CN113109595B - 一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法及*** - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法及***。一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，包括：将两个频段内具有不同特性参数的子波形按预设拼接顺序合成激励信号；将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性参数对应的振幅图像；根据目标解耦模型和所述待测目标的双模态振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的应变图像和静电图像。解决力电耦合应变测量易受静电影响、结果不准确的问题，实现由目标解耦模型定量解析双模态数据准确获得待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像的效果。
Description
技术领域
本发明实施例涉及显微成像技术，尤其涉及一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法及***。
背景技术
过去十年，以压电响应力显微术(PFM)、电化学应变显微术(ESM)为代表的基于原子力显微镜(AFM)动态激励测量模式的出现，极大地促进了一系列材料的机理硏究和性能优化。然而在实际测量中，该响应并不局限于所预期的电致应变，而是还会受到静电力的干扰。
现有技术中常在测量中采用不同探针、探针的高阶模态、AFM硬件改造的方式定性排除静电力的干扰，然而，实际效果却无法有效验证，且不同样品材料的电致应变响应强弱对比较困难。
发明内容
本发明提供一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法及***，以实现达到了一次扫描获得双模态测试结果数据，定量解析获得应变和静电力的测试结果，以及减小对特定探针的需求，提高适用性的效果。
第一方面，本发明实施例提供了一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，包括：
将两个频段内具有不同特性参数的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号；
将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性参数对应的双模态振幅图像；
根据目标解耦模型和所述待测目标的双模态振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
可选的，在所述将多个具有不同特性参数的子波形按预设拼接顺序合成激励信号之前，还包括：构造解耦模型；所述构造解耦模型包括：
标定原子力显微镜的探针的振动参数；
基于所述探针的振动参数构造初始解耦模型；
基于原子力显微镜的测量数据对所述初始解耦模型进行可靠性验证，得到目标解耦模型。
可选的，所述探针的振动参数包括探针和待测样品耦合共振的双模态刚度和光杠杆转换系数。
可选的，所述激励信号的频谱范围覆盖所述双模态对应的频率。
可选的，所述将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性参数对应的振幅图像包括：
通过原子力显微镜的探针依次将所述激励信号施加至待测目标，获得对应的响应信号；
分离所述响应信号中不同特性参数对应的振幅图像。
可选的，所述分离所述响应信号中不同特性参数对应的振幅图像，包括：
将所述不同特性参数下的全时域振动响应信号经过解调求得所述待测目标在不同特性参数和不同模态下的特征信息；
根据所述特征信息和预设拟合算法得到所述待测目标在不同特性参数下对应包含的双模态振幅图像。
可选的，所述根据目标解耦模型和所述待测目标的振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的应变图像和静电图像，包括：
对所述待测目标的全时域振幅响应数据进行解调得到待测目标在探针施加激励信号下的本征振幅和相位；
根据所述本征振幅和所述本征相位，所述目标解耦模型对解耦后的数据进行重构得到所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
第二方面，本发明还提供了一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微***，包括：
信号生成模块，用于将两个频段具有不同特性参数的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号；
