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

發表期刊：Scripta Materialia (IF 5)

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

【引言】

       BaTiO₃陶瓷半導體材料是目前應用較為廣泛的電動汽車加熱元件。其在約130℃的溫度下，會發生鐵電-順電相變，發生相變后，材料的電阻會以數量級形式增加。這一由于溫度升高而電阻增加的微觀原因通常被認為是材料的晶界部分產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物理機制，科學家們通常用掃描探針顯微鏡（SPM）對樣品的晶界進行研究。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工作受限于技術的發展，很難對晶界的勢壘進行直接的測量，而更多的是理論研究。

       近日，奧地利TDK公司與格拉茨技術大學（Graz University of Technology）合作，利用Quantum Design公司新推出的具有AFM-SEM原位同步技術的FusionScope多功能顯微鏡對BaTiO₃陶瓷的晶界勢壘進行了直接測量，并與相關理論結果進行了對比。此外，通過向陶瓷內添加不同含量的SiO₂，明確了晶界勢壘能量變化的相關微觀機理。相關研究工作以《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。設備將SEM和AFM技術深度融合在一臺設備上，自動化程度高，軟件/硬件操作簡單易用，可在同一時間、同一樣品區域和相同條件下實現原位共享坐標測量，有效避免樣品轉移過程中的污染風險，特別適合環境敏感樣品；設備的SEM功能可實時、快速、精準導航AFM針尖，從而實現AFM對感興趣區域的精準定位與測量。在無需轉移樣品的情況下，可原位進行-10°-80°的AFM與樣品臺同時旋轉測量，全程近乎可實現無視野盲區觀測樣品。憑借著先進的技術和對SEM和AFM聯用技術市場空白的填補，FusionScope多功能顯微鏡也榮獲了R &D 100大獎。

圖1. FusionScope多功能顯微鏡

【圖文導讀】

圖2. 左圖：不同SiO₂含量的BaTiO₃陶瓷XRD衍射結果。從上到下SiO₂含量為0%，2%，5%。右圖：Ba₂TiSi₂O₈所對應峰部分的放大。

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域的成像結果。

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結果。（b）和（d）為（a）和（c）同一微區的背散射電子成像結果。

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

【結論】

       奧地利TDK公司和格拉茨技術大學的研究人員，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原位共坐標系統，研究人員在材料表面快速尋找到相關位置后，不僅用SEM對其成像，還利用EFM對該區域進行直接測量，并配合EBSD等表征手段，對所選擇的微區進行了立體綜合表征。從文中可以看出，FusionScope在材料微區原位表征方面擁有超卓優勢，是材料微區性能研究的得力助手。

相關產品：

1、FusionScope多功能顯微鏡