材料表征教学资料 pfm cafm.ppt
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1、1,压电力显微,吴迪 南京大学材料科学与工程系,压电效应,电力耦合 (electromechanical coupling),2,电力耦合是极性键合的结果,只要晶体的对称性允许。 界面、表面和低维材料中由于对称破缺可能产生不同寻常的电力耦合。,压电效应,电力耦合 (electromechanical coupling),3,晶体材料中,d33从2 pm/V(石英)到500 pm/V(PZT)。,正压电效应:ChargeForced33,逆压电效应:StrainBiasd33,压电效应,铁电材料中的电力耦合,4,单畴铁电材料中应变,对小的ac信号,取出应变的一次谐波,有效压电系数d33-eff,
2、压电力显微 (piezoelectric force microscopy),PFM测量电压施加到样品表面时的力学响应,5,pm量级的微小形变 fA量级的微弱电流 1-10nm的微小尺度,导电的针尖,nanoelectromechanics,BaTiO3: d33=80 pm/V;相当于10 V产生0.8 nm的形变,很难测量,压电力显微 (piezoelectric force microscopy),vertical PFM:normal displacement,6,在导电针尖上施加交流电压,由于纵向压电效应,样品发生纵向形变,导致悬臂梁形变,如果频率远低于共振频率,振动的振幅正比于d3
3、3的大小 相位对应样品中的极化方向,反向电畴相位相差,压电力显微 (piezoelectric force microscopy),vertical PFM,7,正畴:位移和电压同位相,0,负畴:位移和电压相位相相反, ,压电力显微 (piezoelectric force microscopy),偏压与测量,8,conventional: switch-and-image testing,stroboscopic: time-dependent testing,spectroscopic: step-bias testing,spectroscopic: pulse-biased testi
4、ng,压电力显微 (piezoelectric force microscopy),偏压与测量,9,conventional: switch-and-image testing,PFM phase image,压电力显微 (piezoelectric force microscopy),偏压与测量,10,stroboscopic: time-dependent testing,压电力显微 (piezoelectric force microscopy),偏压与测量,11,spectroscopic: step or pulse?,step模式下静电项使回线变形,Vk使回线平移,压电力显微 (p
5、iezoelectric force microscopy),lateral PFM: shear displacement,12,畴控制,测量,压电力显微 (piezoelectric force microscopy),3D PFM,13,压电力显微 (piezoelectric force microscopy),晶体取向,14,四方结构压电晶体,如BaTiO3,电场与c轴平行,形变最大,与c轴垂直,形变为0。,压电力显微 (piezoelectric force microscopy),晶体取向,15,四方结构 (4mm),vertical PFM,lateral PFM (x),la
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