Piezoelektrische Kraft-Mikroskopie - die Grundlagen, die Instrumentierung und die Anwendungen der Piezoelektrischen Kraft-Mikroskopie durch Park-Anlagen

Themen Umfaßt

Über Park-Anlagen
Einleitung
Grundprinzipien von PFM
Optimierung von PFM-Signal

Über Park-Anlagen

Park Anlagen ist der AtomKraft-Mikroskop (AFM)technologieführer und stellt Produkte zur Verfügung, die die Anforderungen aller Forschung und industriellen nanoscale Anwendungen ansprechen. Mit einer eindeutigen Scanner-Auslegung, die die Wahre Berührungsfreie Darstellung in den Flüssigkeits- und Luftumgebungen zulässt, sind alle Anlagen völlig - mit einer langatmigen Liste von innovativen und starken Optionen kompatibel. Alle Anlagen sind konstruierter Einfach-vongebrauch, Genauigkeit und Haltbarkeit im Verstand und versehen Ihre Abnehmer mit den entscheidenden Betriebsmitteln für meetiong aller gegenwärtige und Bedarf.

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Einleitung

Diese Anwendungsanmerkung stellt die Grundlagen, die Instrumentierung und die Potenzialanwendungen der piezoelektrischen Kraftmikroskopie (PFM), ein neuer Scannenfühler-Mikroskopiemodus dar, der den Piezoeffekt von Materialien verwendet, um Kontrast zu erzeugen. Die Verschiedenen Themen, die mit einbezogen werden, wenn man Bildqualität und -auflösung verbessert, Artefakte beseitigt und Informationen vom erzeugten Bild extrahiert, werden behandelt. Auch wir haben eine kurze Einleitung des Spektroskopiemodus umfaßt, der quantitativ Analysen der piezoelektrischen Antwort der Materialien unter angewandter Spannung erlaubt.

Grundprinzipien von PFM

Vom ersten Tagesscannenfühler wird die Mikroskopie zur zeitgenössischen Forschungsgrenze, neue Modi eingeführt und Anwendungen sind mit beispielloser Drehzahl aufgetaucht und dieses vielseitige Hilfsmittel in ständig steigende Aspekte von lokalen Materialeigenschaften nmschuppe betrachten lassen. Piezoelektrische Kraft-Mikroskopie (PFM) ist einer solcher neuen Modi, der zunehmende neue Jahre der Anerkennung zwar zu der eindeutigen Information, die gewonnen hat sie auf den elektromechanischen Kupplungseigenschaften von verschiedenem ferroelectric anbieten kann, piezoelektrisch, Polymer und biologischen Materialien.

In PFM-Operation wird eine leitfähige FLUGHANDBUCH-Spitze in Kontakt mit der Oberfläche der studierten ferroelectric oder piezoelektrischen Materialien geholt, und eine voreingestellte Spannung ist zwischen der Beispieloberfläche und der FLUGHANDBUCH-Spitze angewandt und legt einen externen elektrischen Bereich innerhalb der Probe fest. Wegen des electrostriction oder „inversed piezoelektrische“ Effekte von solchem ferroelectric, oder piezoelektrische Materialien, die Probe würden lokal entsprechend dem elektrischen Bereich erweitern oder schmälern. Zum Beispiel wenn die Anfangspolarisation des elektrischen Gebietes der gemessenen Probe zur Beispieloberfläche senkrecht ist, und Ähnlichkeit zum angewandten elektrischen Bereich, würden die Gebiete eine vertikale Reihenentwicklung erfahren. Da die FLUGHANDBUCH-Spitze in Verbindung mit der Beispieloberfläche ist, würde solche Gebietsreihenentwicklung den FLUGHANDBUCH-Kragbalken aufwärts und Ergebnis in einem erhöhten Ausschlag verbiegen, der mit dem Status verglichen wurde, bevor sie den elektrischen Bereich anwendete. Andererseits wenn die Anfangsgebietspolarisation zum angewandten elektrischen Bereich anti-parallel ist, würde das Gebiet schmälern und der Reihe nach ergeben einen verringerten freitragenden Ausschlag (Abbildung 1). Die Menge der freitragenden Ausschlagänderung, in solcher Situation, hängt direkt mit der Menge von Reihenentwicklung oder Kontraktion der Beispielelektrischen Gebiete zusammen, und folglich proportional zum angewandten elektrischen Bereich.

Abbildung 1. Freitragende Ausschlagänderung

Wenn die angewandte Spannung ein kleines AC-Bauteil enthält, würde die inversed piezoelektrische Antwort von der Probe Beispieloberflächenoszillation in die gleiche Frequenz wie die angewandte Wechselspannung ergeben. Im Falle, dass die Probe ein idealer piezoelektrischer Kristall ist, würde seine Polarisation mit angewandter mechanischer Belastung durch die folgende Gleichung zusammenhängen:

Pi = dsijkjk

in, welchem dijk der peizoelectric Spanner rank-3 des Materials ist. Für solche Materialien mit tetragonalen Kristallstrukturen, kann dieser piezoelektrische Spanner auf dem folgenden Formular verringert werden:

+

in diesem Fall, unter der angewandten WS-Modulationsspannung V = Vcos0 (ωt), Beispieloberflächenschwingung das Formular ΔZ = ΔZcos (ωt0 + φ), mit der Schwingungsamplitude ΔZ = dV0 und330 Phase f = 0 nehmen würde, wenn die Beispielgebietspolarisation zum angewandten elektrischen Bereich und aus φ = 180° heraus orientiertes paralleles ist-, wenn sie zum angewandten elektrischen Bereich orientiertes anti-paralleles ist (Abbildung 2). Solche Oszillation würde direkt im Amplituden- und Phasensignal des FLUGHANDBUCH-Fühlers reflektiert, der die Oberfläche in Kontakt bringt und kann unter Verwendung a Verriegelung-im Verstärker ausgelesen werden.

