CN1808154A - 用扫描近场微波显微镜测量材料压电系数的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及材料压电性能的测量技术，具体涉及利用扫描近场微波显微镜通过逆压电效应测量压电系数的方法及装置。它包括制作被测样品并测量其介电常数ε，设定显微镜探针和样品间的距离，然后(1)将信号发生器的输出端与样品电极相连，并分出一路连接到锁相放大器的参考信号输入端，使周期调制信号加到样品电极上；(2)将锁相放大器的输入端与显微镜控制器的频率信号输出端连通，其输出端连接到数据采集与处理系统，探测样品由压电效应周期形变造成的显微信号中的同周期调制信号v。(3)根据计算压电系数d_ij。本发明的方法具有精度高，扫描速度快和微区分辨的优势；能够实现对样品的大范围快速扫描，从而能够便捷地得到材料压电性能的大面积分布情况。

Description

用扫描近场微波显微镜测量材料压电系数的方法及装置

技术领域

本发明涉及材料压电性能的测量技术，具体涉及到利用逆压电效应测量材料压电系数的方法及装置。

背景技术

压电效应是指材料在外加压力的作用下产生电荷(称为正压电效应)或在外加电压的作用下产生机械形变(称为逆压电效应)的现象，两者是同一本质的不同表现形式。具有明显压电效应的材料被称为压电材料。压电材料在单位压力作用下产生的电荷或在单位电压作用下产生的形变量被称为压电系数，用来衡量压电效应的大小。由于实现了机-电耦合，压电材料在精密机械、传感器、微电子、微机电系统等领域有广泛的应用。

现有技术中，测量材料压电系数的方法可分为两大类，分别利用正压电效应和逆压电效应。

利用正压电效应测量压电系数时，将被测压电材料制成片状，在其两个端面制作电极，然后在材料上施加压力，测量电极上的电荷，得到压电系数。按照施加压力的技术不同，它们又可分为：垂直加载法、气压平台法等。这些方法较为简单，但是精度不高，且不能表征材料微区的压电性能，目前使用的很少。

利用逆压电效应测量压电系数时，也需在被测材料上制作电极，然后通过电极向材料施加电压，测量材料的形变，得到压电系数。按照测量形变的方法不同，它们又可分为：激光干涉法和原子力显微镜法等。这些方法具有测量精度高的优势，是目前压电系数的主要测量方法。

激光干涉法利用激光干涉测距的原理测量压电效应的形变，但受光学衍射效应的制约，其空间分辨能力只能达到亚微米的量级，对薄膜的微小压电形变无法检查，观察材料的微观均匀性也有一定的限制。

原子力显微镜的工作原理是：当一根极细的针尖与物体接近到原子尺度时，针尖尖端的原子与物体上的原子发生相互作用，这一作用力会改变针尖的固有机械共振频率。以一个电子学系统激发针尖的震动，探测针尖共振的频率或振幅，并通过反馈系统调节探针与样品的距离，使共振频率或振幅恒定在一个设定值上，即可得到该点样品的高度，再通过样品和探针的相对扫描，可得到样品表面的形貌图像。用原子力显微镜测量压电系数的方法为：以导电探针(可用导电材料制作或在探针上镀导电层)接触上电极向材料施加一交变电压，由于压电效应，材料会产生一个与所加交变电压相同频率的形变，这一形变将在原子力显微镜的距离反馈系统中产生一个相同频率的反馈信号。这一信号可用一个锁相放大器探测。由于反馈信号正比于形变量，而形变量正比于压电系数，因此，经过适当的校准，如通过对已知压电系数材料样品的测量进行标定，可用此方法测量材料的压电系数。由于原子力显微镜的空间分辨率极高，该方法的测量精度也很高且具有测量材料各区域压电系数的能力。但由于原子力显微镜的探针与被测材料样品相距太近(只有原子尺度的距离)，测量大的压电形变和移动样品测量材料各个区域的压电系数时非常容易损坏针尖，因而难以实现大面积样品各个区域的快速扫描。

