一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统及方法与流程

本发明涉及固态电介质应用技术领域，尤其涉及一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统及方法。

背景技术：

铁电薄膜由于其具有优越的铁电性、介电性、压电性、电光效应和热释电效应等性能，被广泛应用于各类电子元器件中。作为铁电薄膜各种物理过程和现象的基础，铁电畴取向直接决定或影响着它的性能和应用。例如，面外畴在外加电场作用下的反转，分别对应于二进制存储中的“0”和“1”，以致铁电薄膜被广泛应用于存储器件。而面内畴在外加面内电场作用下的翻转可改变铁电薄膜的电光系数，与此同时，不同的面内电场的方向会引起该系数的变化，由此可见，铁电薄膜在光电子器件中也有重要的作用。因此，探测铁电薄膜的畴取向具有非常重大的意义。

目前，商业用的铁电薄膜畴取向的测试方法主要是：压电响应力显微镜(pfm)和透射电子显微镜(tem)，然而这些方法都或多或少存在一些缺陷。pfm探测铁电薄膜畴结构主要是利用样品在探针电压下的逆压电效应。然而，研究发现，探针与样品之间的相互作用不仅包含机电作用，同时也有静电作用，这就使得驱动电压、频率，加载力，悬臂力常数，探针端部半径等条件会干扰pfm测试结果。于此同时，pfm探测铁电薄膜面内畴时，外加电压平行与样品表面，以致该pfm信号来源于样品面内形变引起悬臂梁扭动，该信号比较微弱，从而使得面内畴的测试变得困难。最后，pfm的测试是通过探针一帧一帧的扫描而实现，这也就导致pfm的扫描速度慢等问题。而利用tem测试铁电薄膜的畴取向时，需经过一个相当复杂的制样环节，以致该样品不能再继续使用，同时制样水平的高低直接影响到测试结果好坏，可见tem的测试准备工作比较耗时。

综上，发展一种非接触、灵敏度高、高效和非破坏性的铁电薄膜畴取向的测量系统及方法，对于促进铁电材料的应用和发展具有重大的科学意义和商业价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对目前铁电薄膜畴取向测试技术的测试环境敏感，速度慢，面内畴测试困难以及工艺复杂的问题，提出一种能适应各种情况，非接触、非破坏、而且测量精度高、测试速度快的铁电薄膜畴取向的测试系统及方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出了一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统及方法，具体为利用光学二次谐波探测技术，建立铁电薄膜畴取向的测试系统，它的测试原理为：一束激光经过二分之一波片后聚焦到铁电薄膜上，其发生二阶非线性光学效应并产生二次谐波，该二次谐波经过格兰棱镜后被探测；二次谐波只产生于非对称的材料中，铁电材料由于其具有自发极化是一种很典型的非对称材料体系；二次谐波与铁电薄膜的畴取向具有很大联系，该系统分为改变入射光偏振和旋转样品两种情况，相应测量这两种情况下样品产生的不同偏振的二次谐波，进而计算样品的畴取向及各个畴所占的比例。

本发明的利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统，包括透射测试系统和反射测试系统，所述透射测试系统包括激光发射模块、待测样品安装模块和透射激光接收模块，所述反射测试系统包括激光发射模块、待测样品安装模块和反射激光接收模块；

所述激光发射模块，用于发射入射激光、调整入射激光的偏振并将该入射激光聚焦到所述待测样品上；

所述待测样品安装模块，用于安装待测样品并旋转样品角度；

所述透射激光接收模块，用于聚焦所述待测样品经入射激光照射后产生的二次谐波、控制该二次谐波的偏振并测量该二次谐波的强度；

所述反射激光接收模块，用于反射和聚焦所述待测样品经入射激光照射后产生的二次谐波、控制该二次谐波的偏振和测量该二次谐波的强度。

进一步地，所述激光发射模块包括依次顺序设置的飞秒激光器、二分之一波片和第一透镜；所述飞秒激光器用于发射入射激光，所述二分之一波片与一运动控制器相连，用于调整入射激光的偏振，所述第一透镜用于将入射激光聚焦到所述待测样品安装模块上安装的所述待测样品上；所述飞秒激光器和所述二分之一波片之间还设置有斩波器，所述二分之一波片与所述第一透镜之间还设置有长波通滤波片。

