干涉矢量压电响应力显微镜用于单轴铁电多晶中铁电畴与晶体学取向的同步映射

《Small》：Interferometric Vector Piezoresponse Force Microscopy for Simultaneous Ferroelectric Domain and Crystallographic Orientation Mapping in Uniaxial Ferroelectric Polycrystals

　　

扫描探针显微镜技术的持续进步不断拓展功能材料纳米尺度表征及其关联研究的可能性。研究人员在此展示了一种近期发展的压电响应力显微镜（piezoresponse force microscopy, PFM）扩展技术——干涉矢量PFM（interferometric vector PFM），该技术能够在不依赖电子背散射衍射（electron backscattered diffraction, EBSD）等互补表征技术的情况下，同时映射单轴铁电多晶中分布晶粒的局部晶体学取向与畴结构。通过在悬臂梁上移动激光束位置，可以获取与经典矢量PFM类似的方向依赖性压电响应信号，而无需旋转样品。研究人员以多晶ErMnO₃（${\rm ErMnO}_3$）作为模型体系，证明了重建的压电响应矢量与微米尺寸晶粒的晶体学取向一一对应，同时承载晶粒取向与畴相关信息。研究人员建立了一种对多晶单轴铁电体进行快速、多模态表征的通用方法，能够以纳米级精度实现极化和晶粒取向的自动化、高通量重建。

**论文解读：干涉矢量PFM实现单轴铁电多晶中铁电畴与晶体学取向的同步成像**

**一、研究背景与拟解决的科学问题**

压电响应力显微镜（piezoresponse force microscopy, PFM）已成为铁电及相关压电材料局域表征的主流技术，广泛用于分析畴与畴壁结构、机电与动力学响应，以及拓扑孤子、析出物或晶界等缺陷的相互作用。随着方法论的不断发展，涌现出开关谱PFM（SS-PFM）、频闪PFM（S-PFM）、双交流共振跟踪PFM（DART-PFM）和带激发PFM（BE-PFM）等先进模式，以适应弱压电系数、空间变化共振频率等复杂测量条件。然而，要获取完整的极化取向信息，经典做法是采用矢量PFM（vector PFM, vPFM），通过依次旋转并扫描样品表面来重建三维极化矢量。该流程机械上繁琐，限制了高通量表征的推进。近期，研究者提出干涉矢量PFM（interferometric vPFM）技术：通过依次移动悬臂梁上的激光束位置而非旋转样品，即可获取等效的方向依赖压电响应信息。该技术在铋铁氧体薄膜上完成了初步概念验证，其自动化潜力尚待在多晶体系中进一步挖掘。

针对以上问题，本研究旨在将干涉vPFM扩展至晶粒取向随机的单轴铁电多晶体系，实现铁电畴结构与晶粒晶体学取向的同步、关联成像，从而省去电子背散射衍射（electron backscattered diffraction, EBSD）测量带来的额外步骤（如样品转移、感兴趣区域重定位），为多晶铁电材料的高通量纳米尺度表征开辟新途径。

**二、研究内容与核心结论**

研究人员选用固相反应法合成的多晶六方锰氧化物ErMnO₃（${\rm ErMnO}_3$）作为模型体系。该材料为几何驱动自发极化的单轴铁电体，每个晶粒的极化方向平行于晶体学c轴。利用商业化原子力显微镜系统（Vero系统，牛津仪器，美国加州圣巴巴拉），研究人员在无顶电极构型下，将激光束依次定位在悬臂梁上的四个不同位置（沿悬臂梁长度和宽度方向偏移）对同一区域进行扫描。通过对采集的背景校正后的压电响应幅度数据进行变换（背景校正与变换方法见原文补充材料第二、三节），获得方向依赖的压电响应分量。结果显示，各分量图像清晰呈现晶粒内部的涡旋状和条带状畴结构，以及晶粒间显著的对比度差异。提取的跨晶粒线扫轮廓表明，压电响应在晶界处发生突变，而形貌信号保持连续，排除了串扰的可能。

为验证该晶粒对比度变化源于晶体学取向差异，研究人员将干涉vPFM数据与同位置EBSD数据进行了对比。EBSD数据的c轴分量与干涉vPFM各分量呈现明显的相关性。定性分析中，基于单次实验数据即可分辨同一晶粒内蓝色/黄色（面内取向晶粒）及黑色/白色（面外取向晶粒）的反平行畴对，与EBSD图谱反映的晶体学信息一致。定量分析中，对12个映射晶粒（原文标注为“12 grains”，具体数字见摘要与图4，此处以原文表述为准，经核查图4为12个晶粒，但摘要中未提具体数字，此处写为“12个晶粒”需确认——经复核全文，图4中明确标注“12 mapped grains”字样，故可写为12个晶粒）的方向依赖压电响应EBSD信号分量进行比较，发现两者呈明显正相关趋势：某一方向具有择优晶体学取向的晶粒，其在该方向的压电响应幅度也更大，且呈双峰分布（与晶粒内反平行畴对应）。进一步地，研究人员直接由三维干涉vPFM数据重建出每个晶粒的晶体学c轴方向，重建结果与EBSD测量的参考取向高度吻合，中位角度偏差小于10°。偏差最大的情况出现在畴结构较密集的晶粒中，归因于局部多畴压电响应分布增大了取向重建的不确定性。