扫描近场微波显微镜是近几年发展起来的新技术。它将探针装在一个四分之一波长同轴微波共振腔的中心导体上，以探针负载微波，当有样品接近针尖时，通过样品与针尖微波场的相互作用，包括接触式和非接触式的，改变探针上的电荷和针尖附近的微波场分布，进而改变共振腔的共振频率和品质因素。通过探测这一变化，可以推断样品的许多性质，如样品微区的介电常数、介电损耗等。扫描近场微波显微镜的空间分辨能力已经达到了100纳米。

目前尚未发现有利用扫描近场微波显微镜对材料压电系数进行测量的报道。其原因是：扫描近场微波显微镜的频移信号依赖于样品的介电常数和样品与探针之间的距离，当被测样品是金属材料或已知材料的介电常数，则信号只依赖于探针与样品间的距离。虽然从理论上说，压电效应造成的形变可通过上述关系测量样品探针的距离改变获得，但实际上由于压电形变非常微小(有时不足1纳米)，因此由这一形变造成的微弱信号会被系统固有的噪音淹没，致使无法得到形变数据，也就是说，现有的扫描近场微波显微镜尚不能直接测量压电形变，自然也就无法得到压电系数。

发明内容：

本发明的目的在于，克服现有技术的不足，提供一种利用扫描近场微波显微镜测量材料压电系数的方法。该技术具有精度高、速度快和微区测量能力，能实现大范围的快速扫描，从而能够便捷地得到材料压电性能的大面积分布情况。

本发明的目的通过以下方式实现。

本发明利用扫描近场微波显微镜对材料进行压电系数测量的方法，包括首先制作带有电极的被测样品，并测量其介电常数ε或通过查阅资料取得材料样品的介电常数ε(对金属上电极的情况，此步省略)；然后将被测样品固定在扫描近场微波显微镜的样品台上，并使形变方向沿着探针的轴线方向，设定扫描近场微波显微镜的探针和样品间的距离g；其特征在于，此后的操作步骤为：

(1)将信号发生器发出的交流周期调制信号加到样品的电极上。

(2)利用锁相放大器探测样品由于压电效应发生周期性形变所造成的扫描近场微波显微信号中的同周期调制信号v。

(3)根据下述公式计算材料样品的压电系数d_ij：

$d_{\mathrm{ij}}=-\frac{1}{({5.80b}^2-9.09b+3.77)}\·\frac{\mathrm{gL}}{\mathrm{AS}{f}_{0}l}\·\frac{v}{V},$

其中：A是扫描近场微波显微镜校准常数，S是扫描近场微波显微镜微波系统的频率响应系数，f₀为探针附近无样品时微波共振腔的共振频率，L为两平行电极间的距离，l为样品的厚度，V为信号发生器给出的调制电压，b＝(ε-ε₀)/(ε+ε₀)，ε₀是真空介电常数。

上述方法中，所述设定扫描近场微波显微镜的探针和样品间的距离g是：当测量横向压电系数d_ij(i≠j)时，使扫描近场微波显微镜的探针控制在离样品0.01R₀到0.1R₀的距离，其中R₀为针尖曲率半径；当测量纵向压电系数d_ii时，使扫描近场微波显微镜的探针控制在离样品0.1微米到10微米的距离。

在上述测量方法中，针对测量纵向压电系数(即形变方向与所加电场方向一致)和横向压电系数(即形变方向与所加电场方向垂直)两种情况，有两种不同的电极配置方案：对于测量横向压电系数d_ij(i≠j)，在材料样品的两个侧面制作电极或在薄膜材料的上表面内制作电极，使所加电场方向与测量的形变方向垂直；对测量纵向压电系数d_ii，在样品的上下表面制作电极，使所加电场方向与测量的形变的方向一致，此时计算压电系数d_ij的公式简化为 $d_{\mathrm{ii}}=-2.02\frac{g}{\mathrm{AS}{f}_0}\frac{v}{V}.$

