lka Hermes¹, Romain Stomp^2
1Park Systems Europe, Mannheim, Germany 
²Zurich Instruments, Zurich, Switzerland

介紹

鐵電材料由于其獨特的機電特性和電學特性，在工業(yè)上得到了廣泛的應(yīng)用，例如作為致動器、傳感器和電容器等 [1], [2]。 如今，研究人員正在研究鐵電體對5G等現(xiàn)代通信技術(shù)的適用性 [3], 作為光伏電池中的活性層 [4], [5], 等等[6]。

鐵電性是相變過程中晶體對稱性變化的結(jié)果。這里，ZX離子的偏心或離子群的傾斜引入了自發(fā)的電極化。為了降低靜電能，晶體形成平行排列的極化區(qū)域。在沒有外加電場的情況下，這些疇的取向是隨機的，因此晶體的宏觀電極化率保持為零（圖1a）。然而，電場可以yongjiu地改變電疇方向，這允許為特定應(yīng)用定制電疇圖案（圖1b）。[7]

由此產(chǎn)生的電疇圖案的特征需要機電成像技術(shù)，該技術(shù)可以以高空間分辨率局部地可視化電疇，以響應(yīng)不斷減小的設(shè)備尺寸。這里，壓電力顯微鏡（PFM）是一種接觸式原子力顯微鏡（AFM）方法，是理想的選擇[8], [9]。 在PFM中，附著在懸臂梁上的導(dǎo)電針尖掃描鐵電樣品的表面，同時在針尖和樣品下方的背電極之間施加交流電壓。由于所有鐵電材料都是壓電材料，因此所施加的交流電壓會引起樣品的周期性變形，稱為壓電響應(yīng)（圖1c）。 對于垂直于樣品表面的極化區(qū)域，壓電響應(yīng)與外加交流電壓呈同相或180°異相，這取決于針尖下方區(qū)域的極化方向（圖1d）。因此，PFM相位攜帶關(guān)于疇方向的信息。同時，在極化方向相反的相鄰疇壁之間的邊界處，壓電響應(yīng)相互抵消，PFM振幅達到Z小。因此，PFM振幅顯示了疇壁的位置 [8]。

圖1: a）具有平行電極化的鐵電疇示意圖（藍色小箭頭）。隨機形成的+和-疇抵消了宏觀極化。b） 局部電場的應(yīng)用有選擇地將a-疇的取向轉(zhuǎn)換為a+疇。c） PFM工作原理：在樣品下方的導(dǎo)電背電極和針尖之間施加交流電壓，在鐵電體中引入振蕩壓電響應(yīng)（紅色雙箭頭）。懸臂梁通過光束偏轉(zhuǎn)法檢測振蕩壓電響應(yīng)。d） 根據(jù)針尖下方的電疇取向，材料要么膨脹要么收縮，導(dǎo)致相反取向的平面外電疇之間的180°相移。

在其標準配置中，PFM采用低頻交流電壓，遠離懸臂梁的接觸諧振。這種技術(shù)被稱為單頻離振PFM，它對PFM信號上針尖和表面之間的接觸力學引起的形貌串擾具有本質(zhì)上的低靈敏度。根據(jù)樣品的不同，非共振PFM可能需要較高的交流電壓振幅，以在壓電響應(yīng)中獲得足夠的信噪比。對于具有弱壓電響應(yīng)的材料，如薄膜或?qū)Ω唑?qū)動電壓敏感的材料，可以通過施加接近或在懸臂梁的接觸共振處的交流電壓來提高信噪比，該電壓大約是自由共振的三到五倍[8]。 然而，在這種單頻共振增強PFM技術(shù)中，檢測到的壓電響應(yīng)變得容易產(chǎn)生串擾，例如來自形貌和樣品力學的串擾。接觸共振的頻率很大程度上取決于穩(wěn)定和不變的針尖樣品接觸，這在掃描時很難實現(xiàn)，特別是在粗糙表面上。此外，樣品力學中的不均勻性也會引起接觸共振的額外變化[10]。

