一组研究人员在adi公司的帮助下创建了一种新的原子力显微镜。特别是,他们使用跨阻放大器测量了由压电效应产生的微小电流,该跨阻放大器包含在电流-电压转换器中。这项名为“通过直接压电力显微镜揭示的压电产生的电荷图”的工作发表在科学杂志《自然通讯》上。
图1:反相放大器拓扑示意图,其中跨阻放大器的r1 = 0。
只有如此,adi公司才提供测量微小电流所需的放大器,其零件号为ada4530。此类组件由一个飞安输入偏置电流静电计放大器组成,该放大器在跨阻配置中装有1 teraohm电阻作为反馈电阻。在整个测量过程中,降低电子设备箱的环境湿度是关键因素,而在允许的最大偏置下工作旨在减小ada4530的超低输入偏置电流。使用adi ad8429,具有反相放大器拓扑的附加电压放大器位于互阻抗的输出端。借助这种串联的放大器,研究人员能够直接测量几种压电材料产生的电荷。
图2:尖端扫描几个反平行铁电畴的压电表面时记录的电流(毫微安标度)。有两张图片,当笔尖从左向右旋转(轨迹)时以及笔尖从右向左旋转(轨迹)时。仅当放大器的泄漏电流低于此水平时,才可以测量如此少量的电流。
原子力显微镜(afm)是材料表征中最活跃的技术之一。这一重要的繁荣在于这种显微镜的多功能性:不仅可以看到材料,而且还可以研究无法测量的其他特性,例如其电,磁或热特性。这种多功能性使afm成为一种用于材料表征的意义深远的技术,该技术本身已经假设一个行业,其每年的利润报告为4亿美元。
该研究集中于压电材料的压电产生的电荷的映射。压电是一种性质,其中由于施加到材料上的机械应力而由材料产生电荷。在这项特殊的研究中,材料由一根细小的针头(纳米尺寸的afm针尖)施加压力。尖端施加的力在100微牛顿的范围内,并测量在材料中产生的电荷。对于周期性极化的铌酸锂,每种材料收集到的总电荷为5fc,双峰铁氧体为25fc,锆钛酸铅为90fc。这种新模式增强了原子力显微镜技术,将其作为可用于材料研究的关键未来技术,并为在纳米级电子计数开辟了未来。
图3:电子盒的图纸,可以在其中记录微小的产生电流。为了测量这种电荷的产生,必须使用超低泄漏电流放大器,因此所产生的电流不会流过电子盒。通过使用这种放大器,会吸收极少量的电流,并且会损失电流,但是可以测量和记录绝大部分电流。
图4:从新的dpfm模式获得的3d成分映射。对于由周期性极化铌酸锂组成的样品,既获得了电产生的电荷,又获得了其机电行为。
参考:通过直接压电显微镜,a.gomez等人,nature communications(2017),doi:10.1038 / s41467-017-01361-2揭示的压电产生的电荷图谱。
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