原位觀察鐵電材料在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鐵電材料領(lǐng)域，具體涉及可以原位觀察鐵電材料在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]鐵電材料由于具有反常的光伏效應(yīng)(光生電場高達(dá)13?10 5V/cm)，理論上存在較高的光電轉(zhuǎn)換效率，在太陽能光伏領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景而備受關(guān)注。然而，由于其導(dǎo)電性較差等因素，導(dǎo)致鐵電材料的光電轉(zhuǎn)換效率和傳統(tǒng)的硅基光伏電池相比還不夠高。因此，提高鐵電材料的導(dǎo)電性是增強(qiáng)其光電轉(zhuǎn)換效率的重要手段。
[0003]我們在之前的研宄中發(fā)現(xiàn):鐵電薄膜的導(dǎo)電性可以通過對其施加電脈沖這種十分簡便的方式進(jìn)行調(diào)控。例如，Ag/Bi0.9La0.!FeO3 (BLFO) /La0.7Sr0.3Μη03 (縮寫為BLFO)異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)電性在交替電脈沖串的作用下不斷增強(qiáng)，而在相同方向的電脈沖串作用下卻不斷降低。其原因是BLFO的電疇結(jié)構(gòu)在電脈沖作用下發(fā)生了改變，而疇壁具有高導(dǎo)電性，這些疇壁會在界面附近形成導(dǎo)電通道，從而影響到異質(zhì)結(jié)的導(dǎo)電性。然而，由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，我們當(dāng)時未能直接觀察到在電脈沖作用下BLFO電疇結(jié)構(gòu)的變化，導(dǎo)致電脈沖對薄膜導(dǎo)電性的調(diào)控機(jī)制也不清楚。因此，如何觀察在脈沖電場作用下的電疇結(jié)構(gòu)就顯得十分必要且重要。
[0004]目前觀察鐵電材料電疇的方法是通過掃描探針顯微鏡(SPM)中的壓電力顯微鏡(PFM)模式，對有底電極的鐵電薄膜，SPM的導(dǎo)電探針作為上電極，電壓施加于導(dǎo)電探針和底電極之間。此方法存在以下缺點(diǎn):1.一般而言所能施加的電壓較低，約為10V，少數(shù)帶有放大器，能將電壓放到到50V及以上；2.每次只能以掃描的形式施加電場，不能對同一點(diǎn)施加連續(xù)的脈沖電壓。因此，此方式就無法觀察在交流脈沖或者直流脈沖作用下電疇結(jié)構(gòu)的變化情況。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]為了原位觀察鐵電薄膜在電場作用前后的電疇結(jié)構(gòu)，本發(fā)明提供了一種原位觀察鐵電薄膜在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的裝置及方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0007]一種原位觀察鐵電材料在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的裝置，包括:
[0008]一基片；
[0009]一下電極，生長在基片上；
[0010]一鐵電薄膜，生長在下電極上；
[0011]一絕緣層，生長在鐵電薄膜上，絕緣層上設(shè)置有至少一個電極孔；
[0012]上電極，與所述的電極孔配合設(shè)置，用于填入電極孔內(nèi)與鐵電薄膜接觸并極化鐵電薄膜。
[0013]進(jìn)一步，所述電極孔設(shè)置為兩個。
[0014]進(jìn)一步，所述電極孔面積為S，7Xl(T4mm2蘭S ^ 5X10 ^mm2O
[0015]進(jìn)一步，所述電極孔設(shè)置為正方形，邊長為100 μ m。
[0016]一種原位觀察鐵電材料在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:
[0017]A:用掃描探針顯微鏡觀察其中一個電極孔所包圍的鐵電薄膜的電疇結(jié)構(gòu)；
[0018]B:將一個上電極填入步驟A中觀察的電極孔內(nèi)，電源的正負(fù)極分別連接該上電極和下電極并施加電壓，極化上電極所覆蓋的鐵電薄膜；
[0019]C:電壓施加完后，斷開電壓源，將上電極從電極孔內(nèi)移除；
