一种基于原子力显微镜的纵向压电系数测量方法

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(d

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d

此外，影响压电材料压电系数d

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d

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：

步骤1.1、将标准压电薄膜样品置于探针下方，设置探针偏压V

步骤1.2、依次调节探针偏压V

步骤1.3、根据探针偏压V

步骤1.4、在同一坐标系中，对

步骤2、根据步骤1测量得到每一个标准压电薄膜样品的围合面积S、以及每一个标准压电薄膜样品的先验纵向压电系数d

步骤3、采用步骤1.1～步骤1.4测量得到待测压电薄膜的围合面积S′，将围合面积S′带入d

从工作原理上讲：

本发明提供的一种测量压电材料纵向压电系数d

本发明使用的测量仪器为原子力显微镜，原子力显微镜探针包括：悬臂(cantilever)、锥体(cone)以及球体(shpere)三部分，如图1中左图所示为探针各部分所受静电力随针尖-样品间隙z

其中，V

当z

进一步，本发明的待测样品为压电样品，如图3所示，当针尖-压电样品间距较远时，针尖所受静电力较小，压电材料表面几乎无形变，且此时静电力主要与探针偏压有关；而当针尖逐渐靠近压电样品表面，针尖所受静电力包括受偏压影响的纯静电作用和受压电材料影响的压电部分，且由于静电力作用，压电样品表面发生形变。本发明通过设置多个探针偏压值：V

当z

结合上述工作原理可见，本发明的有益效果在于：

本发明提供的一种基于原子力显微镜的测量压电材料纵向压电系数d

综上，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d

附图说明

图1为原子力显微镜探针各部分所受静电力及各部分的静电贡献η随针尖-样品间隙z

图2为原子力显微镜探针的球冠所受静电力随球体-样品间隙z

图3为原子力显微镜探针靠近压电薄膜样品时样品表面形变示意图。

图4为当z

图5为当z

图6为纵向压电系数d

图7为本发明实施例中z

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明技术方案进行详细说明。

本实施例提供一种基于原子力显微镜的压电薄膜AlN的纵向压电系数测量方法，其中，V

当z

当z

当z

而压电薄膜AlN的纵向压电系数d

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。