进一步地，所述透射激光接收模块包括依次顺序设置的第二透镜、格兰棱镜和pmt光电探测器，所述第二透镜用于将二次谐波聚焦到所述pmt光电探测器上，所述格兰棱镜与一运动控制器相连，用于控制被探测到的二次谐波的偏振类型为p偏振或s偏振，所述pmt光电探测器用于测量二次谐波的响应强度；所述第二透镜与所述待测样品安装模块之间还设置有带通滤波片，所述带通滤波片用于过滤所述二次谐波中混杂的基频光。

进一步地，所述待测样品安装模块与所述带通滤波片之间设置有固定反射镜ⅰ、固定反射镜ⅱ、活动反射镜，所述固定反射镜ⅰ、所述固定反射镜ⅱ、所述活动反射镜、所述带通滤波片、所述第二透镜、所述格兰棱镜和所述pmt光电探测器依次顺序设置后组成所述反射激光接收模块，所述活动反射镜安装在一活动镜架上。

进一步地，所述待测样品安装模块为一720°旋转样品架，所述720°旋转样品架由两个电动旋转台分别沿水平方向和竖直方向组装而成，使得安装在所述待测样品安装模块上的所述待测样品能在水平方向和垂直方向分别旋转360°。

优选地，所述待测样品为外延生长的铁电薄膜，所述铁电薄膜的基底不产生二次谐波。

本发明还公开了一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的方法，包括以下步骤：

s1、将待测样品安装到待测样品安装模块的边线上，通过激光发射模块向所述待测样品发射入射激光，根据所述待测样品对入射激光的透射率，选择透射激光接收模块或反射激光接收模块；

s2、固定入射光偏振类型为p偏振或s偏振，旋转所述待测样品安装模块，将所述待测样品在垂直于入射面方向旋转，探测不同旋转角度θ下，所述待测样品产生的不同偏振的二次谐波强度，建立二次谐波强度与旋转角度θ的依赖关系；

固定待测样品的旋转角度θ，旋转二分之一波片3，改变入射光偏振角度探测该旋转角度θ下的所述待测样品产生的不同偏振的二次谐波强度，建立二次谐波强度与入射光偏振的依赖关系；

s3、根据所述步骤s2中的二次谐波强度，计算得到所述待测样品的各个畴取向分布及比例。

进一步地，所述步骤s1之前还包括定义所述系统的初始位置的步骤，该初始位置定义的条件为：入射激光偏振为p偏振且所述待测样品平行于所述样品安装模块的边线。

优选地，所述待测样品为外延生长的铁电薄膜，所述铁电薄膜的基底不产生二次谐波。

进一步地，所述步骤s2中通过以下公式建立入射光偏振角度样品旋转角度θ和二次谐波强度之间的依赖关系：

铁电薄膜材料在飞秒激光作用下发生二阶非线性光学效应：其中dijk为材料的二阶非线性系数，e为入射光的电场；

建立实验室坐标系(x1,y1,z1)、样品坐标系(x,y,z)和晶格坐标系(x1,x2,x3)，其中，在实验室坐标系(x1,y1,z1)中，z1轴沿着入射光方向，入射光的电场分量为在样品坐标系(x,y,z)中，x和y分别沿着样品边缘，而在晶格坐标系(x1,x2,x3)中，铁电畴的取向为x3，且该铁电薄膜理论上存在的畴取向为n；

将二阶非线性系数dijk从晶格坐标系(x1,x2,x3)转换到样品坐标系(x,y,z)中，转换公式为：di'jk＝αilαjmαkndlmn，其中，(i,l＝1,2,3)是样品坐标系和晶格坐标系转换角度的余弦；

