論文標(biāo)題：Complementary evaluation of potential barriers in semiconducting barium titanate by electrostatic force microscopy and capacitance–voltage measurements

發(fā)表期刊：Scripta Materialia (IF 5)

DOI：https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2022.114646

【引言】

       BaTiO₃陶瓷半導(dǎo)體材料是目前應(yīng)用較為廣泛的電動(dòng)汽車加熱元件。其在約130℃的溫度下，會(huì)發(fā)生鐵電-順電相變，發(fā)生相變后，材料的電阻會(huì)以數(shù)量級(jí)形式增加。這一由于溫度升高而電阻增加的微觀原因通常被認(rèn)為是材料的晶界部分產(chǎn)生了雙重肖特基勢(shì)壘。為了從微觀的角度更好地了解這一電阻變換的相關(guān)物理機(jī)制，科學(xué)家們通常用掃描探針顯微鏡（SPM）對(duì)樣品的晶界進(jìn)行研究。對(duì)于這一晶界問(wèn)題的研究較為直接的測(cè)量方式是靜電力原子力（Electrostatic Force Microscope, EFM）。然而，早期的EFM工作受限于技術(shù)的發(fā)展，很難對(duì)晶界的勢(shì)壘進(jìn)行直接的測(cè)量，而更多的是理論研究。

       近日，奧地利TDK公司與格拉茨技術(shù)大學(xué)（Graz University of Technology）合作，利用Quantum Design公司新推出的具有AFM-SEM原位同步技術(shù)的FusionScope多功能顯微鏡對(duì)BaTiO₃陶瓷的晶界勢(shì)壘進(jìn)行了直接測(cè)量，并與相關(guān)理論結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比。此外，通過(guò)向陶瓷內(nèi)添加不同含量的SiO₂，明確了晶界勢(shì)壘能量變化的相關(guān)微觀機(jī)理。相關(guān)研究工作以《Complementary evaluation of potential barriers in semiconducting barium titanate by electrostatic force microscopy and capacitance–voltage measurements》為題在SCI期刊《Scripta Materialia》上發(fā)表。

       本文中使用的FusionScope多功能顯微鏡是美國(guó)Quantum Design公司于2022年10月重磅推出的。設(shè)備將SEM和AFM技術(shù)深度融合在一臺(tái)設(shè)備上，自動(dòng)化程度高，軟件/硬件操作簡(jiǎn)單易用，可在同一時(shí)間、同一樣品區(qū)域和相同條件下實(shí)現(xiàn)原位共享坐標(biāo)測(cè)量，有效避免樣品轉(zhuǎn)移過(guò)程中的污染風(fēng)險(xiǎn)，特別適合環(huán)境敏感樣品；設(shè)備的SEM功能可實(shí)時(shí)、快速、精準(zhǔn)導(dǎo)航AFM針尖，從而實(shí)現(xiàn)AFM對(duì)感興趣區(qū)域的精準(zhǔn)定位與測(cè)量。在無(wú)需轉(zhuǎn)移樣品的情況下，可原位進(jìn)行-10°-80°的AFM與樣品臺(tái)同時(shí)旋轉(zhuǎn)測(cè)量，全程近乎可實(shí)現(xiàn)無(wú)視野盲區(qū)觀測(cè)樣品。憑借著先進(jìn)的技術(shù)和對(duì)SEM和AFM聯(lián)用技術(shù)市場(chǎng)空白的填補(bǔ)，F(xiàn)usionScope多功能顯微鏡也榮獲了R &D 100大獎(jiǎng)。

圖1. FusionScope多功能顯微鏡

【圖文導(dǎo)讀】

圖2. 左圖：不同SiO₂含量的BaTiO₃陶瓷XRD衍射結(jié)果。從上到下SiO₂含量為0%，2%，5%。右圖：Ba₂TiSi₂O₈所對(duì)應(yīng)峰部分的放大。

圖3. 在3V電壓下FusionScope的a)原子自理顯微鏡（Atomic Force Microscopy, AFM）對(duì)樣品形貌的成像效果和b) 靜電力顯微鏡（Electrostatic Force Microscopy, EFM）下相同電壓下且同一區(qū)域的成像結(jié)果。

圖4.通過(guò)FusionScope獲得的（a）SiO₂含量為0%和（c）SiO₂含量為5%的BaTiO₃陶瓷樣品的EFM結(jié)果。（b）和（d）為（a）和（c）同一微區(qū)的背散射電子成像結(jié)果。

圖5. 通過(guò)FusionScope獲得的（a）EFM成像結(jié)果，（b）同一區(qū)域的背散射衍射（EBSD）結(jié)果和（c）該區(qū)域的背散射電子成像結(jié)果。

【結(jié)論】

       奧地利TDK公司和格拉茨技術(shù)大學(xué)的研究人員，通過(guò)Quantum Design公司新推出的多功能顯微鏡FusionScope對(duì)BaTiO₃陶瓷材料的晶界進(jìn)行了直接的EFM測(cè)量，獲得了SiO₂添加含量對(duì)晶界勢(shì)壘的影響。得益于FusionScope的AFM-SEM原位共坐標(biāo)系統(tǒng)，研究人員在材料表面快速尋找到相關(guān)位置后，不僅用SEM對(duì)其成像，還利用EFM對(duì)該區(qū)域進(jìn)行直接測(cè)量，并配合EBSD等表征手段，對(duì)所選擇的微區(qū)進(jìn)行了立體綜合表征。從文中可以看出，F(xiàn)usionScope在材料微區(qū)原位表征方面擁有超卓?jī)?yōu)勢(shì)，是材料微區(qū)性能研究的得力助手。

相關(guān)產(chǎn)品：

1、FusionScope多功能顯微鏡