铁电体电畴结构的观测方法

通常条件下，有多种 力可以引起悬臂梁的 形变。对原子力显微 镜来说最常见的力是 分子间的范德华力。 左图给出了范德华力 与针尖和样品之间距 离的关系。图中标出 了两个距离区：（1） 接触区；（2）非接触 区。在接触区中样品 与针尖的距离在几个Å 左右，针尖和样品之 间的力是斥力。在非 接触区。针尖样品间 距为几十到到几百个 Å ，样品与针尖之间 的力为引力。
AFM 操作模式
接触模式
针尖与样品表面之间距离及其相互作用力关系 /Chinese/principles.asp?Action=AFM
非接触模式
轻敲模式
各种模式的特点：



接触模式（contact mode）: 恒力模式：适用于物质的表面分析 恒高模式：适用于分子、原子的图像的观察 非接触模式（non-contact mode）：灵敏度高于接 触模式,但不适于液体中成像 轻敲模式(tapping mode)：在高分子聚合物和生 物 大分子的结构研究中应用广泛
旋光法：对于具有旋光性的晶体，如 Pb5Ge3O11，还可以利用其旋光性观察 180畴。当一束偏振光沿晶体C轴传播 时，一组畴在检偏器后显示出黑暗。另 一组畴显示出光亮。
光学法观察电畴的尺寸只能到m量级。
液晶显示技术
将一薄层向列型液晶覆盖在铁电晶体表 面，由于电畴极性的影响，液晶分子会 形成一个与畴结构相应的图案，可用偏 光显微镜直接观察。一种液晶分子相对 于铁电畴的排列如图所示。这种方法优 于酸腐蚀法和粉末沉淀法。特点是方便 而且快，能迅速响应畴结构的快速变化， 并具有十分高的分辨率。此方法的主要 优点是比较容易实时观测畴在电场作用 下的运动。
I3
O1 O2 O3
G O -G
I2 I1
物平面
物镜 后焦面
成像面
Specimen
Objective lens Back focal plane
透射电镜两种的 工作模式
Objective aperture
SAD aperture
Intermediate image Intermediate lens
压电力显微镜(PFM)
BaTiO3单晶
扫描电声显微镜(SEAM)

扫描电声显微镜(SEAM)是融现代电子光学技 术、电声技术、压电传感技术、弱信号检测 和脉冲图像处理，以及计算机技术为一体的 一种新型无损分析和显微成像工具。其成像 机理是基于材料的微观热弹性能或者电学性 能的变化，获取目前其他手段无法得到的信 息。它可以原位（in situ）同时观察试样的二 次电子像和电声像（SEAM），兼有声学显 微术非破坏性内部成像和电子显微术高分辨 率快速成像的特点。
SEAM原理
当一束能量受调制的电子束入射在样品表面 上时, 入射电子的部分能量将会在离样品表面 一定的区域内被样品所吸收。被吸收的电子 能量将会以各种方式与样品发生相互作用, 如 它可以通过样品内热学性能参数的变化产生 热波, 进而产生声波; 也可以通过样品内电学 性能参数的变化直接产生声波, 因此可以通过 探测这一声波达到对样品的检测目的。
Ca0.28Ba0.72Nb2O6单晶畴结构ห้องสมุดไป่ตู้
C.J. Lu et al., Appl. Phys. Lett. 88, 201906(2006)
扫描探针显微镜(SPM)
近年来出现的扫描探针显微镜（SPM）是 研究电畴的一种有力手段，其优点是适合 于各种材料，不需要真空，而且可观测到 纳米量级的精细结构。
扫描探针显微镜的分类
扫描隧道显微镜 Scanning Tunneling Microscope (STM)
扫描力显微镜 Scanning Force Microscope (SFM) 原子力显微镜 Atomic Force Microscope (AFM) 摩擦力显微镜 Lateral Force Microscope (LFM) 磁力显微镜 Magnetic Force Microscope (MFM
静电力显微镜 Electric Force Microscope (EFM)
扫描近场光学显微镜 Scanning Near-Field Optical Microscope (SNOM)
扫描力显微镜(SFM)
扫描力显微镜是将 一个尖锐针尖装在 一个对微弱力非常 敏感的微悬臂上， 并使之与待测样品 表面有某种形式的 力接触，通过压电 陶瓷三维扫描控制 器驱动针尖或样品 进行相对扫描。作 用在样品与针尖间 的各种各样的作用 力会使得微悬臂发 生形变，这些形变 可通过光学或电学 的方法检测得出。
根据探针同样品作用力性质的不同，SFM仪器主要有三种成像模式， 接触式(contact mode)，非接触式(noncontact mode)和半接触式 (semicontact mode)（即轻敲式(tapping mode)）。
原子力显微镜(AFM)

