針對PFM技術(shù)的鐵電材料納米尺度力電耦合分析.pdf

1、壓電、鐵電材料因具有優(yōu)異的力電耦合性能，而廣泛的應(yīng)用于各類微電子器件。近年來，壓電響應(yīng)力顯微技術(shù)(PFM)已經(jīng)發(fā)展成為在納米尺度無損表征壓電、鐵電等極性材料的重要工具。但是，基于PFM的定量分析存在很大的困難，而且相應(yīng)的研究極富挑戰(zhàn)性。本論文主要針對PFM技術(shù)定量分析的相關(guān)問題展開研究，包括導(dǎo)電探針與壓電材料間的電彈性場分析，壓電系數(shù)定量分析，靜態(tài)鐵電疇成像，以及PFM對納米尺度鐵電疇結(jié)構(gòu)分辨率分析。基于發(fā)展的數(shù)值解耦方法和全耦合方法，

2、定量分析PFM中的力電耦合效應(yīng)。研究內(nèi)容包括以下幾個方面：
　　第一，發(fā)展了數(shù)值解耦方法并提出了新的全耦合方法，用于分析導(dǎo)電 SPM探針與樣品間的電彈性場。首先，基于解耦格林函數(shù)理論，提出了數(shù)值積分方法，發(fā)展了現(xiàn)有的解耦格林函數(shù)方法。另外，通過空氣和壓電材料間的耦合作用，發(fā)展了一套新的力電全耦合方法。其次，基于這兩種方法我們分析了壓電材料內(nèi)的電彈性場分布。最后，針對不同幾何形狀的針尖，提出了全耦合方法的針尖模型。結(jié)果表明，電場和位

3、移場都具有高度的局域性和非均勻性，而且全耦合方法對應(yīng)的電勢在壓電材料半空間衰減更快，從而針尖附近電場較大，但是位移則相應(yīng)較小。不同針尖模型電場集中度不同，但是位移響應(yīng)與針尖模型無關(guān)，而是取決于計算采用的是解耦方法，還是耦合方法。
　　第二，考慮PFM的接觸模式和非接觸模式，分析了壓電系數(shù)定量分析困難的原因，并提出了準(zhǔn)確定量分析壓電系數(shù)的兩種新方法。首先，考慮PFM測試為接觸模式，基于解耦方法和全耦合方法，分析了有效壓電系數(shù)與材料本

4、征參數(shù)的關(guān)系。其次，我們提出了PFM測試的非接觸模式，分析了有效壓電系數(shù)與測試條件的關(guān)系。最后，我們提出了兩種定量分析納米尺度壓電系數(shù)的新方法，即雙針頭測試方法和反演優(yōu)化材料參數(shù)方法。結(jié)果表明，有效壓電系數(shù)與材料本征電彈性常數(shù)和測試條件密切相關(guān)，甚至具有非線性關(guān)系，使得定量分析壓電系數(shù)非常困難。然而，我們提出的雙探針方法和反演優(yōu)化方法都能實現(xiàn)對分析壓電系數(shù)的準(zhǔn)確定量分析。
　　第三，基于解耦格林函數(shù)方法，發(fā)展分區(qū)數(shù)值積分方法，分析

5、了PFM技術(shù)對非均勻靜態(tài)鐵電疇結(jié)構(gòu)的成像。以180度疇、90度疇和復(fù)雜鐵電疇為例，分析了極化非均勻性對PFM振幅和相位響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，PFM位移響應(yīng)取決于材料內(nèi)部三維的極化分布，因而重構(gòu)三維鐵電疇結(jié)構(gòu)，則必需已知 VPFM和LPFM的振幅和相位響應(yīng)。
　　第四，基于相位響應(yīng)，分析了PFM對納米尺度鐵電疇結(jié)構(gòu)的分辨率。我們分別以180度面外疇和90度疇，以及180度面內(nèi)疇為例，分析了疇界響應(yīng)半寬與針尖半徑關(guān)系，進(jìn)而分析VPFM