CN105759130B - 纳米线压电系数d33的测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种纳米线压电系数d₃₃的测量装置及测量方法，所述测量装置与水平放置的纳米线(1)连接，所述测量装置包括：电极单元(2)，用于连接所述纳米线(1)的两个接触点，使所述纳米线的两个接触点处的电势相同；位移检测单元(3)，用于接触所述纳米线的两接触点之间的任意位置，在位移检测单元(3)与电极单元(2)之间存在电压差时，检测所述纳米线(1)的横向位移；以及信号处理单元(4)，分别连接所述电极单元(2)和位移检测单元(3)，用于根据所述电极单元与位移检测单元之间的电压差以及所述横向位移，得到所述纳米线的压电系数。本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置可避免纳米线两端引线电极的束缚，提高测量的准确度。

Description

纳米线压电系数d33的测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及一种测量技术，具体地，涉及一种纳米线压电系数d₃₃的测量装置及测量方法。

背景技术

随着纳米科学技术的迅速发展，人们对纳米线的研究也越来越深入广泛。纳米线不仅具有极其优良的机械性能、高比表面积和准一维特性，而且还具备优良的光学、电学、磁学等性质，因而被广泛的应用于各类微纳器件当中，例如：激光发生器、场效应晶体管、发光二极管、纳米发电机以及压电晶体管等。

而且，随着市场的需求和生活水平的提高，器件的高稳定性和高性能成为进一步发展的主要方向，而围绕着纳米线进行的电学、力学性能的精密测量则成为促进器件高稳定性、高性能的重点所在。纳米线通常作为准一维结构，沿轴向的压电系数d₃₃是表征纳米线压电性能的重要参数，它反映了纳米线沿轴向将机械能转变成电能或者将电能转变成机械能的能力，通常被用来衡量纳米线材料的压电性能。

目前，纳米线压电系数d₃₃的测量方法包括：静态法和动态法两种测量方式。其中，静态法具有重复性不好，精度过低的缺陷。而对于以往纳米线压电系数d₃₃的动态法测量而言，通常又分为两种方法：第一种是利用AFM (Atomic Force Microscope，即原子力显微镜)导电探针压在竖直生长于导电基底上的纳米线顶端，通过在针尖和基底之间施加周期性交变电压，使得具有压电性能的纳米线出现周期性伸缩振动，然后利用AFM来探测到这种伸缩振动，从而间接地得到纳米线的形变量，最终算出压电系数d₃₃。这种测量方法的精度受限于测量过程中纳米线顶端的自由振动以及纳米线的倾斜与弯曲，测量误差较大。第二种则是通过在水平设置于绝缘基底的纳米线两端分别引出电极，并在两电极间施加一周期性交变电压，使纳米线周期性伸长和缩短，利用AFM绝缘探针落于两电极间的纳米线上来采集横向 (Lateral)位移，从而间接地估测纳米线在两侧电压信号作用下的形变量，最终算出压电系数d₃₃。这种测量方法的缺陷在于，当纳米线在外加电压信号作用下发生的伸长和缩短都会被两端的引线电极束缚，因此AFM所采集到的信号并不是样品的实际形变量，而会引入较大的误差，无法得到高精确度的测量结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种纳米线压电系数d₃₃的测量装置及测量方法，可避免纳米线两端引线电极的束缚，提高测量的准确度。

为了实现上述目的，本发明提供一种纳米线压电系数d₃₃的测量装置，与水平放置的纳米线连接，所述测量装置包括：电极单元，用于连接所述纳米线的两个接触点，使所述纳米线的两个接触点处的电势相同；位移检测单元，用于接触所述纳米线的两接触点之间的任意位置，在所述位移检测单元与电极单元之间存在电压差时，检测所述纳米线的横向位移；以及信号处理单元，分别连接所述电极单元和位移检测单元，用于根据所述电极单元与所述位移检测单元之间的电压差以及横向位移，得到所述纳米线的压电系数。

优选地，所述测量装置还包括：信号矫正单元，设置于所述位移检测单元和信号处理单元之间，用于对所述位移检测单元输出的横向位移进行矫正，输出形变量并发送至所述信号处理单元；所述信号处理单元还用于根据所述形变量以及电压差，获得所述纳米线的压电系数。

优选地，所述电极单元包括：块状电极，以及至少两根引线，分别用于连接所述纳米线的两个接触点以及块状电极，使所述块状电极和纳米线形成回路，且所述纳米线的两个接触点处的电势相同。