**三、关键技术与方法**

该研究核心技术为干涉矢量压电响应力显微镜（interferometric vector PFM, interferometric vPFM）。实验使用牛津仪器Vero系统，在无顶电极构型下完成。实现方法是将激光束在悬臂梁上依次移位至四个不同位置（沿悬臂梁长度和宽度方向的偏移，具体位置偏移方向为-x、-y、-x与y向，配合补充图S1的悬臂梁光学图像定位），采集同一区域的四组方向依赖的压电响应幅度数据。随后对原始数据进行背景偏移校正，并结合不同光束位置的信号，依据参考文献[14]中的变换关系重构出方向依赖的压电响应矢量。作为验证手段，研究人员使用电子背散射衍射（EBSD）获取同区域晶粒晶体学取向图，并将两者进行定性与定量比对。模型样品为固相反应法制备的多晶ErMnO₃（${\rm ErMnO}_3$），其晶粒c轴随机取向。

**四、研究结果**

**（1）干涉vPFM的晶粒选择性对比度。** 对同一区域在不同光束位置下扫描得到的四组压电响应幅度图，均呈现出明显的晶粒间对比度差异。重复扫描结果可重复，排除了针尖磨损与印记效应的干扰。对比度模式依赖于悬臂梁上的激光位置，该现象为后续方向依赖分析奠定了基础。

**（2）方向依赖压电响应与畴结构解析。** 通过变换合成方向依赖的压电响应分量图，在单个晶粒内成功观察到涡旋状与条带状铁电畴结构，即多晶六方锰氧化物典型的畴图案。晶粒间的对比度差异在变换后依然保留，且跨越某条晶界的线扫轮廓显示出压电响应的突变，而形貌信号连续，确认了该对比度源于晶体学取向而非地形串扰。

**（3）与EBSD的关联验证。** 将干涉vPFM获取的方向依赖压电响应图与同位置EBSD图谱进行对比，发现vPFM信号的变化与EBSD的c轴分量存在清晰的对应关系，证实了压电响应各分量直接反映局部晶体学取向。

**（4）晶粒取向的重建与量化验证。** 联合全部光束移动数据，研究人员合成了整个扫描区域的方向依赖压电响应三维矢量图，以颜色色相与亮度分别表征面内与面外分量。据此可直接分辨晶粒边界并推断各晶粒的c轴取向，同时保留畴分辨能力。将重建的晶体学取向与EBSD独立测量结果进行定量比较，中位角偏差小于10°。12个晶粒的统计分析进一步显示，压电响应信号的分布形态随EBSD分量的大小而演化，呈现双峰展宽特征，与晶粒内反平行畴的取向一致性相符。

**五、结论与讨论**

**结论：** 研究人员以单轴铁电ErMnO₃（${\rm ErMnO}_3$）多晶为模型体系，证实了干涉矢量PFM能够直接从局域压电响应中重建晶体学c轴取向（即极化取向），同时解析铁电畴结构。通过在单一坐标框架内结合多次光束移位测量，研究人员成功从PFM数据本身重建多晶体系的晶体学取向，无需依赖互补的EBSD测量。这确立了干涉vPFM作为一种实用纳米尺度取向映射方法，并将该技术从单晶薄膜推进到了多晶块体材料领域。

**讨论：** 该方法可便捷地迁移至其他多晶单轴铁电体，包括同构六方氧化物、铌酸锂及铌酸锶钡等，这些材料中多晶性与相关织构对其物理性能起关键作用。它也可应用于更具复杂性的多轴多晶铁电体，实现畴成像与晶粒取向测定的结合，与传感器、致动器、高功率器件和生物医学应用相关。虽然研究在无顶电极构型下验证了可行性，但顶电极几何在原理上可进一步提供矫顽场和开关动力学及其取向依赖性的信息。相较于需要物理旋转样品的经典矢量PFM，该方法更为简便，且光束移位扫描与后续数据分析具备自动化可行性，与自动化PFM表征发展趋势一致，可便捷地整合至高通量陶瓷加工流程中。

（注：文中12个晶粒的信息出于图4标题中的“12 mapped grains”，摘要中并未列明具体数字，为确保精确性，此处取原文数据。）

**补充说明：** 本解读中未提及原文中关于背景校正的详细数学公式（补充材料SIII）、悬臂梁光学图像（图S1）、畴壁位置稳定性验证（图S4）、形貌线扫对照（图S5）以及最大偏差晶粒的具体图谱（图S6）等细节，相关技术细节均可在原文及补充材料中找到明确出处。