Piezoelektriske Force Microscopy - Grundlæggende, instrumentering og applikationer af piezoelektriske Force Mikroskopi af Park Systems

Emner, der

Om Park Systems
Indledning
Grundlæggende Principper for PFM
Optimering af PFM Signal

Om Park Systems

Park Systems er Atomic Force Microscope (AFM) teknologisk førende, leverer produkter, der behandler krav af al forskning og industrielle nanoskala applikationer. Med en unik scanner design, der giver mulighed for den sande Non-Contact billeddannelse i flydende og luft-miljøer, er alle systemer er fuldt kompatible med en lang liste af innovative og kraftfulde muligheder. Alle systemer er designet med lethed-i-brug, nøjagtighed og holdbarhed i tankerne, og give dine kunder den ultimative ressourcer til meetiong alle nuværende og fremtidige behov.

Prale med den længste historie i AFM branchen, Park Systems er en omfattende portefølje af produkter, software, tjenester og ekspertise matches kun af vores engagement i vores kunder.

Indledning

Denne applikation notat præsenterer det grundlæggende, instrumentering og mulige anvendelser af den piezoelektriske force mikroskopi (PFM), en ny scanning probe mikroskopi mode, der udnytter den piezoelektriske effekt af materialer til at skabe kontrast. Forskellige emner, der er involveret i at forbedre billedkvalitet og opløsning, fjerne artefakter og udtrække oplysninger fra den genererede billede diskuteres. Desuden har vi inkluderet en kort introduktion af spektroskopi mode, som gør det muligt kvantitativt analyser af piezoelektriske respons af materialer under anvendt spænding.

Grundlæggende Principper for PFM

Fra den første dag scanning probe mikroskopi er introduceret til den moderne forskning grænse, har nye modes og applikationer frem med hidtil uset hastighed, så dette alsidige værktøj til at se ind i stadigt stigende aspekter af lokale materialeegenskaber på nanometer skala. Piezoelektriske Force Microscopy (PMF) er en af ​​sådanne nye transportformer, som har vundet stigende anerkendelse selvom de senere år, for de unikke oplysninger, den kan tilbyde den elektromekaniske kobling karakteristika forskellige ferro, piezoelektriske, polymere og biologiske materialer.

I PFM drift, en ledende AFM er tip bringes i kontakt med overfladen af de undersøgte ferro-eller piezoelektriske materialer, og en forudindstillet spænding anvendes mellem prøven overfladen og AFM tip, om oprettelse af et eksternt elektrisk felt inden prøven. På grund af den electrostriction, eller "inversed piezoelektriske"-effekter af en sådan ferro-eller piezoelektriske materialer, vil prøven lokalt udvide eller kontrakt i henhold til det elektriske felt. For eksempel. Hvis den oprindelige polarisering af den elektriske domæne af den målte prøve er vinkelret på prøvens overflade, og parallelt med den anvendte elektriske felt, vil de domæner opleve en lodret udvidelse Siden AFM spidsen er i kontakt med prøven overflade, ville en sådan domæne ekspansion bøje AFM cantilever opad, og resultere i en øget afbøjning i forhold til status, før du anvender det elektriske felt. Omvendt, hvis den oprindelige domæne polarisering er anti-parallel til den anvendte elektriske felt, ville det domæne kontrakt, og til gengæld resultere i et fald i cantilever nedbøjning (Figur 1). Mængden af ​​cantilever afbøjning forandring, i en sådan situation, er direkte relateret til mængden af ​​ekspansion eller sammentrækning af prøven elektriske domæner, og dermed proportional med den anvendte elektriske felt.

