用掃描近場微波顯微鏡測量材料壓電係數的方法及裝置的製作方法

2023-08-04 05:03:56 1

專利名稱：用掃描近場微波顯微鏡測量材料壓電係數的方法及裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及材料壓電性能的測量技術，具體涉及到利用逆壓電效應測量材料壓電係數的方法及裝置。
背景技術：
壓電效應是指材料在外加壓力的作用下產生電荷(稱為正壓電效應)或在外加電壓的作用下產生機械形變(稱為逆壓電效應)的現象，兩者是同一本質的不同表現形式。具有明顯壓電效應的材料被稱為壓電材料。壓電材料在單位壓力作用下產生的電荷或在單位電壓作用下產生的形變量被稱為壓電係數，用來衡量壓電效應的大小。由於實現了機-電耦合，壓電材料在精密機械、傳感器、微電子、微機電系統等領域有廣泛的應用。
現有技術中，測量材料壓電係數的方法可分為兩大類，分別利用正壓電效應和逆壓電效應。
利用正壓電效應測量壓電係數時，將被測壓電材料製成片狀，在其兩個端面製作電極，然後在材料上施加壓力，測量電極上的電荷，得到壓電係數。按照施加壓力的技術不同，它們又可分為垂直加載法、氣壓平臺法等。這些方法較為簡單，但是精度不高，且不能表徵材料微區的壓電性能，目前使用的很少。
利用逆壓電效應測量壓電係數時，也需在被測材料上製作電極，然後通過電極向材料施加電壓，測量材料的形變，得到壓電係數。按照測量形變的方法不同，它們又可分為雷射幹涉法和原子力顯微鏡法等。這些方法具有測量精度高的優勢，是目前壓電係數的主要測量方法。
雷射幹涉法利用雷射幹涉測距的原理測量壓電效應的形變，但受光學衍射效應的制約，其空間分辨能力只能達到亞微米的量級，對薄膜的微小壓電形變無法檢查，觀察材料的微觀均勻性也有一定的限制。
原子力顯微鏡的工作原理是當一根極細的針尖與物體接近到原子尺度時，針尖尖端的原子與物體上的原子發生相互作用，這一作用力會改變針尖的固有機械共振頻率。以一個電子學系統激發針尖的震動，探測針尖共振的頻率或振幅，並通過反饋系統調節探針與樣品的距離，使共振頻率或振幅恆定在一個設定值上，即可得到該點樣品的高度，再通過樣品和探針的相對掃描，可得到樣品表面的形貌圖像。用原子力顯微鏡測量壓電係數的方法為以導電探針(可用導電材料製作或在探針上鍍導電層)接觸上電極向材料施加一交變電壓，由於壓電效應，材料會產生一個與所加交變電壓相同頻率的形變，這一形變將在原子力顯微鏡的距離反饋系統中產生一個相同頻率的反饋信號。這一信號可用一個鎖相放大器探測。由於反饋信號正比於形變量，而形變量正比於壓電係數，因此，經過適當的校準，如通過對已知壓電係數材料樣品的測量進行標定，可用此方法測量材料的壓電係數。由於原子力顯微鏡的空間解析度極高，該方法的測量精度也很高且具有測量材料各區域壓電係數的能力。但由於原子力顯微鏡的探針與被測材料樣品相距太近(只有原子尺度的距離)，測量大的壓電形變和移動樣品測量材料各個區域的壓電係數時非常容易損壞針尖，因而難以實現大面積樣品各個區域的快速掃描。
掃描近場微波顯微鏡是近幾年發展起來的新技術。它將探針裝在一個四分之一波長同軸微波共振腔的中心導體上，以探針負載微波，當有樣品接近針尖時，通過樣品與針尖微波場的相互作用，包括接觸式和非接觸式的，改變探針上的電荷和針尖附近的微波場分布，進而改變共振腔的共振頻率和品質因素。通過探測這一變化，可以推斷樣品的許多性質，如樣品微區的介電常數、介電損耗等。掃描近場微波顯微鏡的空間分辨能力已經達到了100納米。
