鐵電體電疇結構的觀測方法

電疇的觀測方法

MethodsforObservation

ofDomains 觀察電疇結構的方法有許多種，其中常見的有以下幾種：

光學技術、電子顯微鏡觀察、化學腐蝕技術、粉末沉淀法、液晶顯示技術、熱電技術、x射線技術和凝霧法等粉末沉淀法利用絕緣液中某些有顏色的帶電粒子的沉淀位置來顯示出疇結構。比如，黃色的硫和紅色的氧化鉛（Pb3O4）粉末在乙烷中將分別沉積在疇的負端和正端，從而顯示出疇結構。這是一種相對較為原始的方法?；瘜W腐蝕技術利用鐵電體在酸中被腐蝕的速度與偶極矩極性有關的特點，不同極性的疇被腐蝕的程度不一樣。偶極矩正端被酸腐蝕很快，負端侵蝕速度很慢，用顯微鏡可直接觀察。腐蝕技術的主要缺點是具有破壞性，而且速度慢。

光學技術：偏光法：常用的方法是利用鐵電晶體的雙折射性質(zhì)把晶片置于正交偏振片之間，用偏光顯微鏡直接觀察電疇結構。這是靜態(tài)疇結構和研究疇壁運動動力學的最簡單方法。但它一般不適用觀察反平行疇，因為在疇反轉(zhuǎn)后折射率不變。二次諧波法：利用光學二次諧波發(fā)生技術可以觀察180

疇壁。因為180

疇壁的兩邊，二階非線性極化率要改變符號且相位相消，于是包含疇界的區(qū)域呈現(xiàn)出比周圍單疇區(qū)更黑暗。除揭示疇結構外，二次諧波產(chǎn)生技術還能用來測量具有周期性幾何形狀的非常小的疇的寬度。這種技術能用于對二次諧波發(fā)生可實現(xiàn)相位匹配的晶體。旋光法：對于具有旋光性的晶體，如Pb5Ge3O11，還可以利用其旋光性觀察180

疇。當一束偏振光沿晶體C軸傳播時，一組疇在檢偏器后顯示出黑暗。另一組疇顯示出光亮。光學法觀察電疇的尺寸只能到

m量級。液晶顯示技術將一薄層向列型液晶覆蓋在鐵電晶體表面，由于電疇極性的影響，液晶分子會形成一個與疇結構相應的圖案，可用偏光顯微鏡直接觀察。一種液晶分子相對于鐵電疇的排列如圖所示。這種方法優(yōu)于酸腐蝕法和粉末沉淀法。特點是方便而且快，能迅速響應疇結構的快速變化，并具有十分高的分辨率。此方法的主要優(yōu)點是比較容易實時觀測疇在電場作用下的運動。

電子顯微鏡觀察電子顯微術是目前用來觀察電疇的主要方法，其優(yōu)點是分辨率高，而且可觀測電場作用下電疇的變化。掃描電子顯微鏡（SEM）透射電子顯微鏡（TEM）掃描探針顯微鏡（SPM）掃描電子顯微鏡（SEM）

SEM主要用于觀察表面形貌,為了觀測電疇需借用腐蝕技術。由于不同極性的疇被腐蝕的程度不一樣,利用腐蝕劑可在鐵電體表面形成凹凸不平的區(qū)域從而可在顯微鏡中進行觀察。 室溫下四方相PZT鐵電體自發(fā)極化方向平行于C軸,根據(jù)C軸與觀察表面的取相關系可將鐵電疇區(qū)分為a疇和c疇。a疇的C軸平行于觀察表面;c疇的C軸垂直于觀察表面。不同取相鐵電疇的腐蝕速率不同,表面電荷富集的疇的腐蝕速率最快。如下圖1(a)所示,極化向量垂直向上的鐵電c疇(c+)蝕刻最深,呈暗色;極化向量垂直向下的鐵c電疇(c-)蝕刻最淺,呈亮色;極化向量與觀察表面平行的a疇的蝕刻深度介于前兩者之間,呈灰色。透射電子顯微鏡(TEM) 透射電子顯微術是目前用來觀測電疇的主要方法，其優(yōu)點是分辨率高，而且可觀測電場作用下的疇的變化，同時也能觀測晶體中的缺陷及其與電疇的相互作用。電子顯微術理論成熟，結合其中的電子衍射圖譜、衍射襯度像和高分辨像，能夠嚴格的區(qū)分不同類型的疇界，從而在此基礎上對不同類型的疇結構進行分析。透射電子顯微鏡的基本結構五部分?照明系統(tǒng)?成像系統(tǒng)?觀察記錄系統(tǒng)?真空系統(tǒng)?供電系統(tǒng)電子與樣品相互作用產(chǎn)生的信息specimen彈性散射電子非彈性散射電子背散射電子透射電子入射電子二次電子陰極熒光Auger電子吸收電子Cherenkov輻射SEMTEMSTEM后焦面成像面物平面O1O2O3I3I2I1GO-G物鏡透射電鏡成像光學基礎-阿貝成像理論透射電鏡兩種的工作模式SpecimenSADapertureObjectivelensIntermediateimageBackfocalplaneObjectiveaperture2ndIntermediate‘image’FinalimageProjectorlensScreenDiffractionpatternIntermediatelens單晶衍射花樣多晶衍射花樣非晶衍射模式低倍形貌像高分辨晶格像成像模式 右圖是BaTiO3