图像获取模块，用于将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性参数对应的双模态振幅图像；
数据处理模块，用于根据目标解耦模型和所述待测目标的双模态振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
可选的，解析静电与力电耦合响应的原子力显微***还包括：解耦模型构造模块，所述解耦模型构造模块包括：
参数标定单元，用于标定原子力显微镜的探针的振动参数；
初始模型构造单元，用于基于所述探针的振动参数构造初始解耦模型；
模型验证单元，用于基于原子力显微镜的测量数据对所述初始解耦模型进行可靠性验证，得到目标解耦模型。
可选的，所述数据处理模块包括：
本征特性获取单元，用于对所述待测目标的全时域振幅响应数据进行解调得到待测目标在探针施加激励信号下的本征振幅和相位；
结果获取单元，用于根据所述本征振幅和所述本征相位，所述目标解耦模型对解耦后的数据进行重构得到所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
本发明通过将两个频段内具有不同特性参数的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号；将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性参数对应的双模态振幅图像；根据目标解耦模型和所述待测目标的双模态振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像；解决力电耦合应变测量易受静电影响、结果不准确的问题，实现由目标解耦模型定量解析双模态数据准确获得待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像的效果。
附图说明
图1为本发明实施例一提供的一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法的流程示意图；
图2为本发明实施例一提供的一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法的信号同步的示意图；
图3为本发明实施例一提供的一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法的不同振动模态对应的响应频谱示意图；
图4A为本发明实施例一提供的一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法的激励信号总响应振幅示意图；
图4B为本发明实施例一提供的一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法的应变力响应示意图；
图4C为本发明实施例一提供的一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法的静电力响应示意图；
图5A是本发明实施例一提供的另一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法的流程示意图；
图5B是本发明实施例一提供的另一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法的子流程示意图；
图6是本发明实施例二提供的一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微***的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
实施例一
图1为本发明实施例一提供的一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法的流程示意图，本实施例可适用于对目标样品进行静电和应变测试的情况，该方法可以由一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微***来执行，具体包括如下步骤：
步骤110、将两个频段内具有不同特性参数的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号。
通常原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)对样品的多种性能进行测试时，需要进行多次动态和/或静态扫描，对应的需要多次收集测试结果数据进行处理，且切换不同谐波扫描用时较长。由于待测目标的本征振幅通常十分微弱，容易被仪器的***噪音掩盖，需要借助共振激励来放大响应。