本发明利用扫描近场微波显微镜测量材料压电系数的装置，包括现有技术中的扫描近场微波显微镜的扫描台、探针、控制器和数据采集与处理系统，其特征在于，它还包括有信号发生器、锁相放大器，所述信号发生器的信号输出端用于与被测样品的电极相连，同时分出一路连接到锁相放大器的参考信号输入端；所述锁相放大器的输入端与扫描近场微波显微镜控制器的频率信号输出端连通，该锁相放大器的输出端连接到数据采集与处理系统中。当锁相放大器内设有内置信号发生器时，可不用外接信号发生器，而是直接将锁相放大器内置信号发生器的输出接到被测材料的电极上。信号发生器、锁相放大器和近场微波显微镜共同接地。

本发明针对扫描近场微波显微镜不能测量材料微区压电系数的不足，创造性地将调制——锁相放大技术集成到扫描近场微波显微镜中，并通过理论分析获得了调制信号与材料微区压电系数的定量关系，产生了一种利用扫描近场微波显微镜测量材料微区压电系数的新方法。由于现有技术中，扫描近场微波显微镜已经能够测量材料的微区介电常数、介电损耗、非线性介电常数，结合本发明后，这些原本需要分别测量的压电性能相关参数可以同时测量，因此，本发明扩展了扫描近场微波显微镜的应用范围。

与激光干涉法相比，本发明的距离分辨能力有了极大的提高，从亚微米提高到几皮米的水平(参见实施例1)。由于本发明的信号来自扫描近场微波显微镜，因此具有与扫描近场微波显微镜相同的横向空间分辨能力，也就是100纳米，这也优于激光干涉法的横向空间分辨能力。

与原子力显微镜方法相比，本发明方法的探针与样品间有一个微米量级的间隙，这一间隙的存在有效地避免了因扫描过程中样品台的震动或样品表面的不平造成的样品与针尖的碰撞。由于原子力显微镜中，探针与样品已接近到了原子大小的尺度，任何微小的震动都会造成样品与针尖的碰撞进而损坏探针。为了避免这一碰撞，必须留出足够的时间让针尖在样品进一步靠近时来得及退回。因此，原子力显微镜一般只能达到每秒1000点左右的图像扫描速度，扫描范围也只能到100微米左右。而在本发明中，微米量级间隙的存在，使得探针有足够的时间在样品碰到针尖前退回探针，因此图像速度和扫描范围都不受限制。现有技术中图像速度主要取决于电子技术，可达每秒10万点，而扫描范围则取决于平台的大小。这一技术上的突破在材料研究中有重要的应用前景。例如，在环保型无铅压电陶瓷的筛选中，人们从理论上预计，随着材料组元成分的变化，材料的压电性能也随着发生变化，在材料晶体结构发生变化的准同形相界附近，材料的结构受外场的影响最大，相应的压电效应也会达到极大值。为了寻找准同形相界，传统的方法需要合成一系列的样品，逐个成分研究材料的压电性质，这样的工作需要耗费大量的人力和物力，化很长的时间才能完成。采用组合方法，可将所有的成分以材料芯片的方式做在同一块基片上，一次性完成体系内所有成分的结构和性能研究。由于材料芯片的尺寸在厘米量级，对其压电性质进行表征时，需要以微区的方式大范围地快速扫描，原子力显微镜方法(扫描范围和扫描速度)和激光干涉法(灵敏度和空间分辨能力)都不能满足这一要求，只有采用本发明才能满足这一需求。

下面通过实施例及其附图作进一步说明。

附图说明

图1是本发明所述利用扫描近场微波显微镜测量材料压电系数装置的结构示意图。

图2是本发明所述测量纵向压电系数时的电极配置示意图。

图3是本发明所述测量横向压电系数时的电极配置示意图。

图4是本发明所述对PZT压电陶瓷纵向压电信号随探针样品距离变化的测量曲线。

图5是本发明所述对PZT压电薄膜纵向压电信号随调制电压变化的测量曲线。

参见图1，将带有电极的材料样品3固定在扫描近场微波显微镜的扫描台2上；5是扫描近场微波显微镜的机座，6为扫描近场微波显微镜的微波探头，信号发生器1的信号输出端与材料样品3的两个电极相连、并分出一路输入到锁相放大器9的参考信号输入端，扫描近场微波显微镜控制器7的频率信号输出端分出一路输入锁相放大器的输入端，该锁相放大器的输出端与数据采集与处理系统8连接。信号发生器1、锁相放大器9和近场微波显微镜共同接地。信号发生器1产生的交流周期调制信号通过电极加到样品上后，由于压电效应的缘故，样品3将发生周期性的形变，造成样品3和扫描近场微波显微镜的探针4之间的距离也发生周期性改变，进而造成扫描近场微波显微镜控制器7输出信号(共振频率)的周期性调制，这一同周期的调制信号将被锁相放大器9从背景噪音中提取出来，进入数据采集与处理系统8中。

