定量信息 ,如发现铁电畴的明区要高于暗区 ,且两者的粗糙度明显不同。这为研究各种晶体的生长缺陷开辟了一条新的途径。

67 Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-33PbTiO_3单晶90°铁电畴光学研究

采用偏光显微镜观察了６７Ｐｂ（Ｍｇ_（１／３）Ｎｂ_（２／３））Ｏ_３－３３ＰｂＴｉＯ_３固溶体铁电单晶在室温时 ９０°铁电畴结构．铁电畴结构与晶体质量有关，在正交偏光显微镜下光学透明晶体中存在着尺 寸为２～３ｍｍ的均匀大畴，不同极化方向的大畴重叠形成雾状区，使晶体表现出光学质量宏观 不均匀．在光学质量差的雾状晶体中则存在着 ０．１ｍｍ宽的｛１１０｝型带状孪生畴，使晶体形成 表面浮凸，带状畴内还存在着９０°亚畴．并对这些畴的形成作了讨论．

锆钛酸铅镧陶瓷裂尖处由电场诱发90°铁电畴变的实验研究

用传统陶瓷工艺合成制备了（Ｐｂ０．９６Ｌａ０．０４）（Ｚｒ０．４０Ｔｉ０．６０）０．９９Ｏ３（ＰＬＺＴ）铁电陶瓷，并用Ｘ射线衍射对其结构进行了测定，表明室温下ＰＬＺＴ陶瓷为铁电四方相结构：ａ＝ｂ＝０．４０５５ｎｍ，ｃ＝０．４１０９ｎｍ，ｃ／ａ＝１．０１３．将ＰＬＺＴ陶瓷极化后，在抛光面进行压力为４９Ｎ的Ｖｉｃｋｅｒｓ压痕，并施加强度为０．４Ｅｃ，０．５Ｅｃ，０．６Ｅｃ（Ｅｃ＝１１００Ｖ／ｍｍ）的侧向电场．用场发射扫描电镜研究观察ＰＬＺＴ试样极化前、极化后以及在侧向电场作用下压痕裂纹附近铁电畴结构的形态及其变化．结果表明在０．６Ｅｃ的侧向电场作用下，压痕裂纹附近发生了９０°铁电畴变，在扫描电镜的铁电畴结构形貌图上再次出现了平直的９０°铁电畴界．探讨了９０°铁电畴变的形成及促发机制．

PMN-PT单晶铁电畴的扫描探针显微术

利用在商用原子力显微镜基础上自行建立的压电响应力显微术(PFM)和低频扫描探针声学显微术(LF-SPAM)系统地开展了PMN-PT弛豫铁电单晶铁电畴结构的高分辨率成像研究。成功地观察到了准同型相界附近不同组成的PMN-PT弛豫铁电单晶精细的纳米铁电畴构型。首次获得了内应力诱导的"W"形状电畴结构的低频扫描探针声学像及其声成像频率特性,揭示了铁电畴的声成像机制源于不同极化取向铁电畴与探针互作用的接触刚性。

利用原子力显微镜研究KTiOAsO_4晶体的铁电畴

利用原子力显微镜研究了KTiOAsO4 晶体的铁电畴 ,发现了这一实验方法的诸多特点 ,如放大倍数高 ,可以得到晶体表面的定量信息等 ,得到了KTiOAsO4 晶体铁电畴的原子力显微镜照片 ,并结合化学腐蚀光学显微法的实验结果进行了研究。最后对铁电畴的机制与消除进行了理论讨论。

67Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))O_3-33PbTiO_3单晶的微结构与铁电畴

用偏光显微镜（ＰＬＭ）和透射电镜（ＴＥＭ）观察了 ６７Ｐｈ（Ｍｇ１／３Ｎｂ２／３）Ｏ３－３３ＰｂＴｉＯ３单 晶的畴结构，在ＰＬＭ下，光学质量不同的晶体具有不同的畴结构，透明晶体具有毫米尺度的大畴，透明性 差的晶体的带状孪生畴宽约为 ０．１ｍｍ；在 ＴＥＭ下，雾状晶体中存在着复杂的微米尺度的孪生畴，而均匀 晶体中存在着不规则的微米尺度的 １８０畴．原位 ＥＤＳ分析表明，在孪生晶体中存在 Ｎｂ－Ｔｉ－Ｍｇ－Ｐｂ－Ｏ 非晶相．透明晶体的介电和压电常数显著地高于雾状晶体．讨论了化学不均性对畴结构的影响．

铌酸锂晶体铁电畴电极化反转结构的ESEM观察

采用电脉冲极化方法制作出周期性反转电畴微结构。利用热腐蚀法制备出用于环境扫描电镜 (ESEM)研究反转电畴结构的样品。通过ESEM的观察与分析,在光栅电极下方,铁电畴发生了极化反转,反转区域在Y方向上有所扩展,在Z方向逐渐变窄,没能贯穿整个晶片。通过控制光栅电极的纵宽比和电压脉冲的参数,可以在晶片的表面或一定深度得到占空比为 1∶1的正、负铁电畴交替排列的结构,达到准相位配的目的。观测到竹叶状二次电子图像衬度,它是由制样过程中局部产生应力造成的,这说明利用ESEM可以研究压电材料中的电荷分布。

单晶铁电畴反转的简化模型

建立具有钙钛矿结构铁电材料的基本电畴结构类型及电畴反转系的表示方法;将电畴反转类似为晶体塑性理论的位错运动,采用内时理论的类似方法,提出一个较简便的电畴体积分数的演化方程,能综合考虑到反转驱动力、180和90反转的不同形式、电畴体积分数及反转的变形历史等对反转的影响.对不同外加力电载荷条件下单晶材料的响应进行了模拟计算,能较好反映铁电材料的电位移与电场强度、应变与电场强度、应力与应变、应力与电位移等的非线性力电耦合关系.