在這里，我們演示了如何通過在帶有 Zurich Instruments HF2 鎖相放大器（LIA）的Park Systems NX10 AFM上使用一種稱為雙頻共振跟蹤（DFRT）的技術(shù)，通過在PFM掃描期間跟蹤接觸共振的附加反饋來穩(wěn)定共振增強的壓電響應(yīng)。對于DFRT，HF2在由接觸諧振的一半ZD帶寬給定的頻率下產(chǎn)生接觸諧振的左右兩側(cè)頻帶。在PFM掃描期間，反饋連續(xù)比較兩個邊帶的振幅，并重新調(diào)整交流電壓的頻率，以保持振幅比恒定[10]。由于可用解調(diào)器和反饋的數(shù)量，HF2允許同時跟蹤垂直接觸諧振（CR₁）和橫向諧振（CR₂），如圖2所示。 同時，對垂直和橫向測量信號的簡易通道，以及在Park Systems NX系列上可以直接將外部針尖偏壓施加到懸臂上，從而實現(xiàn)了AFM和LIA的直接同步。PFM信號可通過五個可用的輔助輸入進NX AFM控制器，并由Park Systems的SmartScan?軟件或 Zurich Instruments的LabOne?軟件的數(shù)據(jù)采集模塊顯示和記錄。

圖2: 在接觸模式下的懸臂梁的頻譜，顯示垂直接觸共振CR1和橫向接觸共振CR2。用于諧振跟蹤的邊帶是在頻率fm（灰條）處由接觸諧振產(chǎn)生的，由相應(yīng)諧振的帶寬給出。反饋監(jiān)測兩個邊帶的振幅比（垂直共振為A2和A3，橫向共振為A5和A6），并重新調(diào)整交流電壓的頻率以保持比率恒定。

在本應(yīng)用說明中，我們通過DFRT成像了鉍鐵氧體（BFO）薄膜上的壓電響應(yīng)，并將結(jié)果與單頻共振增強PFM測量進行了比較。我們發(fā)現(xiàn)，在PFM振幅和PFM相位下，DFRT的形貌串擾都顯著降低，從而分別清晰地顯示了疇壁和相對疇。此外，我們還同時進行了垂直和橫向DFRT-PFM測量，說明了該技術(shù)的多功能性以及在鐵電材料上實現(xiàn)可靠和精確的區(qū)域成像的潛力。

實驗

對于鐵電BFO的DFRT-PFM測量，我們使用了Park Systems NX10結(jié)合Zurich Instruments HF2 LIA。所有的測量都是用一個導(dǎo)電的涂有PtIr的PPP-EFM懸臂梁進行的，懸臂梁的標稱彈簧常數(shù)為2.8n/m，自由共振為75kHz。當自由共振為75kHz時，我們預(yù)計垂直接觸共振在250-400khHz范圍內(nèi)，橫向接觸共振在550-750kHz范圍內(nèi)。我們?yōu)樗袙呙柽x擇了~30nN 的設(shè)定值。掃描頻率為0.2Hz，分辨率為512×512px，掃描尺寸為2×2μm。

對于垂直DFRT和單頻共振增強PFM測量，我們給出了從信號接入模塊到HF2的DY個輸入的垂直懸臂位移，同時通過HF2輸出端1通過導(dǎo)電夾式探針柄將針尖直接施加到懸臂。PFM信號通過HF2中的四個輔助輸出和NX AFM控制器上的四個輔助輸入從HF2饋送到AFM控制器。因此，通過選擇內(nèi)部接觸或PFM模式并將相應(yīng)的輔助輸入添加到測量通道中，可以通過SmartScan?顯示和記錄所需的PFM信號。如果需要收集額外的信號，我們可以通過將AFM控制器的線端觸發(fā)器連接到HF2的DOI來輕松同步AFM掃描和數(shù)據(jù)收集，并通過LabOne?啟用數(shù)據(jù)采集。

對于同時進行的橫向和縱向DFRT-PFM測量，我們給出了輸入1的垂直懸臂位移和輸入2的水平懸臂位移。垂直和橫向交流電壓頻率都可以通過輸出端1施加到懸臂梁上，將輸出端2的橫向驅(qū)動力加到垂直交流驅(qū)動上。