本实施例采用高通量技术，将多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号，且子波形具有不同特性参数，子波形为正弦波，所述不同特征参数包括不同频率、不同周期、不同幅值和不同相位中的一种或多种，顺序合成激励信号包含具有不同特性参数多个子波形，因而顺序合成激励信号具有多种测试功能。进一步的，合成激励信号的子波形的频率均属于预设的两个频段内，即激励信号的频谱范围覆盖双模态对应的频率，且子波形的频率为离散状态。本实施例采用的多个频率离散的正弦波合成的激励信号进行测试能够获得满足精度要求的测试结果，同时与采用连续频率子波进行测试的方法相比，提高了测试速率。使用上述激励信号波形激励扫描区域获得静电响应与力电耦合应变响应的扫描信息，实现简单高效地获取高物理相关度的大数据的效果。同时激励能量集中于多个关键频率，在提升信噪比的同时减少数据冗余。
具体的，测试用的激励信号是根据目标材料扫描区域的共振频率区间所定制，在实验中通常使用“AFM”软件寻找需要扫描的区域，并确认材料的共振频率区间。激励信号合成前，需要提前设定好起始频率、结束频率、驱动电压、仪器采样率、拟合点数等参数进行信号的定制，根据上述参数换算生成一系列等差频率的子波形，再将生成的各频率子波形进行拼接生成激励信号。换算过程中需要用到的中间参数有频率差间隔、每频率的周期数、相位滞后等。激励信号涵盖两个频段范围，例如包含一阶频率的信号和二阶频率的子波信号。由于共振效应越接近样品本征频率时响应强度也越大，因此本实施例提供的技术方案比传统的其他技术可以更好的覆盖各个共振峰频率段，从而获得更可靠的响应信息。示例性的，扫描区域的一阶频率区间为330kHZ-360kHZ，通常使用15个频率点覆盖该区间，故频率间隔为2Khz。
步骤120、将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性参数的双模态振幅图像。
扫描探针施加激励信号于待测目标，产生极微弱的原子间相互作用力，作用力将使得与扫描探针连接的悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及电流、形变等物理信息。本实施例中施加激励信号获取的双模态振幅图像具体为：待测目标在探针电场激励信号作用下的响应振幅图像，其贡献源自于待测目标与探针之间的静电力响应和目标自身的电致应变响应的总和。
其中，步骤120具体包括：
S1、通过原子力显微镜的探针依次将所述激励信号施加至待测目标，获得对应的响应信号。
S2、分离所述响应信号中不同特性参数对应的振幅图像。
任意波形发生器将生成的激励信号转换为预设采样频率的模拟信号发送至扫描显微镜探针上，在将所述激励信号转换为预设采样频率的模拟信号时，任意波形发生器对模拟信号进行标记，将不同频率信号间隔区分，确保激励和后处理时不相互串扰，具体为将不同子波形由其中间所预留固定长度的空白值进行区分标记。扫描探针依次将模拟信号施加至待测目标，可以实现对目标样品的一次扫描得到多种测试结果信号。测试结果信号为收集到的样品响应信号，测试结果信号按照合成激励信号的预设拼接顺序分别生成多种测试结果，所述测试结果信号的种类数量对应不同特征参数的子波形的数量，测试结果为探针的振动响应，解耦结果为目标样品的静电和应变属性。
示例性的，如图2所示，激励信号由多个频率离散的正弦波在预设的时间跨度内以时序方式连接，组成激励信号的不同频率子波形连接处预留固定长度的空白值进行标记，用于后处理时识别不同子波形产生的响应信号，确保进行激励和后期处理时不同频率子波形不相互串扰；将多个不同频率信号通过扫描探针对样品进行激励，扫描探针对待测目标按行顺序进行扫描，采集到响应的信号并传输至后处理器中，由后处理器中的MATLAB软件对收集到的不同模态的响应信号进行分段切割与解析，反向求解得到对应的振幅与相位再进行拟合，最后得到不同模态的幅值图和相位图。
步骤130、根据目标解耦模型和所述待测目标的振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
可选的，步骤130具体包括：
步骤131、对所述待测目标的全时域振幅响应数据进行解调得到待测目标在探针施加激励信号下的本征振幅和相位。
基于探针振动原理、双模态大数据的定量解耦方法可以准确反映材料在针尖电场诱导下的真实应变、附加静电力的干扰。如图3所示，待测目标的材料在探针静电力的诱导下的本征振幅与其刚度成反比，在不同振动模态下差异明显，但应变所致的本征振幅不受此影响。对因材料内部性质变化所伴生的静电作用也能起到区分作用，例如，铁电极化改变、离子浓度变化所诱导的静电作用。
步骤132、根据所述本征振幅和所述本征相位，所述目标解耦模型对解耦后的数据进行重构得到所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