Figur 1. Cantilever afbøjning forandring

Hvis den anvendte spænding indeholder en lille AC-komponent, vil den inversed piezoelektriske svar fra prøven resultere i prøveoverflade svingning i samme frekvens som de anvendte AC spænding. I tilfælde af, at prøven er et ideelt piezoelektriske krystal, dens polarisation ville være relateret til anvendt mekanisk belastning ved følgende ligning:

P _i = d _IJK s _jk

hvor d _IJK er rang-3 peizoelectric tensor af materialet. For disse materialer med tetragonal krystalstrukturer, kan dette piezoelektriske tensor blive reduceret til følgende form:

+

i hvilket tilfælde, = V ₀ cos (ωt) under de anvendte AC graduering spænding V, ville prøve overfladevibrationer tage form ΔZ = ΔZ ₀ cos (ωt + φ), med vibrationer amplituden ΔZ ₀ = D ₃₃ V _0, og fase f = 0, hvis prøven domænet polarisering er orienteret parallelt med den anvendte elektriske felt, og ud af φ = 180 °, hvis det er orienteret anti-parallel til den anvendte elektriske felt (figur 2). Sådanne svingninger vil være direkte afspejlet i amplitude og fase signalet fra AFM sonden kontakte overfladen, og kan læses ved hjælp af en lock-forstærker.

Figur 2. Vibration amplitude til parallel-og anti-parallel orientering af polarisering

I typiske PFM billedbehandling, er den anvendte AC spænding indstillet til at være meget lavere end den tvangsmæssige skævhed for prøve domæne skifte, for at undgå vekslen af ​​det lokale domæne strukturen i de undersøgte prøve. Hvis et sådant kriterium er opfyldt, ville fasekontrast genereret på PFM billedbehandling afspejler det domæne polariteten i forskellige prøve forskellige steder, mens fra størrelsen af ​​amplituden signalet lokale piezoelektriske koefficient af prøven kan udvindes, som omtalt i tidligere stk. Figur 3 viser et sådant eksempel på en sådan PFM amplitude og fase billeder taget på PZT-5H prøve. Som det kan ses i kredsede del 180 °, fasekontrast er tydeligt i to tilstødende områder i PFM fase billede, og det domæne mur mellem dem kan ses med reduceret amplitude i PFM amplitude billede. Også kan mærke er, at både den opadgående og nedadgående orienterede domæner har fremkaldt PFM amplitude signal med samme størrelse, med angivelse af materielle værdier er forholdsvis ensartet i de undersøgte prøve.

Figur 3. PFM amplitude og fase billeder taget på PZT-5H prøve

For mere komplicerede prøve domænenavn orientering indeholder ikke kun komponenter vinkelret på overfladen i kontakt med AFM spids, men også komponenter langs forskellige retninger i overfladen flyet, vektor PFM med en lodret og to laterale kanaler kan give mere fuldstændige oplysninger. For eksempel, at få D ₁₅ del af piezoelektriske tensor i tetragonal piezoelektriske krystaller vi er nødt til at måle laterale dele af AFM spids vibrationer proportional med i planen prøveoverfladen forskydning (Figur 4), som skulle tage form ville tage formular ΔL = ΔL ₀ cos (ωt + φ), med vibrationer amplituden ΔL ₀ = D ₁₅ V ₀ varsel, hvis en DC bias er anvendt mellem spidsen og prøven i forbindelse med AC spænding, både i-flyet og ud -of-plane elektromekaniske respons af prøven er også funktioner i dette gjaldt DC spænding.

Figur 4. Lodrette og vandrette PFM amplitude og fase billeder

I de fleste af de virkelige sager, indeholder den undersøgte prøve random-orienterede polykrystallinske kornet struktur, ofte med ikke-nul lateral komponenter i sin piezoelektriske tensor. I dette tilfælde er de fundne lodret PFM-signalet ikke længere kun er proportional med d _33, men også afhængig af d ₃₁ og d ₁₅ komponenter. Fx ville den lodrette PFM amplitude ikke længere være ΔZ ₀ = d ₃₃ V _{0 i} stedet, ville det tage form

ΔZ ₀ = d _ZZ V ₀ = [(d ₃₁ + d ₁₅₎ Synd ² θcosθ + D ₃₃ cos ² θ] V ₀

hvor θ er en del af den lokale orientering kortet (θ, φ, ψ) mellem laboratoriet koordinatsystem og krystal koordinatsystemet af prøven. Ikke desto mindre kan hvis både den lodrette og to laterale dele af PFM-signal er fra prøver udtaget placering, enten den iboende prøven piezoelektriske konstanter d _ij eller den lokale orientering kortet (θ, φ, ψ) være udvundet af sådanne data. I et ord, har 3D PFM åbnet muligheden for en komplet 3D-rekonstruktion af polarisering vektor af de undersøgte prøver på nanometer skala.