目前尚未發現有利用掃描近場微波顯微鏡對材料壓電係數進行測量的報導。其原因是掃描近場微波顯微鏡的頻移信號依賴於樣品的介電常數和樣品與探針之間的距離，當被測樣品是金屬材料或已知材料的介電常數，則信號只依賴於探針與樣品間的距離。雖然從理論上說，壓電效應造成的形變可通過上述關係測量樣品探針的距離改變獲得，但實際上由於壓電形變非常微小(有時不足1納米)，因此由這一形變造成的微弱信號會被系統固有的噪音淹沒，致使無法得到形變數據，也就是說，現有的掃描近場微波顯微鏡尚不能直接測量壓電形變，自然也就無法得到壓電係數。

發明內容
本發明的目的在於，克服現有技術的不足，提供一種利用掃描近場微波顯微鏡測量材料壓電係數的方法。該技術具有精度高、速度快和微區測量能力，能實現大範圍的快速掃描，從而能夠便捷地得到材料壓電性能的大面積分布情況。
本發明的目的通過以下方式實現。
本發明利用掃描近場微波顯微鏡對材料進行壓電係數測量的方法，包括首先製作帶有電極的被測樣品，並測量其介電常數ε或通過查閱資料取得材料樣品的介電常數ε(對金屬上電極的情況，此步省略)；然後將被測樣品固定在掃描近場微波顯微鏡的樣品臺上，並使形變方向沿著探針的軸線方向，設定掃描近場微波顯微鏡的探針和樣品間的距離g；其特徵在於，此後的操作步驟為(1)將信號發生器發出的交流周期調製信號加到樣品的電極上。
(2)利用鎖相放大器探測樣品由於壓電效應發生周期性形變所造成的掃描近場微波顯微信號中的同周期調製信號v。
(3)根據下述公式計算材料樣品的壓電係數dijdij=-1(5.80b2-9.09b+3.77)gLASf0lvV,]]>其中A是掃描近場微波顯微鏡校準常數，S是掃描近場微波顯微鏡微波系統的頻率響應係數，f0為探針附近無樣品時微波共振腔的共振頻率，L為兩平行電極間的距離，l為樣品的厚度，V為信號發生器給出的調製電壓，b＝(ε-ε0)/(ε+ε0)，ε0是真空介電常數。
上述方法中，所述設定掃描近場微波顯微鏡的探針和樣品間的距離g是當測量橫向壓電係數dij(i≠j)時，使掃描近場微波顯微鏡的探針控制在離樣品0.01R0到0.1R0的距離，其中R0為針尖曲率半徑；當測量縱向壓電係數dii時，使掃描近場微波顯微鏡的探針控制在離樣品0.1微米到10微米的距離。
在上述測量方法中，針對測量縱向壓電係數(即形變方向與所加電場方向一致)和橫向壓電係數(即形變方向與所加電場方向垂直)兩種情況，有兩種不同的電極配置方案對於測量橫向壓電係數dij(i≠j)，在材料樣品的兩個側面製作電極或在薄膜材料的上表面內製作電極，使所加電場方向與測量的形變方向垂直；對測量縱向壓電係數dii，在樣品的上下表面製作電極，使所加電場方向與測量的形變的方向一致，此時計算壓電係數dij的公式簡化為dii=-2.02gASf0vV.]]>本發明利用掃描近場微波顯微鏡測量材料壓電係數的裝置，包括現有技術中的掃描近場微波顯微鏡的掃描臺、探針、控制器和數據採集與處理系統，其特徵在於，它還包括有信號發生器、鎖相放大器，所述信號發生器的信號輸出端用於與被測樣品的電極相連，同時分出一路連接到鎖相放大器的參考信號輸入端；所述鎖相放大器的輸入端與掃描近場微波顯微鏡控制器的頻率信號輸出端連通，該鎖相放大器的輸出端連接到數據採集與處理系統中。當鎖相放大器內設有內置信號發生器時，可不用外接信號發生器，而是直接將鎖相放大器內置信號發生器的輸出接到被測材料的電極上。信號發生器、鎖相放大器和近場微波顯微鏡共同接地。
本發明針對掃描近場微波顯微鏡不能測量材料微區壓電係數的不足，創造性地將調製——鎖相放大技術集成到掃描近場微波顯微鏡中，並通過理論分析獲得了調製信號與材料微區壓電係數的定量關係，產生了一種利用掃描近場微波顯微鏡測量材料微區壓電係數的新方法。由於現有技術中，掃描近場微波顯微鏡已經能夠測量材料的微區介電常數、介電損耗、非線性介電常數，結合本發明後，這些原本需要分別測量的壓電性能相關參數可以同時測量，因此，本發明擴展了掃描近場微波顯微鏡的應用範圍。