結(jié)果和討論

為了在結(jié)合 Instruments HF2 LIA 的Park Systems NX10 AFM上演示DFRT-PFM，我們對BFO樣品的鐵電疇進行了成像。在S次測量BFO的垂直壓電響應(yīng)之前，我們通過記錄針尖-樣品接觸時交流電壓（1V）的頻譜來建立頻率反饋。我們觀察到353kHz的垂直接觸共振。在一半ZD帶寬為4.4khz的情況下，我們分別在350.8和355.2kHz的共振下產(chǎn)生了±2.2kHz的邊帶（圖3）。一般來說，接觸諧振的對稱形狀確保了DFRT反饋的穩(wěn)定工作；我們發(fā)現(xiàn)在較高電壓下，可能由于靜電相互作用，與對稱諧振有偏差。利用ZX和邊帶頻率的適當頻率以及掃描的像素停留時間， Zurich Instruments的LabOne?軟件中的 feedback advisor 找到了適合測量的增益設(shè)置。

圖3: 針尖和接觸樣品之間交流電壓的頻譜，載波信號和兩個邊帶上的交流振幅為1V。垂直接觸諧振（CR1）位于353kHz，兩個邊帶（SB）由接觸諧振在2.2kHz產(chǎn)生。

垂直DFRT-PFM測量結(jié)果如圖4所示。成像的BFO樣品的均方根粗糙度為3.4nm，有明顯的孔，深度可達20nm（圖4a）。這些形貌特征在PFM信號中幾乎看不到（圖4b和c），這表明DFRT反饋功能良好，可以補償由JD-樣品接觸力學變化引起的形貌串擾。實際上，DFRT反饋的頻率信號（圖4d）成像的頻率在與高度通道中的孔相對應(yīng)的位置上移動。為了進一步說明PFM信號中的Z小形貌串擾，我們沿著每條信號的紅線提取了線剖面。剖面圖顯示高度通道中的孔洞，由圖像中的藍框和線剖面突出顯示，對PFM振幅影響不大，對PFM相位沒有影響。相反，我們在PFM振幅和PFM相位分別觀察到了清晰的疇壁和疇取向?qū)Ρ取FM振幅中的Z小值與PFM相位中的區(qū)域輪廓相關(guān)，該相位捕獲了完整的180°對比度，表示相反方向的平面外疇。

圖4: BFO樣品的垂直DFRT-PFM測量結(jié)果。a） 沿紅線提取線剖面的高度通道中的樣品形貌。在圖像和剖面中由藍色框勾勒出的示例性孔。b），c）在f1+f1m處在第二邊帶（SB）上測量的PFM振幅和相位，振幅為1V，分別解析疇壁的位置和疇的方向。沿紅線提取的線剖面顯示域壁處的振幅Z小值和完整的180°相位對比度，以及Z小的形貌串擾（藍框）。d） DFRT反饋的頻率信號成像由形貌中的孔洞引入的補償頻率偏移（藍框）。

為了將DFRT測量與單頻共振增強PFM測量進行比較，我們在相同樣品位置以相同的測量參數(shù)進行了另一次測量，但沒有DFRT反饋（圖5）。在這里，我們測量的PFM信號的頻率接近接觸共振與1V交流激發(fā)。圖5a中的高度通道解析了與前一個掃描相同的孔-藍色框勾勒出的一個示例性孔。然而，在此測量中，我們可以清楚地觀察到由PFM振幅中的空穴以及PFM相位引起的串擾（圖5b和c）。除了疇壁之外，PFM振幅現(xiàn)在以形貌中的孔洞為振幅Z小值。由于不了解域結(jié)構(gòu)，很難區(qū)分形貌串擾和真實的PFM信號。同樣，PFM相位在形貌中的孔洞位置顯示出相位極值，此外還有~180°的疇對比度。形貌串擾引起的相位對比度高達120°，容易導(dǎo)致數(shù)據(jù)解釋的誤差。

此外，我們在測量區(qū)域的三個不同位置記錄了具有相同懸臂、1V交流振幅和相同施加力（~30nN）的三個頻譜（圖5d）。我們發(fā)現(xiàn)在記錄的第二個頻譜中，發(fā)現(xiàn)垂直接觸共振有顯著位移接近10 kHz 。三個連續(xù)譜之間的接觸共振的這種變化wanmei地說明了跟蹤共振頻率對于共振增強PFM的重要性。

