一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法

本发明属于电化学表征方法，具体为一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法。

背景技术：

1、电化学反应和离子传输是许多设备和应用的基础，从能量存储、转换到信息技术，还有生物化学过程、人造肌肉和软促动器。近年来，钛酸盐中的忆阻现象的研究工作，以及固体氧化物燃料电池所用材料与铁电氧化物之间的相似性，都表明了电化学现象的潜在重要性。特别地，了解这些功能应用的控制机制，需要探测局部的电化学现象相关的时间和长度尺度。

2、最近，通过压电力显微镜(piezoresponse force microscopy，pfm)和导电原子力显微镜(conductive atomic force microscopy，cafm)对样品进行纳米尺度的研究已经成为纳米铁电材料研究的常规操作，因为实验是在大气环境条件下进行的，可能存在电化学现象。比如，从氧空位的可逆注入到空位有序化，再到新的缺氧相的形成和阳离子分层。但是如何从实验上通过简单的操作验证氧空位导致的电化学反应依然有待研究。

3、常用的检测氧空位的方法包括电子顺磁共振(epr)光谱和基于同步辐射的x射线吸收精细结构(xafs)光谱学。前者提供的材料表面的未配对电子的指纹信息就是材料氧空位的信号；后者提供氧化态、键的长度和类型、原子配位数，通过迁移的相邻配位原子的距离及其峰值强度，就可以得到定性的缺陷水平。但是，都是对反应后样品的检验，无法动态体现氧空位导致的电化学反应，存在无法将局域(小于1μm2面积)实验结果可视化的缺点，从而最终无法实现在微纳尺度验证材料中发生的电化学反应。

技术实现思路

1、发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种研究氧空位、简单有效的验证纳米铁电材料中电化学现象的方法。

2、技术方案：本发明所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，包括以下步骤：

3、步骤一，通过原子力显微镜对包含缺陷离子的薄膜进行形貌表征，通过x射线衍射技术获得其晶格结构信息；

4、步骤二，采用压电力显微镜，以相对的方向从两侧向中间并通过pfm针尖电场相向写入，获得薄膜自发的畴结构；在pfm针尖上施加直流电压，扫描过程中产生的针尖电场将极化翻转；

5、步骤三，在包含步骤二的写入区域的更大面积上，进行方向相反的多次慢扫描，将带电的氧空位集中至每次扫描区域的边界处，通过压电力显微镜获得薄膜极化后的畴结构和形貌的变化，证明写入过程中发生了电化学反应。

6、进一步地，步骤一中，包含缺陷离子的薄膜为srtio3(100)/srruo3/bifeo3三明治结构。srtio3(100)/srruo3/bifeo3三明治结构的制备方法为：在srtio3(100)表面通过脉冲激光依次沉积srruo3和bifeo3，激光脉冲能量分别为1.0jcm-2和1.1jcm-2，沉积速率分别为2和4hz，衬底温度分别为605℃和610℃，氧压分别为1.0pa和2.0pa。srruo3厚度为8～10nm。bifeo3厚度为30～40nm。厚度较薄，这样，后续进行针尖电场的写入操作会容易。薄膜为单晶薄膜。

7、进一步地，步骤二中，pfm针尖设置au/pt导电涂层。相对的方向为垂直方向和水平方向。垂直方向的pfm针尖的驱动频率为0.35～0.38mhz。水平方向pfm的针尖的驱动频率为1.0～1.1mhz。假设a、c、b为薄膜中三块相邻的区域，第一步扫描方向为从a到c，第二步扫描方向为从b到c。如此，可将带电的氧空位集中至每一步扫描区域的边界处，使带电粒子的浓度急剧升高而导致电化学反应。

8、进一步地，步骤三中，pfm针尖电场写入时的慢扫描速度为0.5μm/s。使用矢量pfm技术对写入的结果进行表征，除了可以说明极化发生了翻转，同时由形貌的明显变化说明样品在被扫描写入的区域发生了电化学反应而被击穿，重复步骤三会得到类似的电化学反应的结果，这为纳米铁电材料中氧空位的研究提供思路。

9、工作原理：在pfm针尖上施加直流电压，扫描过程中产生的针尖电场将极化翻转。最后分两步扫描，每一步的慢扫描的方向在同一直线上但方向相反。如此，可将带电的氧空位集中至每一步扫描区域的边界处，使带电粒子的浓度急剧升高而期望电化学反应的出现。

10、有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

11、1、能够在小于1μm2面积内通过两步相反方向的扫描实现了对电化学反应的验证，简单有效；

12、2、能够验证包含缺陷离子的纳米薄膜的电化学现象，为纳米铁电材料中氧空位的研究提供一种新思路；

13、3、srruo3、bifeo3厚度较薄，后续进行针尖电场的写入操作会更容易；

14、4、电化学反应的发生是稳定的，利用电化学现象结合其它功能行为将为其延伸至可调电子设备、电致变色器件、人造肌肉等新兴、先进的应用领域。

技术特征：

1.一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于：所述步骤一中，包含缺陷离子的薄膜为srtio3(100)/srruo3/bifeo3三明治结构。

3.根据权利要求2所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于：所述srtio3(100)/srruo3/bifeo3三明治结构的制备方法为：在srtio3(100)表面通过脉冲激光依次沉积srruo3和bifeo3。

4.根据权利要求2所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于：所述srruo3厚度为8～10nm。

5.根据权利要求2所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于：所述bifeo3厚度为30～40nm。

6.根据权利要求1所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于：所述步骤一中，薄膜为单晶薄膜。

7.根据权利要求1所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于：所述步骤二中，pfm针尖设置au/pt导电涂层。

8.根据权利要求1所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于：所述步骤二中，相对的方向为垂直方向和水平方向。

9.根据权利要求8所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于：所述垂直方向的pfm针尖的驱动频率为0.35～0.38mhz。

10.根据权利要求8所述的一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，其特征在于：所述水平方向pfm的针尖的驱动频率为1.0～1.1mhz。

技术总结
本发明公开了一种验证纳米铁电材料中电化学现象的方法，包括以下步骤：通过原子力显微镜对包含缺陷离子的薄膜进行形貌表征，通过X射线衍射技术获得其晶格结构信息；采用压电力显微镜，以相对的方向从两侧向中间并通过PFM针尖电场相向写入，获得薄膜自发的畴结构；在PFM针尖上施加直流电压，扫描过程中产生的针尖电场将极化翻转；在包含写入区域的更大面积上，进行方向相反的多次慢扫描，通过压电力显微镜获得薄膜极化后的畴结构和形貌的变化，证明写入过程中发生电化学反应。本发明能够在小于1μm<supgt;2</supgt;面积内通过两步相反方向的扫描实现对电化学反应的验证，简单有效；能够验证含缺陷离子的薄膜的电化学现象，为氧空位研究提供新思路。

技术研发人员：张思义,李忠文,张学礼,李庆盛,李梦婷,葛璐,申慧,宋光,南峰,张正中,刘昊,唐鑫鑫,杨向阳
受保护的技术使用者：淮阴工学院
技术研发日：
技术公布日：2024/1/16