原子力显微镜的原理是基于 样品表面与探针的相互作用， 如图所示。探测原子力的悬 臂是显著影响AFM分辨率的 基本因素。为了获取样品表 面微观结构的高分辨率，悬 臂上的针尖要足够尖。目前 广泛使用Si或Si3N4为悬臂。 有三种成像模式：接触、振 动和非接触
透射电子显微镜的基本结构
五部分
► ► ► ► ►
照明系统 成像系统 观察记录系统 真空系统 供电系统
电子与样品相互作用产生的信息
入射电子 SEM 二次电子 Auger电子
背散射电子 阴极荧光
specimen
Cherenkov辐射
吸收电子 STEM 弹性散射电子 非弹性散射电子 透射电子 TEM
透射电镜成像光学基础-阿贝成像理论
电子显微镜观察
电子显微术是目前用来观察电畴的主要 方法，其优点是分辨率高，而且可观测 电场作用下电畴的变化。
扫描电子显微镜（SEM） 透射电子显微镜（TEM） 扫描探针显微镜（SPM）
扫描电子显微镜（SEM）
SEM 主要用于观察表面形貌,为了观测电畴 需借用腐蚀技术。由于不同极性的畴被腐蚀 的程度不一样,利用腐蚀剂可在铁电体表面形 成凹凸不平的区域从而可在显微镜中进行观 察。
2nd Intermediate ‘image’ Projector lens
Diffraction pattern Screen
Final image
衍射模式
单晶衍射花样
多晶衍射花样
非晶
成像模式
低倍形貌像
高分辨晶格像




右图是BaTiO3 单晶中铁电 畴极化反转过程的TEM 形 貌图： a: 初始状态, E = 0kV/cm; b: E= 2.6kV/cm, 作用 1min 后; c: E= 2.6kV/cm, 作用3min 后; d: E= 2.6kV/cm, 作用 5min 后; e: 撤去电场, E = 0kV/cm; f: E = 5.6kV/cm, 作用1min 后。
透射电子显微镜(TEM)
透射电子显微术是目前用来观测电畴的主要 方法，其优点是分辨率高，而且可观测电场 作用下的畴的变化，同时也能观测晶体中的 缺陷及其与电畴的相互作用。电子显微术理 论成熟，结合其中的电子衍射图谱、衍射衬 度像和高分辨像，能够严格的区分不同类型 的畴界，从而在此基础上对不同类型的畴结 构进行分析。
室温下四方相PZT 铁电体自发极化方向平行于C 轴,根 据C 轴与观察表面的取相关系可将铁电畴区分为a 畴和 c 畴。a 畴的C 轴平行于观察表面;c 畴的C 轴垂直于观 察表面。不同取相铁电畴的腐蚀速率不同,表面电荷富 集的畴的腐蚀速率最快。如下图1 (a)所示,极化向量垂 直向上的铁电c 畴(c + ) 蚀刻最深,呈暗色;极化向量垂直 向下的铁c 电畴(c - ) 蚀刻最浅,呈亮色;极化向量与观察 表面平行的a 畴的蚀刻深度介于前两者之间,呈灰色。
化学腐蚀技术
利用铁电体在酸中被腐蚀的速度与偶极矩 极性有关的特点，不同极性的畴被腐蚀的 程度不一样。偶极矩正端被酸腐蚀很快， 负端侵蚀速度很慢，用显微镜可直接观察。 腐蚀技术的主要缺点是具有破坏性，而且 速度慢。
光学技术：
偏光法：常用的方法是利用铁电晶体的 双折射性质把晶片置于正交偏振片之 间，用偏光显微镜直接观察电畴结构。 这是静态畴结构和研究畴壁运动动力 学的最简单方法。但它一般不适用观 察反平行畴，因为在畴反转后折射率 不变。
电畴的观测方法
Methods for Observation of Domains
观察电畴结构的方法有许多种，其中
常见的有以下几种 ：
光学技术、电子显微镜观察、化学腐 蚀技术 、粉末沉淀法、液晶显示技术、 热电技术、x射线技术和凝雾法等
粉末沉淀法
利用绝缘液中某些有颜色的带电粒子的沉 淀位置来显示出畴结构。比如，黄色的硫 和红色的氧化铅（Pb3O4）粉末在乙烷中 将分别沉积在畴的负端和正端，从而显示 出畴结构。 这是一种相对较为原始的方法。
二次谐波法：利用光学二次谐波发生技 术可以观察180畴壁。因为180畴壁的 两边，二阶非线性极化率要改变符号且 相位相消，于是包含畴界的区域呈现出 比周围单畴区更黑暗。除揭示畴结构外， 二次谐波产生技术还能用来测量具有周 期性几何形状的非常小的畴的宽度。这 种技术能用于对二次谐波发生可实现相 位匹配的晶体。