在解耦前，使用标准样品周期性铌酸锂(PPLN)对探针进行校准，由于存在静电力干扰，PPLN不同极化区域中有的畴区响应被增强，有的被减弱，这是由于不同畴区的极化方向不同导致的，静电力与样品极化方向相同时，响应增强，方向相反时则会相互抵消。由一阶与二阶振幅分布通过目标解耦模型解耦得到压电响应分布图的振幅分布符合真实的畴结构分布，不同方向的畴区振幅一致，在畴界处有较低的响应。将得到的一阶振幅与二阶振幅图像根据目标解耦模型进行解耦运算即可得到样品的力电耦合应变图分布。进一步的，根据目标解耦模型的解耦能更好地用于对比不同材料的静电力响应与力电耦合应变响应。力电耦合应变与静电响应在不同模态的振幅相应如图4A、图4B和图4C所示，在不同模态下，探针分别在力电耦合应变与静电力响应下对应的振幅在总响应的振幅中占比不同。
本发明实施例的技术方案通过将两个频段内具有不同特性参数的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号；将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性参数对应的双模态振幅图像；根据目标解耦模型和所述待测目标的双模态振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像；解决力电耦合应变测量易受静电影响、结果不准确的问题，实现由目标解耦模型定量解析双模态数据准确获得待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像，以及减小对特定探针的需求，提高适用性的效果。
在上述技术方案的基础上，如图5A所示，在步骤110之前，还包括：
步骤100、构造解耦模型。
如图5B所示，具体包括：步骤101、标定原子力显微镜的探针的振动参数。
扫描探针显微镜通过在导电探针上施加一个交流电压，在针尖电场作用下，压电样品在逆压电效应作用下产生形变，增强此形变位移传递给探针，并通过共振放大作用增强信号，通过激光探测器检测探针的位移变化对样品的形变进行量化。在AFM在测量的同时，由于探针与样品间的电容效应，会引入静电作用，增加探针振幅额外的贡献。由于静电作用受探针刚度影响显著，因此构建解耦模型之前，需要标定探针的振动参数。
其中，可选的，振动参数包括探针和待测样品耦合共振的双模态的刚度和光杠杆转换系数。
根据探针振动原理，可通过实验测量探针在自由共振下不同模态的刚度，再经梁理论转换得到双模态的刚度。对于光杠杆转换系数可以通过测量纯静电作用或者变动AFM探针悬臂上激光斑点综合位置来进行标定。
步骤102、基于所述探针的振动参数构造初始解耦模型。
步骤103、基于原子力显微镜的测量数据对所述初始解耦模型进行可靠性验证，得到目标解耦模型。
为检验解耦模型的有效性，可以利用多种AFM常规测量验证响应量级匹配与否。其中，由于静电力为长程作用力，可在共振测量后，抬高AFM探针至样品表面若干纳米处，并且施加同样的激励信号；此时为非接触状态，探针振动已不受样品形变影响，其振幅由纯静电力梯度决定，因此可以通过变化探针高度、外加不同直流偏置来精确测量静电力。最后通过采用刚度各异的探针以及不同样品，如磷酸铁锂、氧化铈、甲胺铅碘等，来检验解耦模型的适用性。将验证通过的解耦模型确定为目标解耦模型。
示例性的，当存在静电力的时候，AFM测量的总振幅响应由压电响应与静电响应共同组成，如公式(1)所示：
其中，Atotal为总响应振幅，Ap为压电振幅，Ae为静电振幅，d33为样品的压电系数，Vac为针尖交流电压，k为探针样品的***刚度，C'为针尖样品间的电容梯度，Vdc为探针直流电压，Vsp为样品表面电势。
为了能够得到样品真实的压电响应，利用探针的多阶共振模态属性，探针的动态刚度会随着共振模态的增加而递增，而探针刚度则与静电响应大小成反比，而不影响压电应变，由此通过使用双模态PFM，从不同模态响应的总振幅Aw1，Aw2中解耦出真实的压电响应Ap与静电响应Ae，不同模态下的振幅响应贡献如下，Fe为静电力如公式(2)和(3)所示：
使用标准样品PPLN对探针进行校准，获得***参数invOLS1，invOLS2，k1，k2。标准样品PPLN的压电系数为已知值d33＝7.5pm/V，样品由周期性分布排列的极化向上与向下的条带畴组成，不同极化方向的畴区振幅响应大小相同，相位相反，在畴界处振幅响应最低。针尖交流电压Vac的值在实验测量时设定，Aw1，Aw2为实验测量得到的探针不同阶次的振幅值。根据不同模态下探针动态刚度k1,k2的不同，通过公式(4)即可求得压电响应：
在SSPFM(Switching spectroscopy piezoresponse force microscopy，压电响应力翻转谱显微术)模式中，设置0-15V线性变化的直流电压扫描，交流电幅值为1V，分别测量探针在PPLN样品上不同极化区域的一阶共振响应与二阶共振响应。