與雷射幹涉法相比，本發明的距離分辨能力有了極大的提高，從亞微米提高到幾皮米的水平(參見實施例1)。由於本發明的信號來自掃描近場微波顯微鏡，因此具有與掃描近場微波顯微鏡相同的橫向空間分辨能力，也就是100納米，這也優於雷射幹涉法的橫向空間分辨能力。
與原子力顯微鏡方法相比，本發明方法的探針與樣品間有一個微米量級的間隙，這一間隙的存在有效地避免了因掃描過程中樣品臺的震動或樣品表面的不平造成的樣品與針尖的碰撞。由於原子力顯微鏡中，探針與樣品已接近到了原子大小的尺度，任何微小的震動都會造成樣品與針尖的碰撞進而損壞探針。為了避免這一碰撞，必須留出足夠的時間讓針尖在樣品進一步靠近時來得及退回。因此，原子力顯微鏡一般只能達到每秒1000點左右的圖像掃描速度，掃描範圍也只能到100微米左右。而在本發明中，微米量級間隙的存在，使得探針有足夠的時間在樣品碰到針尖前退回探針，因此圖像速度和掃描範圍都不受限制。現有技術中圖像速度主要取決於電子技術，可達每秒10萬點，而掃描範圍則取決於平臺的大小。這一技術上的突破在材料研究中有重要的應用前景。例如，在環保型無鉛壓電陶瓷的篩選中，人們從理論上預計，隨著材料組元成分的變化，材料的壓電性能也隨著發生變化，在材料晶體結構發生變化的準同形相界附近，材料的結構受外場的影響最大，相應的壓電效應也會達到極大值。為了尋找準同形相界，傳統的方法需要合成一系列的樣品，逐個成分研究材料的壓電性質，這樣的工作需要耗費大量的人力和物力，化很長的時間才能完成。採用組合方法，可將所有的成分以材料晶片的方式做在同一塊基片上，一次性完成體系內所有成分的結構和性能研究。由於材料晶片的尺寸在釐米量級，對其壓電性質進行表徵時，需要以微區的方式大範圍地快速掃描，原子力顯微鏡方法(掃描範圍和掃描速度)和雷射幹涉法(靈敏度和空間分辨能力)都不能滿足這一要求，只有採用本發明才能滿足這一需求。
下面通過實施例及其附圖作進一步說明。


圖1是本發明所述利用掃描近場微波顯微鏡測量材料壓電係數裝置的結構示意圖。
圖2是本發明所述測量縱向壓電係數時的電極配置示意圖。
圖3是本發明所述測量橫向壓電係數時的電極配置示意圖。
圖4是本發明所述對PZT壓電陶瓷縱向壓電信號隨探針樣品距離變化的測量曲線。
圖5是本發明所述對PZT壓電薄膜縱向壓電信號隨調製電壓變化的測量曲線。
參見圖1，將帶有電極的材料樣品3固定在掃描近場微波顯微鏡的掃描臺2上；5是掃描近場微波顯微鏡的機座，6為掃描近場微波顯微鏡的微波探頭，信號發生器1的信號輸出端與材料樣品3的兩個電極相連、並分出一路輸入到鎖相放大器9的參考信號輸入端，掃描近場微波顯微鏡控制器7的頻率信號輸出端分出一路輸入鎖相放大器的輸入端，該鎖相放大器的輸出端與數據採集與處理系統8連接。信號發生器1、鎖相放大器9和近場微波顯微鏡共同接地。信號發生器1產生的交流周期調製信號通過電極加到樣品上後，由於壓電效應的緣故，樣品3將發生周期性的形變，造成樣品3和掃描近場微波顯微鏡的探針4之間的距離也發生周期性改變，進而造成掃描近場微波顯微鏡控制器7輸出信號(共振頻率)的周期性調製，這一同周期的調製信號將被鎖相放大器9從背景噪音中提取出來，進入數據採集與處理系統8中。
圖2中的電極配置方式用於縱向壓電係數的測量。其中，4為掃描近場微波顯微鏡的探針，3為被測樣品。10、11是連接在樣品上下表面上的兩個電極，它們分別與信號發生器1接通。圖中的箭頭表示所加電場方向。由圖可知，被測樣品的形變方向與所加電場方向一致，均沿著探針的軸線方向。
