云端课堂丨压电力显微镜（PFM）的原理及应用（下）

在文章《压电力显微镜（PFM）的原理及应用（上）》中，我们系统分享了压电力显微镜（Piezoresponse Force Microscopy, PFM）的基本原理、工作模式及关键参数等。正所谓“理论指导实践”，本篇我们将正式聚焦于PFM的实际应用案例，带您直击测试成果。

PFM主要用于纳米尺度下表征压电、铁电及多铁性材料的畴结构、压电响应与极化翻转行为。我们能够从PFM的扫图结果中获取样品微区形貌、压电畴的强度和极化方向，并通过获取蝴蝶曲线提取极化翻转电压和本征压电系数d₃₃，进而深入分析样品缺陷、界面效应对材料压电性能的影响。

目前，PFM已被广泛应用于二维材料、钙钛矿材料、氧化物薄膜材料、信息存储器件（铁电存储器）、柔性电子材料、生物压电材料及微纳机电系统（MEMS/NEMS）的研发中，为功能器件设计与失效分析提供关键性的微观依据，是连接微观结构与宏观性能不可或缺的核心工具。

本期我们将为您硬核揭秘富睿思国产高性能原子力显微镜（AFM）在多类关键样品上的PFM真实扫图成果！

1.     周期性极化铌酸锂（PPLN）

图1 PPLN面外畴Phase图像

图2 Section功能计算相位差

图1是一张扫描范围为5 μm的PPLN面外畴Phase图像，其压电畴的畴壁明显，使用Section功能计算可知，两相极化方向相差约180°（如图2所示）。

2.     锆钛酸铅镧（PLZT）

图3 PLZT面外畴Amplitude图像

图4 PLZT面外畴Phase图像

图3和图4分别是扫描范围为5 μm的PLZT面外畴Amplitude和Phase图像，其压电畴的畴壁明显，两相极化方向相差约180°。

3.     锆钛酸铅（PZT）

图5 PZT极化回字Phase图像

图5是一张扫描范围为15 μm的PZT极化回字Phase图像，其翻转电压约为±6 V，回字中两相极化方向相差约180°。

4.     氧化物薄膜

图6 氧化物薄膜的面内畴Phase图像

图6是一张扫描范围为3 μm的某种氧化物薄膜的面内畴Phase图像，图中面内畴清晰可见，可以为氧化物薄膜的压电畴分析提供可靠的数据。

5.     面内、面外畴原位测量

图7 氧化物薄膜的面内畴Phase图像

图8 氧化物薄膜的面外畴Phase图像

图7和图8分别是某种氧化物薄膜的面内畴和面外畴的原位成像相位图像，可见该氧化物薄膜同时具有面内和面外的压电特性。

6.     蝴蝶曲线测量

图9 钙钛矿薄膜的蝴蝶曲线

图9是某种钙钛矿薄膜的蝴蝶曲线，上部曲线为极化强度随直流偏压的变化曲线，下部曲线为极化相位随直流偏压的变化曲线，从曲线中可以分析出样品的极化翻转电压约为±1 V（需要排除掉静电影响）。

PFM作为一种纳米尺度的压电材料表征工具，在功能材料研究中具有不可替代的作用。它通过检测逆压电效应，实现了极化强度和极化方向的高分辨率成像，以及极化翻转行为的动态研究。如今PFM已广泛应用于传感器、二维材料、信息存储、能源材料、多功能氧化物及生物材料等领域。

不过，PFM在实际应用中也存在一定的局限性，例如对样品表面平整度要求较高，且测量结果可能会受到探针-样品相互作用的多种因素（如静电相互作用等）影响，可能会在某种程度上干扰对压电响应的准确测量。目前针对这些局限性所做出的高级改进模式（例如SS-PFM）也见诸报道，我们将在今后的文章中为您带来详细的解析。

本期应用案例均由富睿思桌面型超薄测头原子力显微镜AFM-Piccolo实测呈现。得益于其卓越的超低噪音水平和精准的测试能力，AFM-Piccolo能够轻松实现面内和面外、接触共振、蝴蝶曲线等多模态PFM测试，更支持与EFM、KPFM、C-AFM等AFM模式进行原位联用，助您多维度、全方位地拓展纳米尺度材料研究的新视界。

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