圖5: 在與先前DFRT-PFM測量相同的BFO樣品位置上進行的垂直單頻共振增強型PFM測量，樣品高度在a）、PFM振幅在b）和PFM相位在c）。測量在356kHz的1V交流振幅下進行，接觸諧振為357kHz。PFM振幅和PFM相位分別以振幅Z小值和180°相位對比度分辨疇壁的位置。兩個PFM信號都顯示出強烈的形貌串擾（藍色方框）。d） 在測量區(qū)域的三個不同位置具有1V交流振幅的三個連續(xù)頻譜，顯示垂直接觸共振（CR1）中的9kHz位移

ZH，我們測試了同時進行垂直和橫向DFRT-PFM的能力。我們使用HF2上的兩個輸入將NX10 AFM的垂直和橫向懸臂位移輸入LIA，并在垂直和橫向共振處直接向懸臂梁提供交流激勵電壓。圖6a和b顯示了350kHz（1V交流振幅）下的垂直接觸共振和690kHz（1V交流振幅）下的橫向接觸共振的頻譜。與DY次DFRT測量類似，我們根據(jù)兩次共振一半ZD帶寬確定了兩個邊帶的頻率。對于垂直信號，邊帶與接觸諧振的距離為±2kHz；對于橫向信號，邊帶與接觸諧振的距離為±1.5kHz。為了在掃描過程中獨立地跟蹤兩個共振頻率，我們使用兩個頻率反饋來跟蹤垂直共振和橫向共振。為了找到適當?shù)姆答佋鲆?，我們使用了LabOne?軟件中的advisor功能。

圖6: 針尖和接觸樣品之間交流電壓的頻譜，載波信號和兩個邊帶的交流振幅為1V。a） 垂直接觸共振（CR₁）為350kHz，兩個邊帶（SB）均由CR₁產(chǎn)生，頻率為2kHz。b） 橫向接觸共振（CR₂）為690kHz，兩者均由CR₂在1.5kHz產(chǎn)生。

圖7a顯示了與先前兩次測量（圖4和5）相同的樣品位置上的樣品形貌，解決了具有不同孔的課比較的表面結(jié)構(gòu)。垂直PFM振幅與圖4中的信號非常相似，具有清晰的疇壁對比度， 可視為振幅Z小值（圖7b）。我們觀察到了與形貌的Z小串擾，表明DFRT反饋功能良好，與之前的DFRT-PFM測量一致（圖4）。另一方面，圖7c中的側(cè)向PFM振幅顯示出與垂直PFM振幅大不相同的結(jié)構(gòu)。這里，在BFO的平面鐵彈性雙疇中解析出周期性振幅對比度，這表明成功的橫向DFRT-PFM測量[11]。

圖7: 在BFO樣品上同時進行垂直和橫向DFRT-PFM測量的結(jié)果。a） 高度通道中的樣品形貌。b），c）垂直和橫向PFM振幅。在f1+f1m和f2+f2m處的第二邊帶（SB）上以1V的振幅進行測量。垂直PFM振幅與先前的結(jié)果相似，通過成像具有Z小地形串擾的疇壁位置。橫向PFM振幅分辨特征周期鐵彈性疇。

結(jié)論

在本研究中，我們成功地利用共振增強壓電力顯微鏡（PFM）在結(jié)合 Zurich Instruments HF2（LIA）的Park Systems NX10原子力顯微鏡（AFM）上成像了鉍鐵氧體（BFO）薄膜的鐵電疇。結(jié)果表明，與單頻共振增強PFM相比，雙頻共振跟蹤（DFRT）中的附加頻率反饋會顯著地降低了形貌串擾。因此，DFRT-PFM為鐵電體的工業(yè)應(yīng)用和學術(shù)研究提供了更可靠、更準確的鐵電疇模式表征的PFM數(shù)據(jù)。特別是在粗糙樣品上，DFRT補償了針尖樣品接觸力學變化引起的接觸共振位移。此外，我們還展示了同時進行垂直和橫向DFRT-PFM測量的能力，突出了該技術(shù)在材料表征方面的多功能性和潛力。來自Park Systems的AFM上的簡易通道的測量信號使得AFM和Zurich Instruments的HF2 LIA能夠簡單地實現(xiàn)并同步用于DFRT PFM。

感謝

我們感謝德國SiLi-nano?創(chuàng)新能力ZXAkash Bhatnagar博士為我們提供了BFO樣品。

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