对相交线段进行线性拟合，交点处即为样品真实的压电振幅值，此时的振幅值为通过静态invOLS换算得到了，因此需先除掉静态invOLS得到原始信号，静态invOLS＝95.99nm/V，由Cypher ES通过热噪测试校准得到。再通过标样已知的压电系数d33来重新计算不同共振模态下的invOLS1，invOLS2，如公式(5)和(6)所示：
从上式中得到invOLS1＝51.166nm/V，invOLS2＝126.711nm/V。
再通过一阶模态与二阶模态拟合线段的斜率b1＝5.4264pm/V，b2＝0.223pm/V可得到动刚度k2与k1的比值β，如公式(7)所示：
得到β＝6.5。
由此，即标定完所有的***参数，只需通过实验测试得到一阶模态与二阶模态下的振幅响应值，通过解耦公式即可分离出真正的压电响应贡献。
在上述技术方案的基础上，步骤120中的分步骤S2优选包括：
S21、将所述不同特性参数下的全时域振动响应信号经过解调求得所述待测目标在不同特性参数和不同模态下的特征信息。
由于任意波形发生器对模拟信号进行了标记，将不同特性参数对应的信号间隔区分，因此获得的不同特性参数下的全时域振动响应信号在经过解调后，可以得到待测目标在不同特性参数和不同模态下对应的特征信息。特性信息包括振幅、相位偏移、谐振频率和品质因数等中的一种或多种。
S22、根据所述特征信息和预设拟合算法得到所述待测目标在不同特性参数下对应包含的双模态振幅图像。
将获得的每个像素点在不同特性参数下对应的特征信息分别画至复平面，由对应的物理模型进行拟合得到待测目标的本征振幅和相位，重构生成双模态对应的幅值图和相位图。
实施例二
图6为本发明实施例提供的一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微***。如图6所示，一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微***，包括：
信号生成模块510，用于将两个频段内具有不同特性参数的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号。
通常原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)对样品的多种性能进行测试时，需要进行多次动态和/或静态扫描，对应的需要多次收集测试结果数据进行处理，且切换不同谐波扫描用时较长。由于待测目标的本征振幅通常十分微弱，容易被仪器的***噪音掩盖，需要借助共振激励来放大响应。
本实施例采用高通量技术，将多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号，且子波形具有不同特性参数，子波形可为正弦波，所述不同特征参数包括不同频率、不同周期、不同幅值和不同相位中的一种或多种，顺序合成激励信号包含具有不同特性参数多个子波形，因而顺序合成激励信号具有多种测试功能。进一步的，合成激励信号的子波形的频率均属于预设的两个频段内，即激励信号的频谱范围覆盖双模态对应的频率，且子波形的频率为离散状态。本实施例采用的多个频率离散的正弦波合成的激励信号进行测试能够获得满足精度要求的测试结果，同时与采用连续频率子波进行测试的方法相比，提高了测试速率。使用上述激励信号波形激励扫描区域获得静电响应与力电耦合应变响应的扫描信息，实现简单高效地获取高物理相关度的大数据的效果。同时激励能量集中于多个关键频率，在提升信噪比的同时减少数据冗余。
图像获取模块520，用于将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性参数的双模态振幅图像。
扫描探针施加激励信号于待测目标，产生极微弱的原子间相互作用力，作用力将使得与扫描探针连接的悬臂发生形变或运动状态发生变化。扫描样品时，利用传感器检测这些变化，就可获得作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构信息及电流、形变等物理信息。本实施例中施加激励信号获取的双模态振幅图像具体为：待测目标在探针激励信号作用下的电致应变响应振幅图像，待测目标与探针之间的静电力响应振幅图像。
激励信号由多个频率离散的正弦波在预设的时间跨度内以时序方式连接，组成激励信号的不同频率子波形连接处预留固定长度的空白值进行标记，用于后处理时识别不同子波形产生的响应信号，确保进行激励和后期处理时不同频率子波形不相互串扰；将多个不同频率信号通过扫描探针对样品进行激励，扫描探针对待测目标按行顺序进行扫描，采集到响应的信号并传输至后处理器中，由后处理器中的MATLAB软件对收集到的不同模态的响应信号进行分段切割与解析，反向求解得到对应的振幅与相位再进行拟合，最后得到不同模态的幅值图和相位图。
数据处理模块530，用于根据目标解耦模型和所述待测目标的振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