将电场分量从实验室坐标系(x1,y1,z1)转换到样品坐标系(x,y,z)中，具体为：其中，γ为入射光与样品的夹角，为入射光偏振角度，θ为样品旋转角度；

则铁电薄膜中某一畴取向所产生的二阶非线性极化p^2ω为：

因此铁电薄膜中该畴取向产生的p偏振和s偏振的二次谐波电场强度为：

其中，为菲涅尔系数；

由此得出铁电薄膜所产生的总的p偏振和s偏振的二次谐波强度为：

其中，δfi为某个畴取向所占的比例。

本发明的利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统及方法，具有如下有益效果：

(1)本发明利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向，并提供了相应的测试系统及方法，该系统及方法克服了现有pfm技术测试过程中探针与样品接触所带来的误差，面内畴测试困难以及测试速度慢等问题；同时，克服了tem技术的制备工艺复杂，被测样品无法重复使用等问题；

(2)本发明的系统及方法能够适应各种情况，降低了样品表面质量要求，同时可测试的外延铁电薄膜厚度范围更广，可测试低至几纳米的样品。

(3)本发明的系统及方法是一种非接触、灵敏度高、高效和非破坏性的探测铁电薄膜畴取向，对于深入了解铁电薄膜材料畴结构及铁电畴动力学过程具有非常重要的意义。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

图1是本发明的利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统的结构框图；

图2是反射测试系统中入射激光光束与待测样品表面作用的示意图；

图3是(001)取向的pb(zr0.2ti0.8)o3和batio3铁电薄膜的畴结构示意图；

图4是旋转角度θ为0°时，bto铁电薄膜产生的二次谐波与入射光的偏振依赖关系图；

图5是入射光为偏振p和s时，bto铁电薄膜产生的p和s偏振二次谐波随样品旋转角度的依赖关系图；

图6是旋转角度θ为0°时，pzt铁电薄膜产生的二次谐波与入射光的偏振依赖关系图；

图7是入射光为偏振p和s时，pzt铁电薄膜产生的p和s偏振二次谐波随样品旋转角度的依赖关系图。

其中，图中附图标记对应为：1-待测样品安装模块，2-飞秒激光器，3-二分之一波片，4-第一透镜，5-运动控制器，6-斩波器，7-长波通滤波片，8-第二透镜，9-格兰棱镜，10-pmt光电探测器，11-带通滤波片，12-活动反射镜，13-固定反射镜ⅰ，14-固定反射镜ⅱ，15-锁相放大器，16-电脑。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

如图1所示，本发明公开了一种利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统，包括透射测试系统和反射测试系统，所述透射测试系统和反射测试系统均包括激光发射模块和待测样品安装模块；

所述激光发射模块，用于发射入射激光、调整入射激光的偏振并将该入射激光聚焦到所述待测样品上；

所述待测样品安装模块1，用于安装待测样品并旋转样品角度；

所述激光发射模块包括依次顺序设置的飞秒激光器2、斩波器6、二分之一波片3、长波通滤波片7和第一透镜4；所述飞秒激光器2用于发射入射激光，所述二分之一波片3安装在电动旋转台上且与一运动控制器5相连，用于调整入射激光的偏振，所述第一透镜4用于将入射激光聚焦到所述待测样品安装模块上安装的所述待测样品上，所述斩波器6通过锁相放大器与电脑相连，所述运动控制器5也与电脑相连。

所述透射测试系统还包括透射激光接收模块，所述透射激光接收模块用于聚焦所述待测样品经入射激光照射后产生的二次谐波、控制所述二次谐波的偏振和测量所述二次谐波的强度，其包括依次顺序设置的带通滤波片11、第二透镜8、格兰棱镜9和pmt光电探测器10，所述带通滤波片11用于过滤所述二次谐波中混杂的基频光，所述第二透镜8用于将所述二次谐波聚焦到所述pmt光电探测器10上，所述格兰棱镜9设置在电动旋转台上且与一运动控制器5相连，用于控制被探测到的所述二次谐波为p偏振或s偏振，所述pmt光电探测器10用于测量所述二次谐波的响应强度。

