一種新的原子力顯微鏡測(cè)量微小電流

一組研究人員在ADI公司的幫助下創(chuàng)建了一種新的原子力顯微鏡。特別是，他們使用跨阻放大器測(cè)量了由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的微小電流，該跨阻放大器包含在電流-電壓轉(zhuǎn)換器中。這項(xiàng)名為“通過(guò)直接壓電力顯微鏡揭示的壓電產(chǎn)生的電荷圖”的工作發(fā)表在科學(xué)雜志《自然通訊》上。

圖1：反相放大器拓?fù)涫疽鈭D，其中跨阻放大器的R1 = 0。

只有如此，ADI公司才提供測(cè)量微小電流所需的放大器，其零件號(hào)為ADA4530。此類(lèi)組件由一個(gè)飛安輸入偏置電流靜電計(jì)放大器組成，該放大器在跨阻配置中裝有1 TeraOhm電阻作為反饋電阻。在整個(gè)測(cè)量過(guò)程中，降低電子設(shè)備箱的環(huán)境濕度是關(guān)鍵因素，而在允許的最大偏置下工作旨在減小ADA4530的超低輸入偏置電流。使用ADI AD8429，具有反相放大器拓?fù)涞母郊与妷悍糯笃魑挥诨プ杩沟妮敵龆?。借助這種串聯(lián)的放大器，研究人員能夠直接測(cè)量幾種壓電材料產(chǎn)生的電荷。

圖2：尖端掃描幾個(gè)反平行鐵電疇的壓電表面時(shí)記錄的電流（毫微安標(biāo)度）。有兩張圖片，當(dāng)筆尖從左向右旋轉(zhuǎn)（軌跡）時(shí)以及筆尖從右向左旋轉(zhuǎn)（軌跡）時(shí)。僅當(dāng)放大器的泄漏電流低于此水平時(shí)，才可以測(cè)量如此少量的電流。

原子力顯微鏡（AFM）是材料表征中最活躍的技術(shù)之一。這一重要的繁榮在于這種顯微鏡的多功能性：不僅可以看到材料，而且還可以研究無(wú)法測(cè)量的其他特性，例如其電，磁或熱特性。這種多功能性使AFM成為一種用于材料表征的意義深遠(yuǎn)的技術(shù)，該技術(shù)本身已經(jīng)假設(shè)一個(gè)行業(yè)，其每年的利潤(rùn)報(bào)告為4億美元。

該研究集中于壓電材料的壓電產(chǎn)生的電荷的映射。壓電是一種性質(zhì)，其中由于施加到材料上的機(jī)械應(yīng)力而由材料產(chǎn)生電荷。在這項(xiàng)特殊的研究中，材料由一根細(xì)小的針頭（納米尺寸的AFM針尖）施加壓力。尖端施加的力在100微牛頓的范圍內(nèi)，并測(cè)量在材料中產(chǎn)生的電荷。對(duì)于周期性極化的鈮酸鋰，每種材料收集到的總電荷為5fC，雙峰鐵氧體為25fC，鋯鈦酸鉛為90fC。這種新模式增強(qiáng)了原子力顯微鏡技術(shù)，將其作為可用于材料研究的關(guān)鍵未來(lái)技術(shù)，并為在納米級(jí)電子計(jì)數(shù)開(kāi)辟了未來(lái)。

圖3：電子盒的圖紙，可以在其中記錄微小的產(chǎn)生電流。為了測(cè)量這種電荷的產(chǎn)生，必須使用超低泄漏電流放大器，因此所產(chǎn)生的電流不會(huì)流過(guò)電子盒。通過(guò)使用這種放大器，會(huì)吸收極少量的電流，并且會(huì)損失電流，但是可以測(cè)量和記錄絕大部分電流。

圖4：從新的DPFM模式獲得的3D成分映射。對(duì)于由周期性極化鈮酸鋰組成的樣品，既獲得了電產(chǎn)生的電荷，又獲得了其機(jī)電行為。

參考：通過(guò)直接壓電顯微鏡，A.Gomez等人，Nature Communications（2017），DOI：10.1038 / s41467-017-01361-2揭示的壓電產(chǎn)生的電荷圖譜。

編輯：hfy