优选地，所述位移检测单元包括导电探针，用于接触所述纳米线的两个接触点之间的任意位置。

优选地，所述测量装置还包括：基底，所述纳米线水平设置在所述基底上，且所述纳米线能够在所述基底上伸缩振动。

优选地，所述基底为光滑的绝缘刚性基底。

优选地，所述测量装置还包括：凹槽，所述纳米线水平设置在所述凹槽上，且所述纳米线两接触点之间的部分处于悬空状态。

本发明还提供一种纳米线压电系数d₃₃的测量方法，用于测量水平放置的纳米线，所述测量方法包括：在所述纳米线的两个接触点上连接电极单元，使所述纳米线的两个接触点处的电势相同；位移检测单元接触所述纳米线的两接触点之间的任意位置，在所述位移检测单元与所述电极单元之间存在电压差时，检测所述纳米线的横向位移；信号处理单元根据所述电极单元与所述位移检测单元之间的电压差以及所述横向位移，得到所述纳米线的压电系数。

优选地，所述测量方法还包括：信号矫正单元对所述横向位移进行矫正，获得形变量；所述信号处理单元还根据所述形变量以及电压差，获得所述纳米线的压电系数。

优选地，所述电压差逐渐变化或稳定不变。

本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置及测量方法通过电极单元连接待测的纳米线的两接触点，使得纳米线的两个接触点处的电势相同，当位移检测单元与电极单元之间存在电压差时，位移检测单元一侧的纳米线伸长长度ΔL_伸长刚好等于另一侧的缩短长度ΔL_缩短，而纳米线的总长度保持不变，从而可避免了以往动态测量过程中两侧电极对纳米线的束缚这一缺陷，提高了测量的准确度。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置的结构模块示意图；

图2是本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置中位移检测的结构示意图；

图3是位移检测的电路图；

图4是本发明纳米线压电系数d₃₃的测量方法的流程图。

附图标记说明

1 纳米线 2 电极单元

21 块状电极 3 位移检测单元

31 导电探针 4 信号处理单元

5 信号矫正单元 6 基底。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

如图1和图2所示，本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置与水平放置的纳米线1连接，用于测量所述纳米线的压电系数d₃₃。其中，本发明测量装置包括电极单元2，用于连接所述纳米线1的两个接触点，使所述纳米线1的两个接触点处的电势相同；位移检测单元3，用于接触所述纳米线1的两个接触点之间的任意位置，在所述位移检测单元3与电极单元2之间存在电压差时，检测所述纳米线1的横向位移；以及信号处理单元4，分别连接所述电极单元2和位移检测单元3，用于根据所述电极单元2与所述位移检测单元3之间的电压差以及所述横向位移，得到所述纳米线1的压电系数 d₃₃。

其中，所述位移检测单元3包括导电探针31(如图2所示)，用于接触所述纳米线1的两个接触点之间的任意位置。

在本实施例中，所述位移检测单元3为AFM，且在所述AFM的PFM (PiezoresponseForce Microscopy，压电力显微镜)中可分别向位移检测单元 3与所述电极单元2提供电压，使所述位移检测单元3与所述电极单元2之间存在电压差，即所述电极单元2与位移检测单元3连接(如图2所示)。此外，电极单元2与位移检测单元3还可同时或任意一者与连接外接电源，使电极单元2的电极电压与位移检测单元3的检测电压之间有稳定的电压差。

如图1所示，本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置还包括信号矫正单元5，设置于所述位移检测单元3和信号处理单元4之间，用于对所述位移检测单元3输出的横向位移进行矫正，输出形变量并发送至所述信号处理单元4；所述信号处理单元4还用于根据所述形变量以及电压差，获得所述纳米线的压电系数。

所述电极单元2包括块状电极21(如图2)；以及至少两根引线(图中未示出)，分别用于连接所述纳米线1的两个接触点以及块状电极21，使所述块状电极21和纳米线1形成回路，且所述纳米线1的两个接触点之间的电势相同。其中，所述引线为聚焦离子束(FocusedIon beam，FIB)引线，进一步地，所述引线可为聚焦离子束引铂(Pt)线。所述块状电极21为导电性能好的金属或非金属材料制成，例如：铬(Cr)或者铂(Pt)等。

