一種新的原子力顯微鏡測量微小電流

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量了由壓電效應產(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。這項名為“通過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)表在科學雜志《自然通訊》上。

圖1：反相放大器拓撲示意圖，其中跨阻放大器的R1 = 0。

只有如此，ADI公司才提供測量微小電流所需的放大器，其零件號為ADA4530。此類組件由一個飛安輸入偏置電流靜電計放大器組成，該放大器在跨阻配置中裝有1 TeraOhm電阻作為反饋電阻。在整個測量過程中，降低電子設備箱的環(huán)境濕度是關鍵因素，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，具有反相放大器拓撲的附加電壓放大器位于互阻抗的輸出端。借助這種串聯(lián)的放大器，研究人員能夠直接測量幾種壓電材料產(chǎn)生的電荷。

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

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，而且還可以研究無法測量的其他特性，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的技術，該技術本身已經(jīng)假設一個行業(yè)，其每年的利潤報告為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械應力而由材料產(chǎn)生電荷。在這項特殊的研究中，材料由一根細小的針頭（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)，并測量在材料中產(chǎn)生的電荷。對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。這種新模式增強了原子力顯微鏡技術，將其作為可用于材料研究的關鍵未來技術，并為在納米級電子計數(shù)開辟了未來。

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)生的電流不會流過電子盒。通過使用這種放大器，會吸收極少量的電流，并且會損失電流，但是可以測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，又獲得了其機電行為。

參考：通過直接壓電顯微鏡，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