AFM/SEM二合一显微镜助力东南大学团队发表重要成果，原位动态观测铁电薄膜 “自修复” 奥秘！
发布日期：2025-05-23
近日，东南大学李玲龙教授团队与西安交通大学王栋教授团队合作，在《ACS Applied Materials & Interfaces》发表重要成果。研究团队利用Quantum Design公司自主研发的AFM/SEM二合一多功能显微镜FusionScope，突破性地在纳米尺度下原位动态观测到超薄氧化铪铁电薄膜（HZO）的自修复行为，为柔性电子器件的发展提供了关键科学依据。
背景介绍
柔性铁电薄膜的开发对于推动柔性电子器件（如柔性传感器、能量收集器和电子皮肤）的发展至关重要。传统聚合物基铁电材料（如聚偏氟乙烯，PVDF）耐温性较差，而氧化铪（HfO2）基铁电材料因其与硅的兼容性、化学组成简单和低毒性成为研究热点。然而，其纳米级薄膜的自修复机制一直未被直接揭示。本研究通过引入可控褶皱，利用FusionScope等设备研究了HZO薄膜的弹性变形和恢复过程，揭示了其在应变下的优异弹性。
图文展示
通过褶皱工程制备的HZO薄膜呈现300-400 nm高度的连续波状起伏，表面电势在波峰和波谷处呈现相反的极性，表明其对应变梯度的敏感相应。随后，作者通过AFM/SEM二合一多功能显微镜FusionScope的共定位能力，利用AFM针尖对褶皱进行纳米压痕实验，研究了其自恢复行为（图1）。作者发现在小于100 nN的力作用下，所有褶皱均可完全恢复。独立式HZO膜可以形成皱褶结构而不会破裂，显示出弹性特性。图1(a)显示了使用AFM尖端对HZO皱纹进行纳米压痕实验的示意图。图1(b)是在纳米压痕过程中原位记录的典型力曲线，其中压电位置表示尖端的垂直位移，垂直轴为中心。通过精确控制压电片的位置，得到了不同压痕深度下的受力曲线数据。图1(c) - 1(f)为在四种不同的皱折状态下进行的纳米压痕实验。从力曲线上可以看出，在小于100 nN的尖端力作用下，所有褶皱都表现出自修复行为。这一点从力曲线上陡峭的下降点（sdp）可以看出，随着尖端力的逐渐增加，这些下降点对应于纳米压痕过程中相同的压电位置。这些sdp表明褶皱在尾部恢复到原来的高度。
图1. 通过AFM尖端对皱褶HZO膜进行力压痕测试。(a)纳米压痕实验装置示意图。(b)过程中涉及的力曲线和相关概念用于研究尖端与起皱膜之间的相互作用。（c−f）皱褶在四种不同状态下的自恢复行为，其中Ymax表示相对于支撑PDMS衬底的皱褶峰高度。插图表示褶皱的三维图。
为了可视化独立HZO薄膜的弹性恢复行为，作者采用FusionScope先进的AFM- SEM联用表征技术来监测AFM尖端与原位褶皱之间的相互作用。图2(a)展示了AFM尖端在真实空间中与HZO褶皱相互作用的SEM图像，而图2(b) - 2(i)提供了动态相互作用的逐帧可视化，包括尖端接近皱纹，尖端插入，尖端收回以及随后的褶皱自我恢复。值得注意的是，HZO褶皱在移除外界力后呈现延迟恢复。具体而言，在尖端收缩后，褶皱变形的恢复滞后于外力的去除。这种延迟很可能是由于皱纹的弧形机械结构。
图2. 皱褶HZO膜自修复行为的现场实时观察。(a) AFM针尖与皱纹相互作用的SEM图像。（b - d）尖端从上方朝向皱纹的接近，（e和f）尖端插入皱纹，（g和h）捕捉尖端从皱纹的收缩。(i)说明皱纹的恢复。(b)−(i)中的比例尺对应1 μm。黄色箭头表示AFM尖端和皱纹之间的接触点。(j)生长膜、皱褶和PDMS的受力曲线和等效弹簧常数。
为了定量表征超薄HZO薄膜的弹性，研究团队对力-位移曲线进行了线性拟合，以提取等效弹簧常数。将生长膜、皱褶膜和PDMS进行比较，如图2(j)所示。值得注意的是，PDMS的力-位移行为与生长膜和皱褶膜有明显的不同：PDMS的接近和收缩曲线不重叠，PDMS表现出更高的附着力。三种材料的等效弹簧常数分别为：生长膜为1.01 nN/nm，皱褶膜为0.332 nN/nm， PDMS为0.204 nN/nm。这些值表明，生长膜的弹性最弱，而PDMS的弹性最强，褶皱表现出中间性质。比较了三种材料在20 nN到100 nN的尖端力作用下的压痕深度。三者都表现为线性行为；然而，状态2的起皱薄膜在40 nN处表现出斜率拐点，这是由于在尖端力的作用下褶皱坍塌，揭示了PDMS的机械强度极限。
研究亮点
自修复性能的发现：研究团队通过无损剥离技术成功制备出10 nm超薄HZO褶皱薄膜。借助FusionScope系统，研究团队创新性实现了在纳米尺度下观察到该薄膜在施加一定外力变形后可以完全恢复至原始状态，展现出优异的弹性性能。
原位动态观测：FusionScope系统结合原子力显微镜（AFM）与扫描电镜（SEM），实时捕捉了AFM探针与HZO薄膜褶皱相互作用的动态过程（如图2所示），揭示了其自修复的延迟效应与力学机制。
相场模拟验证：通过模拟应变梯度下的极化演变，研究团队提出连续变化的铁电畴结构是HZO薄膜弹性的关键因素，为设计新型柔性铁电材料提供了理论支持。
FusionScope的核心作用
高精度力电耦合测试：FusionScope的AFM模块精确控制探针施加静态力（20-100 nN），并记录力-位移曲线，定量分析了HZO薄膜的等效弹簧常数（0.332 nN/nm），证实其弹性介于刚性氧化物与柔性聚合物之间。
多模态原位表征：AFM-SEM联用技术直观展示了褶皱从变形到恢复的全过程（如图2a-i），为理解自修复动力学提供了直接证据。
无损检测优势：通过非接触式成像模式，避免了对超薄薄膜结构的破坏，确保了实验数据的可靠性。
应用前景
这项研究为柔性传感器、能量收集器和电子皮肤等领域开辟了新的路径。HZO薄膜的硅兼容性和低毒性使其在下一代柔性电子中极具潜力。FusionScope的多功能原位表征能力，将持续推动功能氧化物薄膜在柔性电子领域的创新研究。
关于FusionScope
FusionScope是Quantum Design公司研发推出的AFM/SEM/EDS多功能显微镜，巧妙地将二维大视野范围寻找目标区域的扫描电子显微镜（SEM）、三维立体精细扫描原子力显微镜（AFM）以及X射线元素分析定量测试的能谱仪（EDS）集于一体，能够在-10°-80°的侧向视野下对样品进行观测。这一突破性的设计不仅实现了高分辨率成像，还提供了一种在时空间的原位测试解决方案，可针对样品的能谱，电学，磁学和力学性能进行实时表征，从多个层面实现对样品目标区域的多角度、全方位分析，为科研人员呈现直观、准确的表征结果。
AFM/SEM/EDS多功能显微镜 FusionScope
样机体验：
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参考文献：
[1]. ACS Applied Materials & Interfaces, 2025, 17, 24087–24095，DOI: 10.1021/acsami.4c22859
