一种压电薄膜纵向有效压电系数的测量方法技术

本发明专利技术属于材料测试技术领域，具体涉及了一种压电薄膜纵向有效压电系数的测量方法。本发明专利技术基于不同电压激励下光纤激光干涉式PFM测量所得压电响应，用简谐振动模型描述探针

【技术实现步骤摘要】
一种压电薄膜纵向有效压电系数的测量方法


[0001]本专利技术属于材料测试
，具体涉及了一种压电薄膜纵向有效压电系数(d
zz
)的测量方法。

技术介绍

[0002]压电系数测试方法一般基于逆压电效应，当在压电材料的极化方向施加电场，材料会产生变形，通过测量形变与施加电压的比值即可得到有效压电系数。在衡量压电特性的诸多参数中，纵向压电系数d
33
和横向压电系数d
31
较为重要。由于薄膜—基底结构存在基底钳制效应，故测得的压电系数均为有效值。
[0003]对薄膜材料压电系数的测量近年来有许多进展，如基于正压电效应的垂直压力加载法、电容法、PFM法和X射线衍射法，还有采用间接测量的体声波和表面声波法、复合谐振法等。其中，较为常用的垂直压力加载法是测量压电系数的标准方法，但只适用于块、体材料，无法用于薄膜压电材料。电容法的原理是测量压电形变时的电容变化。由于受到电容测量精度和薄膜/电极界面电容的影响，电容法不适用于某些压电薄膜材料。
[0004]PFM法是在原子力显微镜(Atomic Force Microscope,AFM)基础上发展起来的利用导电探针检测样品在外加激励电压下样品有效压电振动的显微镜，近年来被广泛应用于有效压电系数测试中。目前绝大多数商用AFM使用光束偏转法来测量悬臂的偏转，即利用四象限光电位置传感器检测反射光斑的位置来测量压电响应。然而光束偏转法本质上是通过测量悬臂的偏转角度进而转换为悬臂的位移量，仅是悬臂位移的间接测量。其次，由于使用的导电探针存在工艺偏差，为了定量测量需要进行严格的校准程序。另一种检测方法为光纤激光干涉法，它利用光纤激光干涉强度与悬臂位移之间的线性近似可以实现样品表面压电响应的直接测量，且使用前无需校准。相比于光束偏转法，利用光纤激光干涉法获取的压电响应具有更高的准确性和重复性。
[0005]为了测量PFM压电响应信号，通常会对导电探针施加某一固定频率的交流偏压，同时通过锁相放大器提取PFM压电响应信号。然而这样所获得的PFM压电响应信号非常的微弱，几乎和探针的热噪声相当，且测得压电响应存在频率依赖性，该方法测得周期性极化的铌酸锂纵向有效压电系数dzz分布在10
‑
100pm/V。然而直接利用单次测量中拟合所得有效压电形变表征纵向有效压电系数dzz仍无法避免本底噪声的影响，并且测量单次测量计算得到的dzz误差范围较大，难以实际应用。