圖3為測量薄膜橫向壓電係數的電極配置情況，4為掃描近場微波顯微鏡的探針，被測樣品3為薄膜，兩個電極12均設置在樣品薄膜的上表面，它們分別與信號發生器1接通。圖中的箭頭表示所加電場方向。由圖可知，被測樣品的形變方向(沿著探針的軸線方向)與所加電場方向(垂直探針的軸線方向)相互垂直。
具體實施例方式
實施例1測量PZT壓電陶瓷縱向壓電係數(1)按圖2所示在一個5mm×5mm×4mm的鈦鋯酸鉛(Pb(ZrTi)O3，簡稱PZT)壓電陶瓷塊樣品的上下表面上設置電極，將其固定在近場微波顯微鏡(EMP2001，美國ArielTechnology，Inc.)的掃描臺上，並按圖1、圖2所示連接所用設備並接通電源將信號發生器(SG1643，江蘇洪澤瑞特電子設備有限公司)產生的正弦交變電壓接到壓電陶瓷樣品的兩個電極上，並將近場微波顯微鏡輸出的信號接到鎖相放大器(SR 830，美國Stanford Research Systems，Inc.)的輸入端，信號發生器產生的調製信號分出一路與鎖相放大器參考信號輸入端相連，所述電源為220V市用交流電。
當鎖相放大器內設有內置信號發生器時，可不用外接信號發生器，直接將鎖相放大器內置信號發生器的輸出接到壓電陶瓷的電極即可。
(2)調整掃描近場微波顯微鏡的探針位置，使探針從遠處連續接近樣品，直到針尖與樣品的距離為45微米；(3)繼續使探針接近樣品，在針尖與樣品距離小於45微米時，每隔0.1微米從數據採集與處理系統讀取同周期調製信號v值，直到兩者距離在0-0.1微米範圍內；(4)將各種數據(掃描近場微波顯微鏡校準常數A，掃描近場微波顯微鏡微波系統的頻率響應係數S，無樣品時微波共振腔的共振頻率f0，兩平行電極間的距離L，樣品的厚度l，信號發生器給出的調製電壓V，同周期調製信號v值)輸入到數據採集與處理系統中，根據本發明的壓電係數dij計算公式計算不同探針樣品距離上測得的壓電係數dij值，對本發明的計算公式進行檢驗。
圖4是上述陶瓷塊樣品的測量結果。其中的倒三角符號是實測鎖相放大器的輸出信號(圖中未將所有的測量點畫出)，實線是用本發明的計算公式擬合的結果，其縱坐標為左側的v，測量時的調製電壓為5V，調製頻率為1kHz，並保持不變。圖中的方塊符號是用本發明計算出來的壓電係數，虛線是計算出的平均值，其縱坐標為右側的d33。從計算得出，當距離接近到10微米以下時，調製信號v的值達到噪音的3倍以上，滿足用本發明計算壓電係數的要求。不同距離上測定的縱向壓電係數的差別在噪音的範圍內，其最佳擬合值為650pm/V，該數值在用其它方法測量結果的合理誤差範圍內。由背景噪音計算出的測量精度為5pm。由此可見，當探針與樣品的距離在10μm以下時，測量的信號都足夠給出準確的結果。由此表明，本發明的測量方法具有實用性，並有較高的精確度。實施例2測量PZT薄膜的縱向壓電係數樣品是一個1μm厚的PZT壓電薄膜，按圖2所示在樣品上製作電極，選用的近場微波顯微鏡、信號發生器、鎖相放大器與實施例1相同，電路連接方式也相同。近場微波顯微鏡將探針與樣品上電極的距離選取1.24微米，並保持不變。掃描近場微波顯微鏡校準常數A、掃描近場微波顯微鏡微波系統的頻率響應係數S、無樣品時微波共振腔的共振頻率f0均與實施例1相同。圖5中表示了鎖相放大器的輸出隨調製電壓的變化情況(方塊符號，調製頻率固定在1kHz)，圖中也給出了作為背底噪音測試的非壓電材料——玻璃的測量結果(實心園圈)。從圖中可以看出鎖相放大器的輸出與調製電壓滿足很好的線性關係，擬合其斜率v/V，即用本發明公式計算得到的壓電係數d33為82.2pm/V。
權利要求
