压电力显微成像中机电耦合机制研究

Piezoresponse force microscopy has been widely applied in the characterization of the microstructure and properties of ferrelectirc and multiferroic materials, but the mechanism of the electromechanical coupling in the imaging process is still not clear. In this research, materials with different mechanical properties is studied based on the Euler-Bernoulli tip cantilever vibration model with the consideriation of material mechanical properties, tip geometry and ubiquitous force such as Van der Waals force and viscous force. With the combination of theoretical and experimental methods, the influence of each contributing factor on the piezoresponse force microscopy imaging and the internal mechanism of the electromechanical coupling are revealed. Furthermore, the electromechanical coupling mechanism in piezoresponse force microscopy imaging is studied in contact resonance mode, and the internal mechanism is further explored. Our reasearch is helpful for providing theoretical guidance and relevant experience in the application area of piezoresponse force microscopy in functional materials.

压电力显微镜被广泛应用于铁电多铁材料的微观结构表征与性能研究，但其成像中的机电耦合机制尚不明晰。本项目选取具有不同力学特性的材料为研究对象，综合考虑材料力学性质、针尖几何尺寸、以及范德华力、粘滞力等普遍存在的针尖与样品之间的互作用力等因素，建立不同互作用力下的Euler-Bernoulli机电耦合振动模型，进行理论求解分析，同时与实验数据相结合揭示各作用因素对于压电力显微成像信息的影响规律与机电耦合机制。进一步研究接触共振模式下压电力显微成像的机电耦合规律，探索其内在机制。研究成果可为拓展压电力显微成像技术的功能材料应用领域提供理论指导与相关经验。

压电力显微镜被广泛应用于铁电多铁材料的微观结构表征与性能研究，其具有成像精度高、材料适应性强、操作环境要求低，并且一次成像可同步采集多种物理信息的特点，但其成像中的最为主要的机电耦合机制尚不明晰。本项目针对压电力显微成像中样品与针尖悬臂系统的机电耦合问题，首先以具有不同力学性能的四类典型材料，包括橡胶，胶木，玻璃和钢为研究对象，同时结合三种典型针尖悬臂参数，采用基于Derjaguin-Muller-Toporov接触模型的Euler-Bernoulli针尖悬臂振动模型，研究取得了材料力学性质与针尖几何尺寸对于机电耦合下压电力显微成像信息的影响规律，并对比分析得到了最优成像参数。其次引入低粘性作用的Hertzian模型，理论与实验相结合取得了共振增强状态下的压电力显微成像位相信息受到接触劲度系数的影响规律。最后综合考虑材料不同力学性质、针尖几何尺寸、针尖与样品之间的互作用力，从实验上得到了接触共振状态下压电力显微成像的机电耦合规律，通过分析SCM型针尖的振动模态与共振频率特点，给出了共振增强状态下最优化的频率选择；进一步为优化成像效果，设计了一种T型压电力显微镜探针，并给出了其振动模态以及面内、面外成像信号特点。本项目相关研究成果可为进一步拓展压电力显微成像技术的功能材料应用与定量优化压电力显微成像参数提供理论指导与相关经验。