[0020]D:用掃描探針顯微鏡觀察步驟B中的電極孔所包圍的鐵電薄膜被電場極化后的電疇結(jié)構(gòu)。
[0021]進(jìn)一步，步驟B中的電源使用脈沖信號發(fā)生器，并連接電源放大器，對鐵電薄膜的同一點(diǎn)施加連續(xù)的脈沖電壓。
[0022]本發(fā)明的有益效果:
[0023]本發(fā)明的裝置在鐵電薄膜表面上生長有一絕緣層，絕緣層上設(shè)置有至少一個電極孔，上電極填入其中一個電極孔對所覆蓋的鐵電薄膜施加電壓，限制上電極與鐵電薄膜的接觸面積，對鐵電薄膜施加電壓時可以減少鐵電薄膜漏電；同時，一個電極孔所包圍的鐵電薄膜作為一個觀察點(diǎn)，觀察其在電場作用前后的鐵電薄膜的電疇結(jié)構(gòu)，每個電極孔的面積為S，7X10_4mm2蘭S ^ 5X 10 _2mm2，能夠保證觀察位置基本不變，即實(shí)現(xiàn)原位觀察。
[0024]電壓施加于上電極和下電極之間，施加的電壓通過電源提供，比較現(xiàn)有以SPM的探針作為上電極觀察鐵電薄膜電疇結(jié)構(gòu)的方法，每次只能以掃描的形式對需要觀察的鐵電薄膜施加電場，本發(fā)明不僅能夠?qū)﹁F電薄膜的同一點(diǎn)施加連續(xù)的脈沖電壓，還可以根據(jù)需要施加其他性質(zhì)的電壓，而且可以在鐵電薄膜的同一觀察點(diǎn)施加各種連續(xù)的電壓。
[0025]本發(fā)明的觀察方法電壓施加于上電極和下電極之間，電場方向垂直于鐵電薄膜，上電極所覆蓋的鐵電薄膜在電場作用下極化，本發(fā)明能原位觀察鐵電薄膜在電場作用下其電疇結(jié)構(gòu)縱向上的變化情況。
【附圖說明】
[0026]圖1是本發(fā)明的原位觀察鐵電材料在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的裝置不連接上電極的俯視圖；
[0027]圖2是圖3的剖視圖；
[0028]圖3是本發(fā)明的原位觀察鐵電材料在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的裝置連接上電極的主視圖；
[0029]圖4是另一種原位觀察鐵電材料在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的裝置的俯視圖；
[0030]圖5是圖4的剖視圖。
[0031]附圖標(biāo)記
[0032]1、2_基片；11、21-下電極；12、22_鐵電薄膜；
[0033]13、23-上電極；14-絕緣層；15-電極孔。
【具體實(shí)施方式】
[0034]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0035]如圖1、圖2和圖3所示，一種原位觀察鐵電材料在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的裝置，包括:
[0036]—基片 I ;
[0037]一下電極11，生長在基片I上；
[0038]一鐵電薄膜12，生長在下電極11上；
[0039]一絕緣層14，生長在鐵電薄膜12上，絕緣層14上設(shè)置有至少一個電極孔15 ;當(dāng)設(shè)置的電極孔15數(shù)量不止一個時，將每個電極孔15做上編號或者標(biāo)記區(qū)分，以免觀察時混淆，而且當(dāng)一個電極孔損壞后還可以觀察其他的電極孔，提高本裝置的利用率。
[0040]上電極13，與所述的電極孔15配合設(shè)置，用于填入其中一個電極孔15內(nèi)與鐵電薄膜接觸并極化鐵電薄膜。
[0041]本實(shí)施例中設(shè)置兩個電極孔15，并分別進(jìn)行編號al、a2。絕緣層14的顏色和鐵電薄膜12的顏色設(shè)置為容易區(qū)分的顏色，將上電極13填入電極孔15內(nèi)更容易找準(zhǔn)電極孔的位置。電極孔13的面積為S，7X 10_4mm2^ S ^ 5X10 _2mm2，容易制備，顯微鏡也能清楚觀察，本實(shí)施例的電極孔15設(shè)置為邊長100 μm的正方形。
[0042]一種原位觀察鐵電材料在電場作用前后電疇結(jié)構(gòu)的方法，包括以下步驟:
[0043]A:用掃描探針顯微鏡(SPM)中的PFM模式觀察其中一個電極孔15所包圍的鐵電薄膜12的電疇結(jié)構(gòu)；
[0044]B:步驟A中的電極孔15內(nèi)填入一個上電極13，電源的正負(fù)極分別連接該上電極13和下電極11并施加電壓，極化上電極13所覆蓋的鐵電薄膜12 ；
[0045]