1.一種利用掃描近場微波顯微鏡對材料進行壓電係數測量的方法，包括首先製作帶有電極的被測樣品，並測量其介電常數ε或通過查閱資料取得材料樣品的介電常數ε；然後將被測樣品固定在掃描近場微波顯微鏡的樣品臺上，並使形變方向沿著探針的軸線方向，設定掃描近場微波顯微鏡的探針和樣品間的距離g；其特徵在於，此後的操作步驟為(1)將信號發生器發出的交流周期調製信號加到樣品的電極上。(2)利用鎖相放大器探測樣品由於壓電效應發生周期性形變所造成的掃描近場微波顯微信號中的同周期調製信號v。(3)根據下述公式計算材料樣品的壓電係數dijdij=-1(5.80b2-9.09b+3.77)gLASf0l.vV,]]>其中A是掃描近場微波顯微鏡校準常數，S是掃描近場微波顯微鏡微波系統的頻率響應係數，f0為探針附近無樣品時微波共振腔的共振頻率，L為兩平行電極間的距離，l為樣品的厚度，V為信號發生器給出的調製電壓，b＝(ε-ε0)/(ε+ε0)，ε0是真空介電常數。
2.如權利要求1所述的利用掃描近場微波顯微鏡對材料進行壓電係數測量的方法，其特徵在於，當測量橫向壓電係數dij(i≠j)時，所述設定掃描近場微波顯微鏡的探針和樣品間的距離g在0.01R0到0.1R0之間，其中R0為針尖曲率半徑。
3.如權利要求1所述的利用掃描近場微波顯微鏡對材料進行壓電係數的測量方法，其特徵在於，當測量縱向壓電係數dii時，所述設定掃描近場微波顯微鏡的探針和樣品間的距離g在0.1微米到10微米之間。
4.如權利要求1或2所述的利用掃描近場微波顯微鏡對材料進行壓電係數的測量方法，其特徵在於，當測量橫向壓電係數dij(i≠j)時，其電極配置方法是在材料樣品的兩個側面製作電極或在薄膜材料的上表面內製作電極，使所加電場方向與測量的形變方向垂直。
5.如權利要求1或3所述的利用掃描近場微波顯微鏡對材料進行壓電係數測量的方法，其特徵在於，當測量縱向壓電係數dii時，其電極配置方法是在樣品的上下表面製作電極，使所加電場方向與測量的形變的方向一致，此時計算壓電係數dij的公式簡化為dii=-2.02gASf0vV.]]>
6.一種利用掃描近場微波顯微鏡對材料進行壓電係數的測量裝置，包括現有技術中的掃描近場微波顯微鏡的掃描臺、探針、控制器和數據採集與處理系統，其特徵在於，它還包括有信號發生器、鎖相放大器，所述信號發生器的信號輸出端用於與被測樣品的電極相連，同時分出一路連接到鎖相放大器的參考信號輸入端；所述鎖相放大器的輸入端與掃描近場微波顯微鏡控制器的頻率信號輸出端連通，該鎖相放大器的輸出端連接到數據採集與處理系統中，信號發生器、鎖相放大器和近場微波顯微鏡共同接地。
7.如權利要求6所述的利用掃描近場微波顯微鏡對材料進行壓電係數測量的裝置，其特徵在於，所述鎖相放大器內設有內置信號發生器時，直接將鎖相放大器內置信號發生器的輸出接到被測材料的電極上。
全文摘要
本發明涉及材料壓電性能的測量技術，具體涉及利用掃描近場微波顯微鏡通過逆壓電效應測量壓電係數的方法及裝置。它包括製作被測樣品並測量其介電常數ε，設定顯微鏡探針和樣品間的距離，然後(1)將信號發生器的輸出端與樣品電極相連，並分出一路連接到鎖相放大器的參考信號輸入端，使周期調製信號加到樣品電極上；(2)將鎖相放大器的輸入端與顯微鏡控制器的頻率信號輸出端連通，其輸出端連接到數據採集與處理系統，探測樣品由壓電效應周期形變造成的顯微信號中的同周期調製信號v。(3)根據
文檔編號G01R29/22GK1808154SQ20051004078
公開日2006年7月26日 申請日期2005年6月23日 優先權日2005年6月23日
發明者高琛, 趙振利, 劉磁輝 申請人:中國科學技術大學