Nature I Scientific Reports I 无静电压电力显微镜

Electrostatic-free piezoresponse force microscopy

无静电压电力显微镜

图1，（a）PZT薄膜的表面电势，（b）PFM相位图和（c）PFM振幅图。使用具有〜3 N / m弹簧常数的导电AFM探针，以±5 V的电压将正极和负极施加到3μm×3μm的区域。（d）表面电势轮廓图和（e）PFM相位和振幅的区域轮廓。（f）PFM振幅和（g）相位与AC调制频率的关系。

  随着原子力显微镜(AFM)的问世，纳米尺度上的特性研究得以更深入地开展，接触式和非接触式的原子力显微镜测量方法对材料的表面特性研究起到了至关重要的作用。而原子力显微镜探针与样品表面之间的相互作用力，是测量样品形貌与其他特性的最重要因素。但是，大多数的原子力显微镜测量样品表面时，探针与样品表面之间可能同时会发生静电效应，这种静电力会阻碍原子力显微镜的精确测量，妨碍其对材料特性的准确表征。因此量化与消除静电效应对原子力显微镜测量的影响极其重要。

  2017年，Sungho Kim, Daehee Seol, Xiaoli Lu, Marin Alexe & Yunseok Kim的课题组通过建立的原子力显微镜测量模型，探讨了静电效应对压电力显微镜中机电响应（EM)的影响。并定量研究了增加外部电场和减小探针的弹簧常数等最小化静电效应的方法。这些研究成果(Electrostatic-free piezoresponse force microscopy)于2017年1月31日发表于Nature Scientific Reports (Kim, S. et al. Electrostatic-free piezoresponse force microscopy. Sci. Rep.7, 41657; doi: 10.1038/srep41657 (2017)).

  首先为了查看在不同极化方向上的一般PFM响应（即振幅差和相位差），实验利用了弹簧常数约为 3N/m的探针，在均匀向上极化的(001)定向外延PZT薄膜上获取了PFM振幅和相位图像。正电压和负电压（+5 V和−5 V）都施加在AFM针尖上，以控制极化方向。而施加正电压会引起向下极化转换（图1（b）和（c）），而施加负电压不会引起极化转换，因为所制备样品的生长状态具有向上极化。而通过进一步的SKPM测量研究了取决于电压施加的表面电荷状态的变化。如图1（a）和（d）所示，在施加正电压和负电压后，与生长状态相比，表面电势明显增加和减少。分别增加至〜300 mV和降低至〜90 mV。负（正）极区域的表面电势下降（增加）主要来自于施加负（正）电压引起的负（正）电荷注入。尽管表面电荷状态发生了变化，但图1（b）和（c）中的PFM相位和幅度图像显示了一个清晰的180°相位差，在相反极性的区域之间具有相似的幅度。此外，无论AC调制频率如何，都可以清楚地观察到类似的趋势（图1（f）和（g））。所以可以推测PFM响应不会明显地受到数百毫伏表面电势引起的静电效应的影响。

  与在PZT薄膜中观察到的PFM响应相反，当使用3N/m的探针对PPLN进行相同的PFM测量时，会观察到扭曲的PFM响应，例如，低相位差。如图2所示（a）和（b）。即使众所周知，沿着PPLN表面存在周期性的向上和向下的畴，但是获得的结果显示了不同的幅度，相对畴之间的相差很低，约为10°。观察到的结果反映出与样品有关的问题。因此，实验又测量了表面电势以确定AFM针尖/悬臂和样品表面之间是否存在静电效应，因为这种效应会扭曲PFM响应。图2（c）显示了测得的PPLN表面电势，与PZT薄膜相比，显示出更高的电势。这意味着在AFM针尖/悬臂和PPLN表面之间会产生很大的静电效应，这是由非常高的表面电势引起的，这可能会严重扭曲所测得的PFM响应。