Fælles anvendelse af PFM omfatter lokale karakterisering af elektromekaniske egenskaber af materialer, herunder detaljerede domæne kortlægning og undersøgelse af domæne skifte dynamik; afprøvning af mikro-og nano-elektromekaniske enheder (fx piezoelektriske aktuatorer, transducere, og MEMS), elektro-optisk udstyr og nonvolatile hukommelse komponenter (dvs. FERAM enheder), som omhandler deres pålidelighed spørgsmål såsom elektromekaniske aftryk, træthed og dielektriske break-down, udforske det lokale og globale forhold mellem polaritet og andet materiale egenskaber på nye polymer og bio-manipuleret materialer baseret på detaljerede nanoskala strukturelle og elektriske karakterisering af disse materialer mv

Optimering af PFM Signal

I den virkelige verden, ofte måles PFM signal indeholder yderligere bidrag fra både lokale og distribueres elektrostatiske kraft i tillæg til den lokale elektromekaniske svar fra prøven, dvs A = A _EM + A _es + A _nl. A _em, de elektromekaniske svar fra prøven, er den virkelige udtryk, der afspejler det lokale domæne strukturen i stikprøven, mens A _es, den lokale elektrostatiske kraft, der opererer på tip-overfladen krydset og A _nl, det elektrostatiske respons cantilever resulterede fra marken mellem cantilever selv og prøven overfladen, som det ses i figur 5, er distraherende vilkår, der skal minimeres for at undgå billeddannelse artefakter.

Figur 5. Lokale piezoresponse Kontrast

Men ved omhyggeligt at vælge cantilever for prøver med forskellige størrelsesordenen af ​​elektromekanisk respons, kan bidraget af de elektrostatiske vilkår blive minimeret. Da det samlede PFM signal Z = (d _eff + Lwe ₀ ΔV / 48kh ²⁾ V _AC, hvor d _eff er den effektive piezoelektriske konstant langs retningen af målingen, L, W og k er den længde, bredde og fjederkonstanten af cantilever anvendes til måling, h er højden af AFM spids, ε ₀ og ΔV er den dielektriske konstant af luften og den gennemsnitlige spænding mellem spidsen og prøven, henholdsvis at øge andelen af den virkelige elektromekaniske bidrag til dette signal, skal vi vælge en cantilever, der er stift nok k _eff>> k = Lwe ₀ ΔV / 48d _eff h ²⁾ for at reducere det andet led i ligningen ovenfor.

Siden PFM er en kontakt-baseret imaging teknik, ved hjælp af meget stive køreledningsophæng kunne fremkalde irreversible prøve skader i den blødere materialer, eller prøver, der ikke er solidt fastgjort til underlaget overfladen, såsom ZnO Nanotråd prøver løst spredt på Si wafer overflade. I sådanne situationer kan vælge en cantilever med korte og smalle geometri også bidrage til at nedsætte det bidrag fra elektrostatiske sigt. Desuden ville opnå PFM billede på nul DC skævhed i høj grad reducere bidrag elektrostatiske sigt, både lokale og ikke-lokale.

Endelig vil elektrostatiske komponenter, der bidrager til PFM signalet aftager med øget hyppighed af de anvendte AC spænding, og den ikke-lokale komponenter falder specielt hurtigt. Også ville billedbehandling ved højere frekvenser generelt resultere i cantilever afstivning, som forbedrer kontakten mellem spids og prøve overflade. Derfor PFM billeder fås ved henvendelse til højere frekvens generelt indeholder mindre bidrag fra elektrostatiske vilkår, og udviser et bedre signal støjforhold. Optimal lodret PFM signal kan opnås i frekvenserne omkring MHz orden, mens lateral PFM-signal er normalt optimalt ved frekvenser mellem 10 og 100 kHz, afhængigt af både den AFM sonde, der anvendes, og prøven filmede. Dog fortsat forøgelse af frekvensen for de anvendte AC spænding i sidste ende ville ramme den øvre grænse fastsat af båndbredden til fotodetektor og lock-in forstærkeren. Ved ekstremt høje frekvenser, ville intet signal være transuded på grund af den drastisk øget stivhed af cantilever.

