压电力显微镜定量表征铁电材料压电性能的定量研究

《压电力显微镜定量表征铁电材料压电性能的定量研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、博士学位论文压电力显微镜定量表征铁电材料压电性能的研究QUANTITATIVECHARACTERIZATIONSOFFERROELECTRICMATERIALSBYPIEZORESPONSEFORCEMICROSCOPY雷世明哈尔滨工业大学2016年12月国内图书分类号：O487学校代码：10213国际图书分类号：537.226密级：公开理学博士学位论文压电力显微镜定量表征铁电材料压电性能的定量研究博士研究生：雷世明导师：曹文武教授申请学位：理学博士学科：物理学所在单位：物理系答辩日期：2016年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学ClassifiedIndex:O487U.D.

2、C:537.226DissertationfortheDoctoralDegreeinScienceQUANTITATIVECHARACTERIZATIONSOFFERROELECTRICMATERIALSBYPIEZORESPONSEFORCEMICROSCOPYCandidate：ShimingLeiSupervisor：Prof.WenwuCaoAcademicDegreeAppliedfor：DoctorofScienceSpeciality：PhysicsAffiliation：DepartmentofPhysicsDateofDefence：December,201

3、6Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology摘要摘要铁电材料的微观结构和性质的研究越来越受到人们的重视。近年来该领域屡屡出现突破性的进展，这些成果的取得与现代扫描探针式显微技术的发展紧密相关，比如压电力显微镜(PiezoresponseForceMicroscopy或PFM)和导电原子力显微镜(ConductiveAtomicForceMicroscopy或c-AFM)的发展和应用。特别的，由于PFM成像分辨率高(可达到纳米量级)，成像前对样品的准备工作要求低，以及其非破坏性成像等优点，PFM已经成为铁电材

4、料中微纳米尺度铁畴和畴壁相关研究的一种重要手段。然而目前利用PFM工具来研究铁电材料微观性能的文献里，大都依赖于研究人员的直观分析。而且，对于如何同时实现纵向压电响应模式(VPFM)和横向压电响应模式(LPFM)的定量测量目前尚没有普遍接受的可行方案，本文将重点讨论如何解决这些问题。本文首先尝试利用有限元模拟的手段在准静态和解耦的框架下建立PFM成像的理论模型。然后利用该模型重点分析LPFM的信号产生机理，确定LPFM成像的压电响应本质，排除静电力主导的说法。另外，通过有限元模拟分析手段成功预测了在铌酸锂（LiNbO3）单晶180°畴上扫描的90°LPFM压电响应的存在性，这是

5、自相关实验报道以来第一次得到直接的理论支持。基于对LiNbO3材料的PFM响应的定量分析，本文进一步确立了PFM所测有效压电响应与材料本征压电常数之间的关系，比如畴壁附近90°LPFM响应主要来源于材料压电常数d22的响应。另外，本文进一步推广了该领域解析理论研究PFM响应的适用性，使其能够正确预测90°LPFM压电响应。本文进一步研究了针对VPFM信号中探针弯曲振动模式与探针屈曲振动模式二者耦合的一种解耦方案。通过对LiNbO3180°畴上的PFM扫描，本文验证了该解耦分案的可行性。经过探针几何方法标定，VPFM信号解耦得到的两组PFM响应信号，与LPFM响应信号相结合，本文

6、首次得到了单次PFM成像的三维PFM定量测量数据。该方法具有简单适用的优点，容易推广到其他对称性铁电畴壁压电响应曲线的三维分析上。另外，本文提出了一种可靠的PFM探针与样品表面面接触半径的评估方案。基于前面两个工作，本文利用PFM在LiNbO3180°孪生畴上的扫描曲线实现了VPFM和LPFM在单一样品上的同时标定。这向PFM量化表征材料压电性能迈出了重要的一步。基于该标定方法，我们利用PFM测量了(001)取向钛effeff酸铅(PbTiO3)单晶的有效压电常数d和d，并讨论了他们与PbTiO3本征压电3335-I-哈尔滨工业大学理学博士学位论文常数的关系。另一方面，本文利用

7、有限元模拟分析，探讨了利用VPFM和LPFM测量辅助确定材料压电常数的可能性。根据PFM测量结果，PbTiO3具有的压电各向异性比之前所有的相关报道都强。最后，本文介绍了利用PFM对LiRTiO4(R=La，Nd，Sm，Eu，Gd，Dy，Y和Ho)多晶材料的研究成果。根据已有的相关文献研究结果，LiRTiO4具有中心对称的结构。而根据本文的第一性原理计算结果预测，R=Sm，Eu，Gd，Dy，Y和Ho的LiRTiO4的基态不具有中心对称性，与之前文献报道的结果不同，而R=La和Nd具有中心对称