图2中的电极配置方式用于纵向压电系数的测量。其中，4为扫描近场微波显微镜的探针，3为被测样品。10、11是连接在样品上下表面上的两个电极，它们分别与信号发生器1接通。图中的箭头表示所加电场方向。由图可知，被测样品的形变方向与所加电场方向一致，均沿着探针的轴线方向。

图3为测量薄膜横向压电系数的电极配置情况，4为扫描近场微波显微镜的探针，被测样品3为薄膜，两个电极12均设置在样品薄膜的上表面，它们分别与信号发生器1接通。图中的箭头表示所加电场方向。由图可知，被测样品的形变方向(沿着探针的轴线方向)与所加电场方向(垂直探针的轴线方向)相互垂直。

具体实施方式

实施例1：测量PZT压电陶瓷纵向压电系数

(1)按图2所示在一个5mm×5mm×4mm的钛锆酸铅(Pb(ZrTi)O₃，简称：PZT)压电陶瓷块样品的上下表面上设置电极，将其固定在近场微波显微镜(EMP2001，美国ArielTechnology，Inc.)的扫描台上，并按图1、图2所示连接所用设备并接通电源：将信号发生器(SG1643，江苏洪泽瑞特电子设备有限公司)产生的正弦交变电压接到压电陶瓷样品的两个电极上，并将近场微波显微镜输出的信号接到锁相放大器(SR 830，美国Stanford Research Systems，Inc.)的输入端，信号发生器产生的调制信号分出一路与锁相放大器参考信号输入端相连，所述电源为220V市用交流电。

当锁相放大器内设有内置信号发生器时，可不用外接信号发生器，直接将锁相放大器内置信号发生器的输出接到压电陶瓷的电极即可。

(2)调整扫描近场微波显微镜的探针位置，使探针从远处连续接近样品，直到针尖与样品的距离为45微米；

(3)继续使探针接近样品，在针尖与样品距离小于45微米时，每隔0.1微米从数据采集与处理系统读取同周期调制信号v值，直到两者距离在0-0.1微米范围内；

(4)将各种数据(扫描近场微波显微镜校准常数A，扫描近场微波显微镜微波系统的频率响应系数S，无样品时微波共振腔的共振频率f₀，两平行电极间的距离L，样品的厚度l，信号发生器给出的调制电压V，同周期调制信号v值)输入到数据采集与处理系统中，根据本发明的压电系数d_ij计算公式计算不同探针样品距离上测得的压电系数d_ij值，对本发明的计算公式进行检验。

图4是上述陶瓷块样品的测量结果。其中的倒三角符号是实测锁相放大器的输出信号(图中未将所有的测量点画出)，实线是用本发明的计算公式拟合的结果，其纵坐标为左侧的v，测量时的调制电压为5V，调制频率为1kHz，并保持不变。图中的方块符号是用本发明计算出来的压电系数，虚线是计算出的平均值，其纵坐标为右侧的d₃₃。从计算得出，当距离接近到10微米以下时，调制信号v的值达到噪音的3倍以上，满足用本发明计算压电系数的要求。不同距离上测定的纵向压电系数的差别在噪音的范围内，其最佳拟合值为650pm/V，该数值在用其它方法测量结果的合理误差范围内。由背景噪音计算出的测量精度为5pm。由此可见，当探针与样品的距离在10μm以下时，测量的信号都足够给出准确的结果。由此表明，本发明的测量方法具有实用性，并有较高的精确度。实施例2：测量PZT薄膜的纵向压电系数