Når en passende cantilever er valgt til de undersøgte prøver, kan du kontakte resonans effekt kan udnyttes til at øge bidraget fra eletromechanical komponent, en _em, og forbedre kvaliteten af PFM billeddannelse. I praksis, efter at bringe AFM , spids i kontakt med prøvens overflade, der skal undersøges i PFM tilstand kunne en frekvens sweep udføres for AC spænding mellem spidsen og prøven, og amplitude / fase vs frekvens adfærd kan optaget (figur 6). Den resonans peak vist i amplitude vs frekvens diagram er defineret af de mekaniske egenskaber af cantilever, den iboende electromchanical egenskaber ved prøve, og den stivhed af tip-prøve kontakt. Hvis AC spænding i spidsen drives i nærheden af ​​sådanne resonans frekvens, vil den høje kvalitet faktor for resonans peak i høj grad øge signal-støj-forholdet i observerede PFM amplitude og fase signal (Figur 7: væk fra resonans , 17 kHz, lavt signal vs tæt på resonans, 377kHz, højt signal).

Figur 6. Resonant højdepunkt i amplitude vs frekvens diagram

Figur 7. Signal-støj-forholdet i observerede PFM amplitude og fase signal

Ekstra advarer behøver at blive taget for at undgå den stærke cross-talk mellem topografiske og elektromekaniske signaler, når du bruger resonans ekstraudstyret til forøge PFM billedkvalitet, da hyppigheden af ​​sådan kontakt resonans er påvirket af den tip-sample kontakt stivhed, som igen påvirket af kontakten området mellem spidsen og prøven (figur 8). For eksempel, når spidsen er i kontakt med en konkav areal af prøven overflade ville det tip-prøven kontakt stivhed øge sammenligne med sagen, når spidsen er i kontakt med et fladt område af prøven overflade. Dette ville til gengæld øge kontakten resonansfrekvens. Hvis AC spænding i spidsen er fastsat til den nøjagtige kontakt resonansfrekvens måles, når spidsen er i kontakt med det flade område, ville et stort fald i de observerede PFM amplituden forekomme, da den nye kontaktperson resonans ikke længere forekommer på dette specifikke frekvens .

Figur 8. Resonans påvirket af kontakten området mellem spidsen og prøven

For at minimere denne ustabilitet og stort set eliminere cross-talk mellem topografiske og PFM kanaler af signal, er frekvensen af ​​AC køre signalet bedste valgt i nærheden af ​​resonans, men ikke ligefrem ved resonant peak (Figur 9).

Figur 9. Resonant: 360kHz, cross-talk af topo-PFM signal i amplitude billeddannelse; nær resonans: 377kHz, god signalkvalitet og næsten ingen cross-talk

Når du forsøger at bruge kontakt resonans til PFM forstærkning af signalet, på grund af den elektrostatiske virkning, kan blødere køreledningsophæng vise flere toppe i frekvens sweep diagrammet (figur 10), og ikke alle tinder ville generere en stabil PFM signal. Hvis en sådan soft cantilever er behov for den specifikke prøve, der skal undersøges (f.eks ZnO wire spredt på Si Underlaget kan være ridset eller endda fritstående med scannet i PFM tilstand ved hjælp af meget stive køreledningsophæng), hver af de forelagte toppe kan testes individuelt, indtil en, der giver klare, er stabil PFM signal fundet. I de fleste tilfælde, gentag frekvensen feje et par gange kan hjælpe med at stabilisere spektre og fjerne alle ikke-iboende toppe.

Figur 10. Toppe i frekvens sweep diagrammet

Kilde: Park Systems

For mere information om denne kilde kan du besøge Park Systems