[发明专利]一种基于原子力显微镜的纵向压电系数测量方法

说明书

本发明属于压电系数测试领域，具体提供一种基于原子力显微镜的纵向压电系数测量方法；通过对原子力显微镜的探针各部分静电力的贡献比例分析、以及探针所受静电力与探针‑样品间隙z₀的变化关系分析，设置探针‑样品间隙z₀的初始值z₀₀≥1μm、终止值0＜z₀₁≤10nm，使得同一压电材料样品在探针‑样品间隙z₀₀与z₀₁时分别表现为非压电和压电两种状态，并采用两种状态下的lg(|F_es|)‑lg(V_tip)曲线的围合面积S作为纵向压电系数d₃₃的表征参数，最终通过标准压电薄膜样品的标定得到d₃₃‑S曲线，进而实现待测压电薄膜的纵向压电系数的测量。本发明能够在待测压电材料样品表面无需沉淀电极的前提下，利用原子力显微镜探针的非接触模式测量得到待测压电材料样品的纵向压电系数d₃₃，且测量操作简单、测量准确度高。

技术领域

本发明属于压电系数测试领域，涉及压电材料的纵向压电系数(d₃₃)测量技术，具体提供一种基于原子力显微镜的纵向压电系数测量方法。

背景技术

压电系数是衡量压电元件机电转换效率的至关重要的参数，用以表征机械能转变为电能或把电能转变为机械能的转化系数，是实现MEMS器件的关键参数，因此准确测量压电薄膜的压电系数是研制微力传感器的重要环节。压电系数的传统测量技术主要分为直接和间接测量两种，都是在宏观尺度测量材料的压电系数。早期的测量压电材料压电系数的方法有静态法、动态法和准静态法，其中，静态法测量精度低，动态法操作复杂且只能测试圆柱体试样；而准静态法虽然测试精度较高，但由于振动力是通过点接触电极加到试样上的，因此测得的压电系数仅反映了电极接触部分局部的性能，当接触点不一样时测得的压电系数可能不同。

近年来，原子力显微镜(AFM)技术在压电系数测量领域得到快速发展，工作在压电响应模式下的原子力显微镜称为压电响应力显微镜(Piezoresponse Force Microscopy,PFM)。PFM技术作为一种纳米尺度的测试手段，其测试的压电系数是纳米尺度的压电系数。对于PFM测试技术，一方面，通常PFM测试时探针作为活动电极，针尖半径非常小，样品具有非常高的介电常数，使得针尖引起的样品内部电场具有高度非均匀特征；另一方面，PFM测试的压电位移也与压电系数之外的其他材料的本征参数有关；因此，通过PFM准确定量测试d₃₃非常困难。为了克服这一困难，通常在样品表面沉淀一个尺寸为几平方微米的电极，使电场在电极内均匀分布；但是该测试方法会大大降低PFM分辨率，且在淀积过程中可能会由于操作不当产生各种误差使得测试结果偏离实际；因此，如何避免淀积电极以减小过程产生的误差成为了本发明的研究方向。

此外，影响压电材料压电系数d₃₃的测试准确度的因素有很多，其中影响较大的是对试样受力状态有影响的一些因素，如压力是否以全部加于试样、压力的方向是否与试样极化轴相平行、测试工作面是否平整和相互平行、受力和产生感应电效应的面积是否相等、压力释放瞬间是否有试样抖动等；因此，如何避免压力对测试的纵向压电系数d₃₃准确性的不良影响同样是本发明的研究考量。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有压电材料的纵向压电系数测量方法存在的诸多问题，提供一种新的基于原子力显微镜的纵向压电系数测量方法，该方法测量过程中，待测压电材料样品表面无需沉淀电极，利用原子力显微镜的探针充当活动电极，采用非接触模式测量得到待测压电材料的纵向压电系数d₃₃；并且，该方法操作简单，测量误差小、测量准确度高。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于原子力显微镜的纵向压电系数测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、采用若干个标准压电薄膜样品，并对每一个标准压电薄膜样品进行以下测量：