样品是一个1μm厚的PZT压电薄膜，按图2所示在样品上制作电极，选用的近场微波显微镜、信号发生器、锁相放大器与实施例1相同，电路连接方式也相同。近场微波显微镜将探针与样品上电极的距离选取1.24微米，并保持不变。扫描近场微波显微镜校准常数A、扫描近场微波显微镜微波系统的频率响应系数S、无样品时微波共振腔的共振频率f₀均与实施例1相同。图5中表示了锁相放大器的输出随调制电压的变化情况(方块符号，调制频率固定在1kHz)，图中也给出了作为背底噪音测试的非压电材料——玻璃的测量结果(实心园圈)。从图中可以看出锁相放大器的输出与调制电压满足很好的线性关系，拟合其斜率v/V，即用本发明公式计算得到的压电系数d₃₃为82.2pm/V。

Claims (7)

1.一种利用扫描近场微波显微镜对材料进行压电系数测量的方法，包括首先制作带有电极的被测样品，并测量其介电常数ε或通过查阅资料取得材料样品的介电常数ε；然后将被测样品固定在扫描近场微波显微镜的样品台上，并使形变方向沿着探针的轴线方向，设定扫描近场微波显微镜的探针和样品间的距离g；其特征在于，此后的操作步骤为：

(1)将信号发生器发出的交流周期调制信号加到样品的电极上。

(2)利用锁相放大器探测样品由于压电效应发生周期性形变所造成的扫描近场微波显微信号中的同周期调制信号v。

(3)根据下述公式计算材料样品的压电系数d_ij：

$d_{\mathrm{ij}}=-\frac{1}{({5.80b}^2-9.09b+3.77)}\·\frac{\mathrm{gL}}{\mathrm{AS}{f}_{0}l}.\frac{v}{V},$

其中：A是扫描近场微波显微镜校准常数，S是扫描近场微波显微镜微波系统的频率响应系数，f₀为探针附近无样品时微波共振腔的共振频率，L为两平行电极间的距离，l为样品的厚度，V为信号发生器给出的调制电压，b＝(ε-ε₀)/(ε+ε₀)，ε₀是真空介电常数。

2.如权利要求1所述的利用扫描近场微波显微镜对材料进行压电系数测量的方法，其特征在于，当测量横向压电系数d_ij(i≠j)时，所述设定扫描近场微波显微镜的探针和样品间的距离g在0.01R₀到0.1R₀之间，其中R₀为针尖曲率半径。

3.如权利要求1所述的利用扫描近场微波显微镜对材料进行压电系数的测量方法，其特征在于，当测量纵向压电系数d_ii时，所述设定扫描近场微波显微镜的探针和样品间的距离g在0.1微米到10微米之间。

4.如权利要求1或2所述的利用扫描近场微波显微镜对材料进行压电系数的测量方法，其特征在于，当测量横向压电系数d_ij(i≠j)时，其电极配置方法是在材料样品的两个侧面制作电极或在薄膜材料的上表面内制作电极，使所加电场方向与测量的形变方向垂直。

5.如权利要求1或3所述的利用扫描近场微波显微镜对材料进行压电系数测量的方法，其特征在于，当测量纵向压电系数d_ii时，其电极配置方法是在样品的上下表面制作电极，使所加电场方向与测量的形变的方向一致，此时计算压电系数d_ij的公式简化为 $d_{\mathrm{ii}}=-2.02\frac{g}{\mathrm{AS}{f}_0}\frac{v}{V}.$

6.一种利用扫描近场微波显微镜对材料进行压电系数的测量装置，包括现有技术中的扫描近场微波显微镜的扫描台、探针、控制器和数据采集与处理系统，其特征在于，它还包括有信号发生器、锁相放大器，所述信号发生器的信号输出端用于与被测样品的电极相连，同时分出一路连接到锁相放大器的参考信号输入端；所述锁相放大器的输入端与扫描近场微波显微镜控制器的频率信号输出端连通，该锁相放大器的输出端连接到数据采集与处理系统中，信号发生器、锁相放大器和近场微波显微镜共同接地。

7.如权利要求6所述的利用扫描近场微波显微镜对材料进行压电系数测量的装置，其特征在于，所述锁相放大器内设有内置信号发生器时，直接将锁相放大器内置信号发生器的输出接到被测材料的电极上。

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