通过合成激励信号，在同一点位连续测量一阶，二阶模态响应，完成全区域的双模态响应振幅原位扫描，通过MATLAB程序从原始数据中提取出一阶振幅与二阶振幅图像，再根据目标解耦模型进行解耦运算即可得到待测目标样品的压电响应图分布，即待测目标的测试结果图像。
可选的，解析静电与力电耦合响应的原子力显微***还包括解耦模型构造模块500。解耦模型构造模块500具体包括：
参数标定单元，用于标定原子力显微镜的探针的振动参数。
在AFM在测量的同时，由于探针与样品间的电容效应，会引入静电作用，增加探针振幅额外的贡献。由于静电作用受探针刚度影响显著，因此构建解耦模型之前，需要标定探针的振动参数。其中，可选的，振动参数包括探针和待测样品耦合共振的双模态的刚度和光杠杆转换系数。
根据探针振动原理，可通过实验测量探针在自由共振下不同模态的刚度，再经梁理论转换得到双模态的刚度。对于光杠杆转换系数可以通过测量纯静电作用或者变动AFM探针悬臂上激光斑点综合位置来进行标定。
初始模型构造单元，用于基于所述探针的振动参数构造初始解耦模型。
模型验证单元，用于基于原子力显微镜的测量数据对所述初始解耦模型进行可靠性验证，得到目标解耦模型。
为检验解耦模型的有效性，可以利用多种AFM常规测量验证响应量级匹配与否。其中，由于静电力为长程作用力，可在共振测量后，抬高AFM探针至样品表面若干纳米处，并且施加同样的激励信号；此时为非接触状态，探针振动已不受样品形变影响，其振幅由纯静电力梯度决定，因此可以通过变化探针高度、外加不同直流偏置来精确测量静电力。最后通过采用刚度各异的探针以及不同样品，如磷酸铁锂、氧化铈、甲胺铅碘等，来检验解耦模型的适用性。将验证通过的解耦模型确定为目标解耦模型。
可选的，图像获取模块520包括：
信号测试单元，用于通过原子力显微镜的探针依次将所述激励信号施加至待测目标，获得对应的响应信号。
图像处理单元，用于分离所述响应信号中不同特性参数对应的振幅图像。
扫描探针依次将顺序合成的激励信号施加至待测目标的多个像素点，可以实现对目标样品的一次扫描得到多种测试结果信号。测试结果信号为收集到的样品响应信号，测试结果信号按照合成激励信号的预设拼接顺序分别生成多种测试结果，所述测试结果信号的种类数量对应不同特征参数的子波形的数量，测试结果为目标样品的静电和应变属性。
可选的，所述图像处理单元包括：
特征信息获取子单元，用于将所述不同特性参数下的全时域振动响应信号经过解调求得所述待测目标在不同特性参数和不同模态下的特征信息。
由于AWG对模拟信号进行了标记，将不同特性参数对应的信号间隔区分，因此获得的不同特性参数下的全时域振动响应信号在经过解调后，可以得到待测目标在不同特性参数和不同模态下对应的特征信息。特性信息包括振幅、相位偏移、谐振频率和品质因数等中的一种或多种。
振幅图像生成子单元，用于根据所述特征信息和预设拟合算法得到所述待测目标在不同特性参数下对应的双模态的振幅图像。
将获得的每个像素点在不同特性参数下对应的特征信息分别画至复平面，由对应的物理模型进行拟合得到待测目标的本征振幅和相位，重构生成不同模态对应的幅值图和相位图。
可选的，数据处理模块530包括：
本征特性获取单元，用于对所述待测目标的全时域振幅响应数据进行解调得到待测目标在探针施加激励信号下的本征振幅和相位。
基于探针振动原理、双模态大数据的定量解耦方法可以准确反映材料在针尖电场诱导下的真实应变、附加静电力的干扰。
结果获取单元，用于根据所述本征振幅和所述本征相位，所述目标解耦模型对解耦后的数据进行重构得到所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
由一阶与二阶振幅分布通过目标解耦模型解耦得到压电响应分布图的振幅分布符合真实的畴结构分布，不同方向的畴区振幅一致，在畴界处有较低的响应。将得到的一阶振幅与二阶振幅图像根据目标解耦模型进行解耦运算即可得到样品的力电耦合应变图分布。
本发明实施例的技术方案通过将两个频段内具有不同特性参数的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号；将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性参数对应的双模态振幅图像；根据目标解耦模型和所述待测目标的双模态振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像；解决力电耦合应变测量易受静电影响、结果不准确的问题，实现由目标解耦模型定量解析双模态数据准确获得待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像，以及减小对特定探针的需求，提高适用性的效果。
本发明实施例所提供的解析静电与力电耦合响应的原子力显微***可执行本发明任意实施例所提供的解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，具备执行方法相应的功能模块和有益效果。