铁电畴的扫描探针声学显微术

一种新的表征技术——扫描探针声学显微成像技术(Scanning Probe Acooustic Mi-croscopy)已在我们实验室建立起来,可以用它来直接观察PMN-PT弛豫铁电单晶、透明PLZT陶瓷、无铅Bi4(Ti,Nb)3O12陶瓷等材料的纳米极性微区和弹性作用区,并显示了在低频工作状态下可以达到10nm的分辨率.

在180°畴超格子中的铁电畴层波对能带的影响

铁电180°畴超格子在超声波的作用下将被诱导出铁电畴层波,在这个波的作用下,存在许多新现象,其特征归纳为一个元激发“畴子”。本文研究了在180°畴超格子中导带和价带中的载流子与畴子的相互作用,这样一种相互作用将在导带和价带形成子能带,同时改变电子或空穴分布,从而影响铁电体的电导率。

铌酸锂晶体铁电畴电极化反转结构的ESEM观察

本文采用电脉冲极化方法制作出周期性反转电畴微结构。利用热腐蚀法制备出用于环境扫描电镜 (ESEM)研究反转电畴结构的样品。通过ESEM的观察与分析 。

利用液晶显示技术对ATGS和ATGSP晶体铁电畴结构的研究

向列型液晶(NLC)显示技术是近年来用于ATGS晶体及其相关铁电材料铁电畴结构研究的一种简便、快速、且十分有效的方法。介绍了利用向列型液晶NLC显示技术对于ATGS及ATGSP晶体铁电畴结构进行静态和动态观察研究的结果,并对这类晶体的内在质量进行了检测。为制备优良的ATGSP晶体提供了科学依据。

钨青铜型Ca_(0.28)Ba_(0.72)Nb_2O_6单晶中铁电畴结构及其演变的透射电镜研究

用透射电镜研究了CBN-28单晶中的180°畴结构及其演变.发现其中存在高密度的180°铁电畴,这些畴呈长钉状或棒状,沿c轴走向,直径约50～500nm.观察到电子束辐照诱致的畴壁运动.原位加热观察表明,升温至220℃左右,开始出现许多直径仅几纳米的细条状微畴;温度再上升时这种细条状畴逐渐增多.在282℃时所有畴衬度消失.这种零场自发极化的宏畴→微畴转变对应于在铁电相变点Tc附近的正常→弛豫铁电体转变.温度降至196℃以下时,形成了直径约10～50nm稳定的条状畴.

钛酸钡铁电单晶压痕诱发微裂纹形成与90°铁电畴变

用偏光显微镜和扫描电子显微镜观察研究了不同取向BaTiO3铁电单晶在Vickers压痕作用下微裂纹与90。铁电畴变的形态。发现对于[001]取向极化的BaTiO3铁电单晶,压痕诱发短裂纹不仅发生在沿着压痕对角线方向,而且由于相邻等价畴变区界面的结构错配,还发生在与压痕对角线成45°的方向。对于[100]取向的BaTiO3铁电单晶,在偏离水平方向(垂直于极化方向)约15°～20°角出现了对偶长裂纹。如果将压痕的对角线从极化方向旋转45°,则压痕诱发的裂纹长度大大缩短。认为由于结构错配的影响,裂纹倾向于沿着两畴变区的界面或沿着已畴变区和未畴变区的界面形成。

用扫描近场光学显微镜观察铁电畴

本文利用电畴的双折射随电畴的自发极化的取向而异的特性，采用反射式扫描近场光学显微镜，观察了铁电单晶的畴结构。横向分辨率约为50nm。对原有的Topometrix Aurora NSOM系统作了较大的改进。采用音叉（tunning fork）检测光纤探针与样品间的剪切力，取代了原有的光学法振动检测。对硫酸三甘氨酸[NH3CH2COOH）3．H2SO4）]（简称TGS）的观察说明，反工扫描近场光学显微镜，适合研究垂直b轴切割的TGS（010）面的自发极化。对这种180极化的多畴，可获得光学衬度较好电畴分布图像。与形貌图像相比，发现电畴与形貌无关。无论是新鲜解理的原子级光滑表面和表面水解的较为粗糙表面均可观察到分布较为均匀的电畴分布。

铁电多层畴结构中铁电畴层波振动模式的频谱分析

本文首次对多层畴结构中的振动模式进行了实验研究,观察到了一系列大小相当的中心峰,这对应于不同中心同步频率下激发的不同的振动模。通过频谱分析,获得了3,4,5层畴层结构的色散曲线。