所述反射测试系统还包括反射激光接收模块，所述反射激光接收模块用于反射和聚焦所述待测样品经入射激光照射后产生的二次谐波、控制所述二次谐波的偏振和测量所述二次谐波的强度，所述反射激光接收模块在所述透射激光接收模块上进行改进，即在所述待测样品安装模块1与所述带通滤波片11设置反射镜12，所述反射镜12、所述带通滤波片11、所述第二透镜8、所述格兰棱镜9和所述pmt光电探测器10依次顺序设置并组成所述反射激光接收模块，所述反射镜12安装在一活动镜架上，所述活动镜架与所述运动控制器5相连，在所述待测样品安装模块1与所述活动反射镜12之间，还设置有多个固定反射镜，如固定反射镜ⅰ13和固定反射镜ⅱ14，所述固定反射镜ⅰ13和固定反射镜ⅱ14与所述活动反射镜12不在同一条水平线上。

所述透射测试系统与所述反射测试系统通过如下操作进行转换：当将所述活动镜架移开的时候，所述反射镜12不起作用，即形成透射测试系统，当所述活动镜架存在的时候，所述反射镜12起作用，即形成反射测试系统。

所述待测样品安装模块1为一720°旋转样品架，所述720°旋转样品架与所述运动控制器5相连，所述720°旋转样品架由两个电动旋转台分别沿水平方向和竖直方向组装而成，使得安装在所述待测样品安装模块1上的所述待测样品能在水平方向和垂直方向分别旋转360°。

所述待测样品为外延生长的铁电薄膜，所述铁电薄膜的基底不产生二次谐波。

实施例2

本发明还提供了一种采用实施例1中的系统测定铁电薄膜畴取向的方法，包括以下步骤：

测试前，预先定义所述系统的初始位置，该初始位置定义的条件为：入射激光偏振为p偏振且所述待测样品平行于所述待测样品安装模块1的边线；

s1、将待测样品安装到待测样品安装模块1的边线上，通过激光发射模块向所述待测样品发射入射激光，根据所述待测样品对入射激光的透射率，选择透射激光接收模块或反射激光接收模块；

所述步骤s1的具体过程如下：

由飞秒激光器2发出的800nm飞秒激光经过斩波器6后，经过装在电动旋转台上二分之一波片3，旋转二分之一波片3，可改变入射光的偏振；激光经过长波通滤波片7过滤800nm之外的其他杂散光后，由第一透镜4聚焦到720°可活动样品架上安装的铁电薄膜上，根据铁电薄膜和基底对800nm光的透过率选择反射或透射光路；在透射光路系统中，样品产生的二次谐波和原有的基频光直接经过带通滤波片11，过滤掉800nm的基频光，400nm的二次谐波经过第二透镜8和格兰棱镜9后直接被光电探测器pmt10探测到。旋转格兰棱镜可控制被探测到的二次谐波为p或s偏振。可活动镜架上面安装反射镜12，在透射光路中，该镜架移开，不起作用，若为反射光路系统，经过样品反射的二次谐波和基频光被固定反射镜ⅰ13、固定反射镜ⅱ14和反射镜12反射后经过带通滤波片11、第二透镜8和格兰棱镜9被pmt光电探测器10探测到。例如，待测样品为srtio3，其基底为单面抛光，则采用反射测试系统。

s2、固定入射光偏振类型为p偏振或s偏振，旋转所述样品安装模块，将所述待测样品在垂直于入射激光的入射面的平面内旋转，探测不同旋转角度θ下，所述待测样品产生的不同偏振(不同偏振由旋转格兰棱镜9来控制)的二次谐波强度，建立二次谐波强度与旋转角度θ的依赖关系；

固定待测样品的旋转角度θ，通过旋转二分之一波片3改变入射光偏振类型和偏振角度，探测该旋转角度θ下的所述待测样品产生的不同偏振(不同偏振由旋转格兰棱镜9来控制)的二次谐波强度，建立二次谐波强度与入射光偏振依赖关系；

所述步骤s2的具体过程如下：

如图2所示为反射测试系统中入射激光光束与待测样品表面作用的示意图，入射光以入射角γ＝45°入射到样品上，垂直如入射面旋转样品，旋转角度定义为θ，铁电薄膜材料在飞秒激光作用下发生二阶非线性光学效应：其中dijk为材料的二阶非线性系数，e为入射光的电场；