技术实现思路

[0006]针对上述存在问题或不足，为实现压电薄膜纵向有效压电系数dzz精确的局部测量以及PFM测量中的频率依赖性以及热噪声的问题，本专利技术提供了一种压电薄膜纵向有效压电系数d
zz
的测量方法。基于不同电压激励下光纤激光干涉式PFM测量所得压电响应，利用简谐振动模型对压电响应多次拟合，提取出被测薄膜在不同激励下有效压电形变，结合不同激励下有效压电形变计算得到薄膜纵向有效压电系数d
zz
。
[0007]一种压电薄膜纵向有效压电系数的测量方法，具体步骤如下：
[0008]步骤1、将待测薄膜固定在位于扫描管上方的样品台上，根据光纤激光仪的工作原理和激光波长λ计算灵敏度因子
[0009]步骤2、使导电探针至待测薄膜表面相距10
‑
100um处，令V
AC
＝1V，在探针自由共振频率
±
10kHz扫频，测量探针的自由共振频率f0。
[0010]步骤3、扫描F
‑
D曲线，测量待测薄膜表面粘附力F
ad
，使压电力显微镜工作在接触模式。进一步的，本步骤通过保持针尖
‑
待测薄膜接触力F
N
＝5F
ad
恒定，以减小表面吸附力对测量的影响。
[0011]步骤4、使施加在探针上的交流电压V
AC
＝1V，在接触模式下在0
‑
2MHz内扫频，确定一阶共振峰位置
[0012]步骤5、使施加在探针与待测薄膜间的交流电源V
AC
初始值V0＝0.1
‑
0.3V，以V0为固定步长线性增加至10V0，在每个V
AC
对一阶共振峰进行扫频，并利用锁相放大器检测幅值V信号，从而计算悬臂振幅A＝s*V。测量过程中扫描管保持静止。
[0013]步骤6、使用简谐振动模型对步骤5所得的不同V
AC
激励下悬臂的振幅A代入简谐振动模型进行非线性拟合，计算有效压电形变A0，得关系曲线V
AC
‑
A0。
[0014]步骤7、对步骤6所得关系曲线V
AC
‑
A0进行一阶线性拟合，计算其斜率即为纵向有效压电系数d
zz
，完成测量。
[0015]本专利技术提供的压电薄膜纵向有效压电系数d
zz
的测量方法中，基于不同电压激励下光纤激光干涉式PFM测量所得压电响应，用简谐振动模型描述探针
‑
样品振动行为，即从探针
‑
样品共振频谱数据中提取出样品弹性模量和有效压电形变以减小热噪声的干扰以及频率依赖性，利用简谐振动模型对压电响应多次拟合，提取出被测薄膜在不同激励下有效压电形变，结合不同激励下有效压电形变计算得到薄膜纵向有效压电系数d
zz
。由于PFM极高的横向分辨率(～10
‑
20nm)和灵敏度(～0.1pm/V)，相比于传统压电系数测量方法本专利技术能实现精确的局部测量并绘制压电系数图谱。而对比基于PFM在固定频率测得周期性极化的铌酸锂dzz＝10
‑
100pm/V，使用本专利技术方法测得其dzz＝13
±
1pm/V，结果稳定且无频率依赖性。
[0016]综上所述，本专利技术能够精确的局部测量压电薄膜纵向有效压电系数dzz，消除了PFM的压电响应信号频率依赖性和本底噪声的干扰，提高了信噪比，结果稳定且无频率依赖性。
附图说明
[0017]图1为本专利技术光纤激光干涉式压电力显微镜的系统结构示意图；
[0018]图2为施加交流偏压时悬臂一阶振幅A与交流偏压频率的关系；
[0019]图3为实施例1不同交流偏压下扫频数据与简谐振动模型拟合曲线；
[0020]图4为实施例1最终待测薄膜有效压电形变A0与施加的交流偏压V
AC
关系图。
[0021]图5为实施例2不同交流偏压下铌酸锂样品的扫频数据与简谐振动模型拟合曲线；
[0022]图6为简谐振动模型拟合计算的铌酸锂有效压电形变A0与施加的交流偏压V
AC
关系。
[0023]附图标记：1
‑
扫描管，2
‑
样品台，3
‑
待测薄膜，4
‑
探针针尖，5
‑
探针悬臂，6
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种压电薄膜纵向有效压电系数的测量方法，其特征在于，具体步骤如下：步骤1、将待测薄膜固定在位于扫描管上方的样品台上，根据光纤激光仪的工作原理和激光波长λ计算灵敏度因子步骤2、使导电探针至待测薄膜表面相距10
‑
100um处，令V
AC
＝1V，在探针自由共振频率
±
10kHz扫频，测量探针的自由共振频率f0；步骤3、扫描F
‑
D曲线，测量待测薄膜表面粘附力F
ad
，使压电力显微镜工作在接触模式；步骤4、使施加在探针上的交流电压V
AC
＝1V，在接触模式下在0
‑
2MHz内扫频，确定一阶共振峰位置步骤5、使施加在探针与待测薄膜间的交流电源V
AC
初始值V0＝0.1
‑
0.3V，以V0为固定步长线性增加至10V0，在每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭斌，孟奔阳，曾慧中，王韬，张万里，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：