使用压电响应力显微镜（PFM）在铁电材料中创建和操纵涡旋抗触发对亚博网站下载

铁电材料具有革新高密度数据存亚博网站下载储的潜力。然而，开发它们的潜力取决于增加我们对纳米铁电畴的知识，并创造新的方法来设计和操纵它们的性质。

压电响应力显微镜(PFM)是目前唯一能够提供铁电材料纳米机电信息的技术。亚博网站下载现在，一个来自韩国的研究小组已经使用这种方法来创建和操纵复杂的纳米级铁电畴。

铁电材料通过施加电场显示在两亚博网站下载个或多个稳定状态之间的自发电极。因此，它们提供了广泛的应用，这些属性在应用中开发，包括电容器，传感器，信息存储，激光组件，信号处理和过载保护设备。^1,2

创建和控制铁电畴

铁电材料通常包括空间狭窄的结亚博网站下载构域，每个结构域内具有恒定的电偶极矩。在每个域中切换偶极矩所需的能量可以变化，导致滞后作为电场变化。^3.

操纵铁电畴可以提供具有新的理想性质的材料。亚博网站下载近年来突出了纳米级域的铁电材亚博网站下载料，因为他们的潜力显着增加我们可以存储在我们的设备中的数据量。^2，3

因此，在过去的十年里，铁电体中的奇异畴态已经成为一个迅速发展的研究领域。例如，科学家们已经在各种纳米结构中创造了铁电结构，比如skyrion和涡旋。^4,5

然而，铁磁材料中的偶极子也可以排列成复杂的图案，而不需要纳米结构提供亚博网站下载的空间限制。这些复杂的图案有助于设计具有高效、高密度信息存储的材料。亚博网站下载^4,5

最近的研究发现了复杂铁电结构的存在，包括气泡结构和涡旋阵列。然而，在其他平坦、平凡的表面上创造、观察和操纵单涡旋-反涡旋对仍然是一个诱人的挑战，这可能解锁铁电体拓扑结构的精确控制。⁶

用压电响应力显微镜（PFM）成像铁电域（PFM）

PFM是一种检测局部压电变形的原子力显微镜(AFM)。这是用纳米尺度分辨率观察机电特性的唯一方法。⁷

该技术在接触模式中使用AFM探针，使尖端交替偏压。探针扫描样品的表面，施加局部电场。电场导致微小表面位移，其可以用皮肤仪精度检测。PFM信号的幅度提供了关于局部机电耦合的大小的信息，而信号的相位给出了局部偏振取向。⁷

当偏振与电场对齐时，畴膨胀，并且当偏振是抗对准时，域收缩（用于正电致伸缩系数）。可以使用垂直PFM监测这些扩展和收缩。⁷

如果极化不是平行或反平行于电场，则存在剪切位移，垂直PFM不足以充分表征样品的极化状态。为了克服这个问题，横向PFM测量利用悬臂梁的扭转运动检测平面内位移。^7、8

但是横向PFM信号会受到样本方向的影响，因此需要多个不同方向的PFM图像(称为角度分辨PFM)才能获得复杂区域的完整表征。然后通过数学操作将这些图像组合起来构建图像。⁸

使用PFM监测这些扩展，收缩和纯粹位移在样品的表面上产生铁电域的图像，并提供有关域分布的信息和表面形貌对铁电性能的影响。^7、8

利用PFM控制单涡-反涡对

在《npj量子材料》最近发表的一篇文章中，来自韩国科学技术研究院(KAIST)亚博网站下载的研究人员描述了他们如何利用PFM在一种平面铁电材料中创造出一个涡旋-反涡旋对。亚博老虎机网登录⁶

所有PFM测量都是使用配备有纳米腔V控制器和PT涂覆的Si提示的Bruker Multimode V（现在的多模8）来实现所有PFM测量。^{6, 9}

团队合成铁电BIFEO_3.（BFO）薄膜，具有平坦的表面。它们用PFM表征了BFO薄膜，发现它具有类似条纹的交替偏振域，相对较大的铁电拓扑。⁶

研究人员发现，当它们向AFM尖端施加负电脉冲时，它们能够诱导局部极化切换并在BFO膜中产生涡旋抗蒸发对。然后，使用尖端诱导的电场，它们能够分离涡旋 - 反导虫对并精确地控制它们之间的距离。⁶

他们使用角度分辨的PFM研究了这对铁电晶体的纹理，创建了一个完整的压电响应矢量图，证明他们能够成功地在平面铁电材料中创建和控制拓扑缺陷。⁶

PFM为精确的铁电元件设计打开门

我们刚刚开始发现具有奇异纳米性质的铁电材料的潜力。亚博网站下载在未来，它们无疑将在电子产品中扮演核心角色。

PFM目前是研究纳米机电性质的唯一方法，所以它注定要在理解，操纵和观察新的铁电材料及其应用方面发挥关键作用。亚博网站下载

参考资料和进一步阅读

1. “电子和光子材料的Springer手册” - Kasap S，Pupper P，Sprin亚博网站下载ger，2017。
2. '世界记录铁电记录的数据密度'https://phys.org/news/2010-08-world-denys-ferroelectric.html.
3. '铁电材料及其应用' - 徐义亚博网站下载，科学，2013。亚博老虎机网登录
4. '野生材料中的拓扑结构' - Seidel J，Springer，2亚博网站下载016。
5. “铁电学中的奇异畴态:寻找涡旋和Skyrmions”，Gregg JM，铁电学，2012。
6. 在铁电平坦地区的“人工创造和分离单伏特 - 抗藜对” - Kim J，You M，Kim Ke，Chu K，Yang Ch，NPJ量子材料，2019。亚博网站下载
7. “压电响应力显微镜和纳米铁质现象”- Gruverman A, Alexe M, Meier D，自然通讯，2019。
8. '高分辨率角度解析的横向压电响应力显微镜：平面内压电响应矢量的可视化 - Chu K，Yang Ch，2018年科学仪器评论。
9. 多模8小时的https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/multimode-8-hr/overview.html