图2（a）PFM振幅图，（b）PFM相位图和（c）使用3N/m 探针获得的PPLN表面电势。在图（c）中，插图显示了图（c）主图中虚线的线表面电势曲线。（d）PFM幅度与10-50 kHz范围内的AC调制频率之间的关系，以及（e）平均PFM幅度与施加于底部电极上的DC电压之间的关系。

  实际上，使用非接触式SKPM实验观察到了表面电势的变化，取决于施加的外部DC电压的大小。通过向底部电极施加负电压来观察PFM幅度，即在PFM测量期间，通过向AFM针尖施加正电压。图2（d）显示了不同施加的外部DC电压下PFM幅度与AC调制频率的关系图。随着施加的直流电压的增加，无论交流调制频率如何，PFM幅度都会逐渐减小然后增加。为了证明这一点，在图2（e）中示出了呈现清晰的V形的平均PFM幅度。0 VDC时的PFM幅度是顶点处的7倍，即-34左右VDC。即，由表面电势引起的静电效应明显影响了PFM响应，可以通过施加外部DC电压来明显减小和调制该响应。

  有趣的是，对于PPLN，可以清楚地观察到在相反的域之间具有相似的振幅和180°的清晰相位差，如图3（a–c）所示。这些观察结果表明，通过施加外部直流电压可以获得合理质量的PFM图像，因为它可以减少静电效应。

  另外，除了施加外部电压来降低静电影响之外，研究还从另一个角度有所突破。                                              

从公式中也可知道探针的弹性常数与静电力有关，即，施加的直流电压大小和表面电势之差成正比，与悬臂的弹簧常数成反比。

  相同的实验方法，如图3（d-f）中所演示的，使用弹簧力为〜42 N / m的AFM探针进行了额外的PFM测量。有趣的是，与使用3 N / m悬臂获得的PFM图像不同，使用42 N / m悬臂获得了清晰的PFM图像，结果如图3（d–f）所示。这些结果也表明，AFM针尖/悬臂和PPLN表面之间的静电效应是PPLN中PFM响应失真的主要机制。

图3，（a）和（b）分别是通过3N/m探针向底部电极施加-22VDC的过程中获得的PPLN的PFM振幅图和相位图，（c）是图（a）和（b）中虚线处对应的PFM振幅和相位的线轮廓 。（d）和（e）分别是通过 42N/m 的探针所获得的PPLN的PFM振幅图和相位图 （f）是图（d）和（e）中虚线处对应的PFM振幅和相位的线轮廓 。

  总之，为探讨静电效应对EM响应的影响，获得无静电的EM响应，通过使用两个样品PZT薄膜和PPLN 定量研究了静电效应对PFM的影响。在PPLN的情况下，由于较高的表面电势而产生的强静电效应会扭曲PFM幅度和相位对比度。但是，可以通过以下两种简单方法有效地将这种影响降到最低：（a）施加直流电压以消除表面电势，（b）使用相对较硬的AFM悬臂。这些观察结果表明，静电效应会直接影响测得的EM响应，并阻碍访问无静电的EM响应。尽管在PFM上观察到了静电效应的影响，但预计这些结果也将适用于其他基于AFM的测量，无论接触还是非接触模式，静电效应都会存在无疑。因此，当AFM探针与样品表面之间存在强烈的静电作用时，这些研究和实验结果为AFM的精准测量提供了不可多得的解决方案。

  实验使用与锁定放大器（SR830，Stanford Research）连用的商用原子力显微镜（NX10 AFM，Park Systems）进行PFM测量。NX10型原子力显微镜是Park原子力显微镜公司最经典的一款原子力显微镜，这是一款全自动的原子力显微镜系统，扫描分辨率达到了0.02nm，集成了PARK公司专利技术“非接触式工作模式”“智能扫描模式”“基于压电陶瓷堆积技术的平板扫描器”，并标配快速扫描模式，变速扫描模式，加上可选功能模块，使得Park NX10原子力显微镜被广泛用于物理，化学，生物，医药学，细胞学，电学，力学，半导体，磁学等方向的研究。

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