本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置还包括基底6，所述纳米线1水平设置在所述基底6上(如图2所示)，且所述纳米线1能够在所述基底6 上伸缩振动。所述基底6为光滑的绝缘刚性基底，可减小接触面的摩擦，提高测量的准确性。其中，所述基底6可为表面光滑的SiO₂板或PMMA(聚甲基丙烯酸酯)板，但并不以此为限。

此外，本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置还可以包括凹槽，所述纳米线1水平设置在所述凹槽上，且所述纳米线1两接触点之间的部分处于悬空状态，可避免纳米线在伸缩振动时受接触面的影响。

本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置通过设置电极单元2，连接待测的纳米线1的两个接触点，使得纳米线1的两个接触点处的电势相同，当位移检测单元3与电极单元2之间存在电压差时，位移检测单元3一侧的纳米线伸长长度ΔL_伸长刚好等于另一侧的缩短长度ΔL_缩短，而纳米线的总长度保持不变，从而可避免了以往动态测量过程中两侧电极对纳米线的束缚这一缺陷，提高了测量的准确度。

在本实施例中，以SiO₂板为例，本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置的制作方法包括：1)通过光刻技术在SiO₂板上做块状电极21Cr/Pt；2)将含有待测的纳米线1的酒精分散液滴到SiO₂板上烘干；3)在块状电极21 边缘找到比较合适的水平设置在SiO₂板上的纳米线1，并利用聚焦离子束引 Pt线将纳米线1两端连接到块状电极21上，引线和块状电极21一起组成电极单元2；4)将块状电极21连接到AFM-PFM，AFM-PFM的导电探针31 接触纳米线1。

在所述AFM-PFM接通电源即可测量得到Lateral位移；还可以通过矫正单元5对Lateral位移进行校正，输出形变量，并经过信号处理单元4的数据处理后得到压电系数d₃₃。

其中，当电极单元2和导电探针31之间有稳定的电压差时，假设具有压电性质的纳米线1的C轴方向向右(如图3所示)，导电探针31距电极单元2的左边的距离为L₁，距电极单元2的右边的距离为L₂，当导电探针31 处于高电势，电极单元2处于低电势时，导电探针31左侧的纳米线1内将有一个向左的电场E₁，E₁同纳米线的C轴方向相反，由于压电效应及逆压电效应，这部分纳米线将缩短ΔL_缩短；同时导电探针31右侧的纳米线1内将有一个向右的电场E₂，E₂同纳米线1的C轴方向相同，这部分纳米线将伸长ΔL_伸长。通过应变的表达式及其变换：

应变S＝ΔL/L＝d_t·E＝d_t·ΔV/L；其中，所述ΔL表示纳米线的形变量， L表示导电探针与纳米线任意一个接触点间的长度，E表示导电探针与纳米线任意一个接触点间的场强，与L相对应，ΔV表示导电探针与电极单元之间的电势差。所述d_t表示压电系数的所有分量(包括d₁₁、d₂₂、d₃₃等)，但是对于我们的输入信号(电场沿着纳米线的轴向方向)而言，d_t中除了d₃₃以外的所有其他分量对我们测量到的应变都无奉献，公式中d_t≈d₃₃。因此，可以得到：d₃₃≈ΔL/ΔV。

由于纳米线1两端的电极单元2与导电探针31之间的电压差大小ΔV＝ V_high-V_low(其中，V_high表示导电探针31处的电压，V_low表示电极单元2的一个接触点处的电压)，可以得出ΔL_缩短和ΔL_伸长大小相等，都等于d₃₃·(V_high-V_low)，也就是说当在导电探针31与电极单元2之间存在电势差时，导电探针31一侧的纳米线1伸长长度ΔL_伸长刚好等于另一侧的缩短长度ΔL_缩短，而纳米线1 的总长度保持不变，这样导电探针31将跟随纳米线1落针处一起左右振动从而采集到Lateral位移，经过对Lateral位移校正后即可得到形变量ΔL，进而可计算获得压电系数d₃₃，克服了以往动态测量过程中两侧电极对纳米线的束缚这一缺陷。使用本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置进行测量时，操作快速方便，且测量的精度高。

此外，本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置适用范围广泛，可以测量的纳米线种类不限于具有压电性能的单晶纳米线，例如ZnO纳米线、GaN 纳米线、ZnS纳米线等，也可以为具有压电性能的非单晶纳米线，例如铁电材料中的PZT纳米线和BCT-BZT纳米线等。