建立实验室坐标系(x1,y1,z1)、样品坐标系(x,y,z)和晶格坐标系(x1,x2,x3)，其中，在实验室坐标系(x1,y1,z1)中，z1轴沿着入射光方向，入射光的电场分量为在样品坐标系(x,y,z)中，x和y分别沿着样品边缘，而在晶格坐标系(x1,x2,x3)中，铁电畴的取向为x3，且该铁电薄膜理论上存在的畴取向为n；

将二阶非线性系数dijk从晶格坐标系(x1,x2,x3)转换到样品坐标系(x,y,z)中，转换公式为：d'ijk＝αilαjmαkndlmn，其中，(i,l＝1,2,3)是样品坐标系和晶格坐标系转换角度的余弦；

将电场分量从实验室坐标系(x1,y1,z1)转换到样品坐标系(x,y,z)中，具体为：

其中，γ为入射光与样品的夹角，为入射光偏振角度，θ为样品旋转角度；

因此，铁电薄膜中某一畴取向所产生的二阶非线性极化为p^2ω为：

由此得出铁电薄膜中该取向产生的p偏振和s偏振的二次谐波电场强度为：

其中为菲涅尔系数；

由此得出铁电薄膜所产生的总的p偏振和s偏振的二次谐波强度为：

其中，δfi为某个畴取向所占的比例。

s3、对比分析步骤s2中的二次谐波强度，计算得到所述待测样品的各个畴取向分布及比例。

实施例3

图4所示为旋转角度为0°时，bto铁电薄膜产生的二次谐波与入射光的偏振依赖关系图，点为实验结果，线为计算拟合结果，拟合公式见实施例2。

实施例4

图5是入射光为偏振p或s时，bto铁电薄膜产生的p或s偏振二次谐波随样品旋转角度的依赖关系，即p-in-p-out，s-in-p-out，p-in-s-out，s-in-s-out；点为实验结果，线为计算拟合结果，拟合公式见实施例2。

实施例5

图6所示为旋转角度为0°时，pzt铁电薄膜产生的二次谐波与入射光的偏振依赖关系图，点为实验结果，线为计算拟合结果，拟合公式见实施例2。

实施例6

图7是入射光为偏振p或s时，pzt铁电薄膜产生的p或s偏振二次谐波随样品旋转角度的依赖关系，即p-in-p-out，s-in-p-out，p-in-s-out，s-in-s-out；线为计算拟合结果，拟合公式见实施例2。

根据实施例2-实施例6，图3所示为pzt和bto铁电薄膜的畴结构示意图，pzt和bto铁电薄膜有3种类型的铁电畴，具体为面内畴p1、面内畴p2和面外畴p3，这三种类型的畴有6个可能的取向，p1⁺，p1^-，p2⁺，p2^-，p3⁺和p3^-，其中p1⁺与p1^-，p2⁺与p2^-和p3⁺与p3^-方向分别相反；由此可计算得到在pzt铁电薄膜中面内畴p1和p2所占比例分别为～5.8％和～23.5％，面外畴p3所占比例为～69.7％，而bto铁电薄膜不产生s-in-s-out的二次谐波，且s-in-p-out的二次谐波不随旋转角度θ变化，归其原因是该铁电薄膜没有面内畴，只有面外畴p3。

本发明实施例2-实施例6中利用二次谐波测定铁电薄膜畴取向的方法重复性好，检测快速，且能定量分析各个畴取向所占比例。

本发明的利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向的系统及方法，具有如下有益效果：

(1)本发明利用光学二次谐波测定铁电薄膜畴取向，并提供了相应的测试系统及方法，该系统及方法克服了现有pfm技术测试过程中探针与样品接触所带来的误差，面内畴测试困难以及测试速度慢等问题；同时，克服了tem技术的制备工艺复杂，被测样品无法重复使用等问题；

(2)本发明的系统及方法能够适应各种情况，降低了样品表面质量要求，同时可测试的外延铁电薄膜厚度范围更广，可测试低至几纳米的样品。

(3)本发明的系统及方法是一种非接触、灵敏度高、高效和非破坏性的探测铁电薄膜畴取向，对于深入了解铁电薄膜材料畴结构及铁电畴动力学过程具有非常重要的意义。

以上所揭露的仅为本发明的几个较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。