一种新的原子力显微镜测量微小电流

一组研究人员在ADI公司的帮助下创建了一种新的原子力显微镜。特别是，他们使用跨阻放大器测量了由压电效应产生的微小电流，该跨阻放大器包含在电流-电压转换器中。这项名为“通过直接压电力显微镜揭示的压电产生的电荷图”的工作发表在科学杂志《自然通讯》上。

图1：反相放大器拓扑示意图，其中跨阻放大器的R1 = 0。

只有如此，ADI公司才提供测量微小电流所需的放大器，其零件号为ADA4530。此类组件由一个飞安输入偏置电流静电计放大器组成，该放大器在跨阻配置中装有1 TeraOhm电阻作为反馈电阻。在整个测量过程中，降低电子设备箱的环境湿度是关键因素，而在允许的最大偏置下工作旨在减小ADA4530的超低输入偏置电流。使用ADI AD8429，具有反相放大器拓扑的附加电压放大器位于互阻抗的输出端。借助这种串联的放大器，研究人员能够直接测量几种压电材料产生的电荷。

图2：尖端扫描几个反平行铁电畴的压电表面时记录的电流（毫微安标度）。有两张图片，当笔尖从左向右旋转（轨迹）时以及笔尖从右向左旋转（轨迹）时。仅当放大器的泄漏电流低于此水平时，才可以测量如此少量的电流。

原子力显微镜（AFM）是材料表征中最活跃的技术之一。这一重要的繁荣在于这种显微镜的多功能性：不仅可以看到材料，而且还可以研究无法测量的其他特性，例如其电，磁或热特性。这种多功能性使AFM成为一种用于材料表征的意义深远的技术，该技术本身已经假设一个行业，其每年的利润报告为4亿美元。

该研究集中于压电材料的压电产生的电荷的映射。压电是一种性质，其中由于施加到材料上的机械应力而由材料产生电荷。在这项特殊的研究中，材料由一根细小的针头（纳米尺寸的AFM针尖）施加压力。尖端施加的力在100微牛顿的范围内，并测量在材料中产生的电荷。对于周期性极化的铌酸锂，每种材料收集到的总电荷为5fC，双峰铁氧体为25fC，锆钛酸铅为90fC。这种新模式增强了原子力显微镜技术，将其作为可用于材料研究的关键未来技术，并为在纳米级电子计数开辟了未来。

图3：电子盒的图纸，可以在其中记录微小的产生电流。为了测量这种电荷的产生，必须使用超低泄漏电流放大器，因此所产生的电流不会流过电子盒。通过使用这种放大器，会吸收极少量的电流，并且会损失电流，但是可以测量和记录绝大部分电流。

图4：从新的DPFM模式获得的3D成分映射。对于由周期性极化铌酸锂组成的样品，既获得了电产生的电荷，又获得了其机电行为。

参考：通过直接压电显微镜，A.Gomez等人，Nature Communications（2017），DOI：10.1038 / s41467-017-01361-2揭示的压电产生的电荷图谱。

编辑：hfy