文：布鲁克纳米表面仪器部门 彭飞博士
近日，华东师范大学的胡志高教授等人和Bruker公司合作，向人们展示了基于数据立方体的压电力显微镜（DCUBE-PFM）在空气和液体环境中测试材料的电机械性能方面的优异表现，为更加全面和深入的研究功能材料的电机械性能提供了全新的解决方案。研究成果(Probing Electromechanical Behaviors by Datacube Piezoresponse Force Microscopy in Ambient and Aqueous Environments)于2019年3月发表在《纳米技术》(Nanotechnology)杂志上(Nanotechnology 30 (23): 235701 (1-10) (2019).）。
胡志高教授等人和Bruker公司深入合作，采用最先进的压电力显微镜（PFM）技术——基于数据立方体（Data Cube）的压电力显微镜（PFM），通过在很宽的频率范围内给探针施加一个交变的电流，可以得到高维阵列的压电响应信息，从而研究材料的电机械效应。并且，这种基于数据立方体的压电力显微镜（DCUBE-PFM）也是可以工作在液体环境中的。采用这种技术，材料上每一点的电机械谱图和力学性能谱图可以同时通过非接触的模式获得。由于基于数据立方体的压电力显微镜（DCUBE-PFM）并不是工作在接触模式下，并且可以同时获得丰富的信息，这就使得它在材料的电机械性能表征方面，特别是软材料和弹性模量分布不均匀的材料，具有极大的优势。实验中，胡志高教授等人分别在空气、癸烷和去离子水中获得了LiNbO3的高分辨铁电畴区的分布图。并且系统的研究了德拜屏蔽效应以及时间分辨的场定向离子动力学。这些都是在电解质中降低压电力显微镜（PFM）空间分辨率的关键因素。理解清楚这些物理因素有助于我们更好的在溶液中获得电机械性能的高分辨成像。
局域电机械行为广泛的存在于铁电材料生、物压电体系、高分子材料以及电化学应用当中。人们一直在寻找可靠的表征方法用于观测存在于生物压电体系和单层及少层数的二维材料中的本征电机械行为。而不断发展的压电力显微镜（PFM）在过去的几十年中被证明是一种很有效的工具，用于实现电机械性能的测量。对于一些压电响应(d<10 pm V−1)较弱的材料，需要在接近探针-样品的共振频率下去观测。利用接触共振的压电力显微镜（CR-PFM）可以探测到形变在亚皮米量级的变化。但是，由于接触共振的频率与样品表面形貌以及样品的力学性能有很大影响，导致样品不同区域的共振频率有偏移。所以，更好的检测材料压电性能的压电力显微镜测试技术还需要继续进步。此外，在生物压电体系、储能材料和高分子材料的表征中，也希望对压电响应信号和力学性能的测量可以同时进行。并且，对于这些材料的表征工作也希望能够在导电的液体环境下进行。
胡志高教授等人利用Bruker研发的最新的基于数据立方体的压电力显微镜技术（DCUBE-PFM），在空气环境，非极性和极性液体环境中直接观测了材料在纳米尺度下的电机械行为。DCUBE-PFM是基于快速力曲线阵列（Fast Force Volume，FFV）进行的，可以快速直接的找到探针和样品的共振频率，使得压电力显微镜工作在共振频率下，同时，FFV模式可以给出样品的力学信息。胡志高教授等人检测了反平行极化的铌酸锂（LiNbO3，PPLN）晶体，测试是先后在空气、癸烷和去离子水中进行的。
在DCUBE-PFM中，与传统的FFV类似，探针在样品的每一点上从远处接近样品，当探针与样品接触后，探针会在样品表面停留一段时间。在这个时间内，会在一定频率范围内做一次频率扫描以获得频率依赖的压电响应信号。随后，探针会抬离表面。图1b描述了每一个像素点的探针和样品间作用力的情况。首先，探针从垂直方向接近样品表面直到达到弯曲量的设定值。接着，探针会在样品表面维持一段时间的恒定作用力，在实验中使用的力大小为100nN。对样品的电机械行为的测量就是在探针停留在样品表面这个时间段完成的。重复进行这个过程，直到完成样品表面每一个点的测量。每一次接近和远离的过程都构成了一个完整的力曲线测量，可以获得样品的力学信息，比如弹性模量、粘附力、能量损失和最大形变量。而跳跃式进行的DCUBE-PFM测量，与传统接触模式的PFM测量相比，消除了侧向力的影响。除了传统的形貌测量和力学性质测量之外，DCUBE-PFM的方法可以提供每一个测量点的频率依赖的压电响应信息，这样就获得了样品表面一个三维的数据立方体。如图1a所示，x、y坐标是样品表面的不同位置，z向坐标表示频率。三维信息代表了一个128×128像素点的样品的压电响应振幅随着样品位置和频率变化的情况。图1a中的三个平面是平行于（x，y）平面的，在三个不同驱动频率305、330和365kHz下的振幅信息。垂直方向的z轴是振幅随着驱动频率从300到370kHz变化的情况。通过沿着z轴移动，可以得到三维的振幅和相位在每一个单独驱动频率下的原始信息。通过在所有点测量的振幅-频率谱可以拟合出探针和样品的接触共振的峰位置（图2a）和接触共振下的压电响应情况（图2b）。
DCUBE-PFM也可以工作在液体环境中，配合PFSECM探针，使得极性液体环境中的压电响应测试成为可能。胡志高教授等人也观察了PPLN在去离子水以及不同离子浓度的NaCl溶液中的压电响应情况，并且系统的研究了德拜屏蔽效应以及时间分辨的场定向离子动力学，理解清楚这些物理因素有助于我们更好的在溶液中获得电机械性能的高分辨成像。
本文相关链接：
论文链接：https://doi.org/10.1088/1361-6528/ab0866
Bruker Data Cube简介：https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/nanoelectrical-lab.html