注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。
Claims (10)
1.一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，其特征在于，包括：
将两个频段内具有不同频率的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号；
将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同频率对应的双模态振幅图像；
根据目标解耦模型和所述待测目标的双模态振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
2.根据权利要求1所述的解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，其特征在于，在所述将两个频段内具有不同频率的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号之前，还包括：构造解耦模型；所述构造解耦模型包括：
标定原子力显微镜的探针的振动参数；
基于所述探针的振动参数构造初始解耦模型；
基于原子力显微镜的测量数据对所述初始解耦模型进行可靠性验证，得到目标解耦模型。
3.根据权利要求2所述的解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，其特征在于，所述探针的振动参数包括探针和待测样品耦合共振的双模态刚度和光杠杆转换系数。
4.根据权利要求1所述的解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，其特征在于，所述激励信号的频谱范围覆盖所述双模态对应的频率。
5.根据权利要求1所述的解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，其特征在于，所述将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同特性频率对应的双模态振幅图像包括：
通过原子力显微镜的探针依次将所述激励信号施加至待测目标，获得对应的响应信号；
分离所述响应信号中不同频率对应的振幅图像。
6.根据权利要求5所述的解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，其特征在于，所述分离所述响应信号中不同频率对应的振幅图像，包括：
将所述不同频率下的全时域振动响应信号经过解调求得所述待测目标在不同频率和不同模态下的特征信息；
根据所述特征信息和预设拟合算法得到所述待测目标在不同频率下对应包含的双模态振幅图像。
7.根据权利要求1所述的解析静电与力电耦合响应的原子力显微方法，其特征在于，所述根据目标解耦模型和所述待测目标的双模态振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像，包括：
对所述待测目标的全时域振幅响应数据进行解调得到待测目标在探针施加激励信号下的本征振幅和相位；
根据所述本征振幅和所述本征相位，所述目标解耦模型对解耦后的数据进行重构得到所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
8.一种解析静电与力电耦合响应的原子力显微***，其特征在于，包括：
信号生成模块，用于将两个频段具有不同频率的多个子波形按预设拼接顺序合成激励信号；
图像获取模块，用于将所述激励信号施加至待测目标，获取待测目标不同频率对应的双模态振幅图像；
数据处理模块，用于根据目标解耦模型和所述待测目标的双模态振幅图像进行解耦与重构，生成所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
9.根据权利要求8所述的解析静电与力电耦合响应的原子力显微***，其特征在于，还包括：解耦模型构造模块，所述解耦模型构造模块包括：
参数标定单元，用于标定原子力显微镜的探针的振动参数；
初始模型构造单元，用于基于所述探针的振动参数构造初始解耦模型；
模型验证单元，用于基于原子力显微镜的测量数据对所述初始解耦模型进行可靠性验证，得到目标解耦模型。
10.根据权利要求8所述的解析静电与力电耦合响应的原子力显微***，其特征在于，所述数据处理模块包括：
本征特性获取单元，用于对所述待测目标的全时域振幅响应数据进行解调得到待测目标在探针施加激励信号下的本征振幅和相位；
结果获取单元，用于根据所述本征振幅和所述本征相位，所述目标解耦模型对解耦后的数据进行重构得到所述待测目标的力电耦合应变图像和静电响应图像。
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