單晶中鐵電疇極化反轉(zhuǎn)過程的TEM形貌圖：a:初始狀態(tài),E=0kV/cm;b:E=2.6kV/cm,作用 1min后;c:E=2.6kV/cm,作用3min 后;d:E=2.6kV/cm,作用 5min后;e:撤去電場,E=0kV/cm;f:E=5.6kV/cm,作用1min后。Ca0.28Ba0.72Nb2O6單晶疇結構C.J.Luetal.,Appl.Phys.Lett.88,201906(2006)掃描探針顯微鏡(SPM)近年來出現(xiàn)的掃描探針顯微鏡（SPM）是研究電疇的一種有力手段，其優(yōu)點是適合于各種材料，不需要真空，而且可觀測到納米量級的精細結構。掃描隧道顯微鏡ScanningTunnelingMicroscope(STM)掃描力顯微鏡ScanningForceMicroscope(SFM)原子力顯微鏡

AtomicForceMicroscope(AFM)摩擦力顯微鏡

LateralForceMicroscope(LFM)磁力顯微鏡MagneticForceMicroscope(MFM靜電力顯微鏡ElectricForceMicroscope(EFM)掃描近場光學顯微鏡ScanningNear-FieldOptical Microscope(SNOM)掃描探針顯微鏡的分類掃描力顯微鏡是將一個尖銳針尖裝在一個對微弱力非常敏感的微懸臂上，并使之與待測樣品表面有某種形式的力接觸，通過壓電陶瓷三維掃描控制器驅(qū)動針尖或樣品進行相對掃描。作用在樣品與針尖間的各種各樣的作用力會使得微懸臂發(fā)生形變，這些形變可通過光學或電學的方法檢測得出。掃描力顯微鏡(SFM)通常條件下，有多種力可以引起懸臂梁的形變。對原子力顯微鏡來說最常見的力是分子間的范德華力。左圖給出了范德華力與針尖和樣品之間距離的關系。圖中標出了兩個距離區(qū)：（1）接觸區(qū)；（2）非接觸區(qū)。在接觸區(qū)中樣品與針尖的距離在幾個?左右，針尖和樣品之間的力是斥力。在非接觸區(qū)。針尖樣品間距為幾十到到幾百個?，樣品與針尖之間的力為引力。根據(jù)探針同樣品作用力性質(zhì)的不同，SFM儀器主要有三種成像模式，接觸式(contactmode)，非接觸式(noncontactmode)和半接觸式(semicontactmode)（即輕敲式(tappingmode)）。原子力顯微鏡(AFM)原子力顯微鏡的原理是基于樣品表面與探針的相互作用，如圖所示。探測原子力的懸臂是顯著影響AFM分辨率的基本因素。為了獲取樣品表面微觀結構的高分辨率，懸臂上的針尖要足夠尖。目前廣泛使用Si或Si3N4為懸臂。有三種成像模式：接觸、振動和非接觸AFM操作模式針尖與樣品表面之間距離及其相互作用力關系

接觸模式非接觸模式輕敲模式/Chinese/principles.asp?Action=AFM

接觸模式（contactmode）:恒力模式：適用于物質(zhì)的表面分析恒高模式：適用于分子、原子的圖像的觀察非接觸模式（non-contactmode）：靈敏度高于接觸模式,但不適于液體中成像輕敲模式(tappingmode)：在高分子聚合物和生

物大分子的結構研究中應用廣泛各種模式的特點：壓電力顯微鏡(PFM)BaTiO3單晶掃描電聲顯微鏡(SEAM)掃描電聲顯微鏡(SEAM)是融現(xiàn)代電子光學技術、電聲技術、壓電傳感技術、弱信號檢測和脈沖圖像處理，以及計算機技術為一體的一種新型無損分析和顯微成像工具。其成像機理是基于材料的微觀熱彈性能或者電學性能的變化，獲取目前其他手段無法得到的信息。它可以原位（insitu）同時觀察試樣的二次電子像和電聲像（SEAM），兼有聲學顯微術非破壞性內(nèi)部成