FusionScope多功能顯微鏡破解半導(dǎo)體陶瓷材料微觀機(jī)理,,取得重要進(jìn)展,!
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)用較為廣泛的電動汽車加熱元件,。其在約130℃的溫度下,會發(fā)生鐵電-順電相變,,發(fā)生相變后,,材料的電阻會以數(shù)量級形式增加。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)對樣品的晶界進(jìn)行研究。對于這一晶界問題的研究較為直接的測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,,很難對晶界的勢壘進(jìn)行直接的測量,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BaTiO3陶瓷的晶界勢壘進(jìn)行了直接測量,,并與相關(guān)理論結(jié)果進(jìn)行了對比,。此外,通過向陶瓷內(nèi)添加不同含量的SiO2,,明確了晶界勢壘能量變化的相關(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)深度融合在一臺設(shè)備上,,自動化程度高,軟件/硬件操作簡單易用,,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)測量,有效避免樣品轉(zhuǎn)移過程中的污染風(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對感興趣區(qū)域的精準(zhǔn)定位與測量。在無需轉(zhuǎn)移樣品的情況下,,可原位進(jìn)行-10°-80°的AFM與樣品臺同時(shí)旋轉(zhuǎn)測量,,全程近乎可實(shí)現(xiàn)無視野盲區(qū)觀測樣品。憑借著先進(jìn)的技術(shù)和對SEM和AFM聯(lián)用技術(shù)市場空白的填補(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Quantum Design公司新推出的多功能顯微鏡FusionScope對BaTiO3陶瓷材料的晶界進(jìn)行了直接的EFM測量,,獲得了SiO2添加含量對晶界勢壘的影響。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對其成像,還利用EFM對該區(qū)域進(jìn)行直接測量,,并配合EBSD等表征手段,,對所選擇的微區(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優(yōu)勢,,是材料微區(qū)性能研究的得力助手。
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