本发明纳米线压电系数d₃₃的测量装置还可将提供的电压改为恒定电压，用于静态测量。测量时，可根据需要进行选择。

如图4所示，本发明纳米线压电系数d₃₃的测量方法包括：在所述纳米线的两个接触点上连接电极单元，使所述纳米线的两个接触点处的电势相同；位移检测单元接触所述纳米线的两接触点之间的任意位置，在所述位移检测单元与所述电极单元之间存在电压差时，检测所述纳米线的横向位移；信号处理单元根据所述电极单元与所述位移检测单元之间的电压差以及所述横向位移，得到所述纳米线的压电系数。

本发明纳米线压电系数d₃₃的测量方法通过电极单元连接待测的纳米线的两接触点，使得纳米线的两个接触点处的电势相同，可避免纳米线两端引线电极的束缚，提高测量的准确度。

本发明纳米线压电系数d₃₃的测量方法还包括：信号矫正单元对所述横向位移进行矫正，获得形变量；所述信号处理单元还根据所述形变量以及电压差，获得所述纳米线的压电系数。通过对横向位移的矫正，提高测量结果的准确性。其中，所述电压差可为逐渐变化或稳定不变(即恒定电压)，在测量时，可根据需要进行设置。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (8)

1.一种纳米线压电系数d₃₃的测量装置，与水平放置的纳米线(1)连接，其特征在于，所述测量装置包括：

电极单元(2)，用于连接所述纳米线(1)的两个接触点，使所述纳米线(1)的两个接触点处的电势相同；

位移检测单元(3)，用于接触所述纳米线(1)的两接触点之间的任意位置，在所述位移检测单元(3)与电极单元(2)之间存在电压差时，检测所述纳米线(1)的横向位移；

信号矫正单元(5)，设置于所述位移检测单元(3)和信号处理单元(4)之间，用于对所述位移检测单元(3)输出的横向位移进行矫正，输出形变量并发送至所述信号处理单元(4)；以及

信号处理单元(4)，分别连接所述电极单元(2)和位移检测单元(3)，用于根据所述电极单元(2)与所述位移检测单元(3)之间的电压差以及所述横向位移，得到所述纳米线(1)的压电系数，以及根据所述形变量以及电压差，获得所述纳米线的压电系数。

2.根据权利要求1所述的纳米线压电系数d₃₃的测量装置，其特征在于，所述电极单元(2)包括：

块状电极(21)；以及

至少两根引线，分别用于连接所述纳米线(1)的两个接触点以及块状电极(21)，使所述块状电极(21)和纳米线(1)形成回路，且所述纳米线(1)的两个接触点处的电势相同。

3.根据权利要求1所述的纳米线压电系数d₃₃的测量装置，其特征在于，所述位移检测单元(3)包括导电探针(31)，用于接触所述纳米线(1)的两个接触点之间的任意位置。

4.根据权利要求1所述的纳米线压电系数d₃₃的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：

基底(6)，所述纳米线(1)水平设置在所述基底(6)上，且所述纳米线(1)能够在所述基底(6)上伸缩振动。

5.根据权利要求4所述的纳米线压电系数d₃₃的测量装置，其特征在于，所述基底(6)为光滑的绝缘刚性基底。

6.根据权利要求1所述的纳米线压电系数d₃₃的测量装置，其特征在于，所述测量装置还包括：

凹槽，所述纳米线(1)水平设置在所述凹槽上，且所述纳米线(1)两接触点之间的部分处于悬空状态。

7.一种纳米线压电系数d₃₃的测量方法，用于测量水平放置的纳米线，其特征在于，所述测量方法包括：

在所述纳米线的两个接触点上连接电极单元，使所述纳米线的两个接触点处的电势相同；

位移检测单元接触所述纳米线的两接触点之间的任意位置，在所述位移检测单元与所述电极单元之间存在电压差时，检测所述纳米线的横向位移；

信号处理单元根据所述电极单元与所述位移检测单元之间的电压差以及所述横向位移，得到所述纳米线的压电系数；

信号矫正单元对所述横向位移进行矫正，获得形变量；

信号处理单元还根据所述形变量以及电压差，获得所述纳米线的压电系数。

8.根据权利要求7所述的纳米线压电系数d₃₃的测量方法，其特征在于，所述电压差逐渐变化或稳定不变。