精准至上：干涉仪AFM为材料机电耦合测试提供卓越准确性

机电耦合现象在我们生活中的方方面面皆有应用，从声纳、医学成像、传感器，到5G通讯中的射频滤波器、数据存储器件，甚至生物体系中的听觉、心律活动等等，处处依赖机电耦合效应来维持系统的正常运转。在现今材料、器件越做越小的趋势下，原子力显微镜已经成为在微纳尺度下表征机电耦合特性的重要工具。它不仅仅能够对样品局部的压电响应进行成像，还能够测量蝴蝶曲线，操控压电或铁电性质。

光杠杆法的困难

压电力显微镜（PFM）是原子力显微镜（AFM）的一种操作模式。PFM模式通过导电探针给样品局部施加一个交变电场，同时测量其机械形变，也就是材料的压电响应。目前AFM用来监测探针运动的主流方法为光杠杆法，也就是Optical Beam Detection（OBD）。这种方法是将激光打在悬臂背面，然后反射到光电传感器。当悬臂受外力作用发生弯折，其角度变化就会导致反射激光光斑位置的改变。光杠杆实现简单，成本较低，因此市场上绝大多数AFM都是采用该方法来监测探针的运动。

图一：光杠杆法（OBD）是利用探针弯折角度（θ）变化来监测探针运动。

尽管OBD便宜简单又好用，满足AFM绝大部分的应用，但是在PFM领域中，却可能带来一些潜在的问题。举例来说，当悬臂与样品之间有静电力影响时，尽管针尖位置没有改变，却因为静电力导致悬臂弯折，让激光反射至光电传感器的位置改变，AFM系统误以为是材料的机电耦合性质。

图二：探针针尖位置不变，但光电传感器却检测到不同的激光位置。（A）探针不受任何外力，激光反射至探测器中央。（B）悬臂受静电力作用而上弯，激光反射至探测器下方。（C）悬臂受静电力作用而下弯，激光反射至探测器上方。

在2017年，美国橡树岭国家实验室的Vasudevan发表了一篇综述文章，文章中列出了一些不寻常的“铁电材料”，这些材料在宏观实验中并没有展现铁电性质，但是在微观尺度下用PFM测试却有了铁电特性。这让人不禁反思，是不是这些PFM测试中，有什么干扰因素？

另外一个奇特的现象则来自于杏仁以及玻璃实验。Asylum Research的创始人Roger在一个阳光灿烂的下午，突发奇想地随手拿了手边桌上的杏仁坚果，用PFM测量其翻转特性，让人意外的是竟然测出了很漂亮的蝴蝶曲线，但显然杏仁并不是铁电材料。无独有偶，这个不该存在的铁电特性，在玻璃上也出现了。Collins于2019年发表在ACS Nano的文章中做了个实验，将AFM的探针放在玻璃表面上测量翻转特性，以及抬离玻璃500nm之后隔空测量翻转特性，皆得到了明显的蝴蝶曲线。这说明静电力导致的探针悬臂弯折，会导致一些非铁电材料也能在微观测量中出现铁电特性假象。

图三：（左）在杏仁坚果上测出的蝴蝶曲线。（右）在玻璃表面，以及离开500nm测得的蝴蝶曲线。

干涉仪AFM——从根源上减小PFM测试假象

如果可以直接测量针尖垂直样品方向的位移，而非悬臂的偏折角度，那么测量出来的结果将不受静电力的干扰。想要实现这个方法，可以利用激光干涉的原理，去计算出针尖的位移。Asylum Research在Cypher AFM上创新性地增加了激光干涉位移传感器（Interferometric Displacement Sensor, IDS），即在探针针尖位置打上另一束激光，利用激光多普勒测振仪，直接测量针尖位移，为PFM实验提供准确、可重复的测量结果。

 

图四：激光干涉位移传感器（IDS）直接测量针尖垂直于样品的位移d。

下图，我们将IDS激光放置在悬臂上的不同位置，然后去测量玻璃的PFM翻转曲线。注意玻璃并非铁电或压电材料。当IDS激光正好落在针尖位置时（spot#2），曲线扁平，代表玻璃不具有铁电性质，为正确的测量结果。然而，当IDS激光落在偏离针尖的位置（spot#1以及spot#3），仍测出了蝴蝶曲线，这是静电力干扰所形成的假象。因此，使用IDS检测技术，并将激光正确地放置在针尖的位置，便能够分辨出材料是否真的具有机电响应。

 

图五：改变IDS激光的位置，当IDS激光刚好落在针尖位置时（spot#2），能够准确测量出材料是否具有机电响应特征。

总结而言，基于光杠杆的常规PFM技术测量的是悬臂的扭转，容易受到静电力的干扰而造成假象。而激光干涉位移传感器直接测量针尖的上下位移，表征材料真实的机电耦合效应。当前，压电和铁电的研究对象从传统的薄膜和陶瓷逐渐转向二维材料、分子晶体、铪锆氧等新材料，这对PFM测试的可靠性和准确性提出了更高的要求，干涉仪AFM这一“去伪存真”的本领将会变得越来越重要。

 

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