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铁电薄膜电畴及其性能的扫描力显微镜研究

戴林杉  
【摘要】:扫描力显微镜(Scanning Force Microscopy, SFM)已经发展成为研究铁电薄膜材料电畴结构、电畴特性及其电性能的关键工具和方法。在众多的SFM 模式中又以压电响应模式(Piezoresponse Force Microscopy, PFM)为最主要的研究手段。铁电薄膜电畴成像是利用PFM研究铁电薄膜电性能的首要条件。作为一种具有纳米级分辨率的表面分析手段,PFM 电畴图像的解读是继续对铁电薄膜其他性能进行研究的关键。研究从PFM 电畴成像入手,讨论了样品表面“状况”,样品结构及SFM 针尖状态等成像和分辨率的主要影响因素。在特定条件下,这些因素会将假象引入电畴图像中,对图像的解读造成困难。 铁电材料的疲劳特性是影响依赖可反转极化工作的电子器件性能的关键,例如非易失性铁电存储器。研究中,用PFM 反转薄膜电畴,以研究铁电薄膜的疲劳性能。 利用PFM 对应用最广泛的PbZrxTi1-xO3(PZT)铁电薄膜材料的电畴微结构和疲劳特性之间的关系进行研究。用新方法研究PZT 疲劳特性,首次在实现样品极化疲劳宏观性能观测的同时完成了原位电畴微结构变化及微观疲劳特性的PFM 观测。研究发现晶粒与晶粒之间及畴与畴之间的钉扎效应是导致PZT 疲劳的主要原因。 铁电畴的反转分为电畴的形成和发展两个阶段。PFM 可对这两个阶段做精确的实时观测。Bi 层类钙钛矿材料是近几年研究较多的抗疲劳铁电材料。一些研究者提出Bi 层类钙钛矿材料的抗疲劳特性是由于此种材料中不存在90o电畴反转及存在较小的钉扎效应。用PFM 对La3+掺杂SBT 铁电薄膜电畴微结构及其反转特性研究发现抗疲劳特性好的Bi 层含氧八面体铁电材料仍然存在部分钉扎畴结构,并且除有180o 电畴反转外在特殊区域还存在90o 电畴反转。 SFM 除可以研究与极化相关的电畴结构及性能以外,还可以用于薄膜压电系数的测量及表面能的研究。虽然SFM 对铁电体压电系数的测量还不是十分精确,但它为我们提供了一种检测薄膜表面亚微米尺


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