Abbildung 2. Schwingungsamplitude für parallele und anti-parallele Orientierung der Polarisation

In typischer PFM-Darstellung wird die angewandte Wechselspannung eingestellt, um als die koerzitive Vorspannung für Beispielgebietsschaltung viel niedriger zu sein, Wechsel der lokalen Gebietszelle der studierten Probe zu vermeiden. Wenn solches Kriterium erfüllt wird, würde der Phasenkontrast, der in PFM-Darstellung erzeugt wurde, die Gebietspolarität in den verschiedenen Beispieleinbauorten, während von der Größe des lokalen piezoelektrischen Koeffizienten des Amplitudensignals der Probe extrahiert werden kann, wie im ehemaligen Paragraphen behandelt worden reflektieren. Abbildung 3 Shows solch ein Beispiel solcher PFM-Amplituden- und -phasenbilder erhalten auf PZT-5H Probe. Wie im eingekreisten Teil 180° beobachtet werden kann, ist Phasenkontrast in zwei anliegenden Gebieten im PFM-Phasenbild offensichtlich, und die Gebietswand zwischen ihnen kann mit verringerter Amplitude im PFM-Amplitudenbild beobachtet werden. Kann Auch beachtet werden ist, dass die beide die aufwärts und abwärts orientierten Gebiete PFM-Amplitudensignal mit der ähnlichen Größe verursacht hat und angezeigt, dass die Materialeigenschaft in der studierten Probe verhältnismäßig homogen ist.

Abbildung 3. PFM-Amplitude und -phasenbilder erhalten auf PZT-5H Probe

Für schwierigere Beispielgebietsorientierung kann das Enthalten von den nicht nur Bauteilen, die zur Oberfläche in Verbindung mit der FLUGHANDBUCH-Spitze, aber senkrecht sind, von auch Bauteilen entlang verschiedenen Richtungen innerhalb des Oberflächenflugzeuges, Vektor PFM mit einen vertikalen und zwei seitlichen Kanälen mehr vollständige Information zur Verfügung stellen. Zum Beispiel um das d-Bauteil15 des piezoelektrischen Spanners in den tetragonalen piezoelektrischen Kristallen zu erhalten, müssen wir seitliche Bauteile der FLUGHANDBUCH-Spitzenschwingung auf gleicher Ebene messen, die zur Beispieloberflächendistanzadresse proportional ist (Abbildung 4), die die Gestalt annehmen würde, würde die Gestalt ΔL = ΔLcos (0ωt + φ), mit der Schwingungsamplitude ΔL =0 dV Begriff150 , wenn eine GLEICHSTROM-Vorspannung zwischen der Spitze und der Probe in Verbindung mit der Wechselspannung angewandt ist, beide, die auf gleicher Ebene sind und Aus-vonflugzeug annehmen, die elektromechanische Antwort der Probe auch Funktionen von diesem angewendete Gleichspannung sind.

Abbildung 4. Vertikale und seitliche PFM-Amplituden- und -phasenbilder

In die meisten wirklichen Fälle, enthält die studierte Probe gelegentlich-orientiertes polykristallines Korngefüge, häufig mit seitlichen Bauteilen ungleich null in seinem piezoelektrischen Spanner. In diesem Fall ist das entdeckte vertikale PFM-Signal nicht mehr zu d, aber33 zum auch Abhängigen auf dem d und d-31 Bauteilen nur15 proportional. Z.B. würde die vertikale PFM-Amplitude nicht mehr ΔZ = dV0 stattdessen, 330 es würde annehmen die Gestalt sein

ΔZ0 = dVZZ0 = [(d31 + d15) sinθcosθ2 + dcosθ332] V0

in, welchem θ ein Teil der lokalen Orientierungskarte (θ, φ, ψ) zwischen dem Laborkoordinatensystem und dem Kristallkoordinatensystem der Probe ist. Dennoch wenn die Vertikale und zwei seitliche Bauteile PFM-Signal auf dem Beispieleinbauort, entweder erhalten werden, die tatsächliches Beispielpiezoelektrischen Konstanten dij oder die lokale Orientierungskarte (θ, φ, ψ) können von solchen Daten extrahiert werden. In einem Wort hat 3D PFM die Möglichkeit einer kompletten Rekonstruktion 3D des Polarisationsvektors der studierten Probe an der nmschuppe geöffnet.

Geläufige Anwendung von PFM umfaßt lokale Kennzeichnung von elektromechanischen Eigenschaften von Materialien, einschließlich das ausführliches Gebietsabbilden und Studie der Gebietsschaltungsdynamik; Prüfung von mikro- und Nano--elektromechanischen Einheiten (z.B., piezoelektrische Stellzylinder, Wandler und MEMS), von elektrooptischen Einheiten und von Permanentspeicherbauteilen (d.h., FERAM-Einheiten), ihre Zuverlässigkeitspunkte wie elektromechanisches Impressum, Ermüdung und dielektrischen Durchschlag ansprechend; Erforschung das lokale und globale Verhältnis zwischen Polarität und anderen Materialeigenschaften auf neuem Polymer und den Bio-ausgeführten Materialien basiert auf ausführlicher nanoscale struktureller und elektrischer Kennzeichnung solcher Materialien, Usw.

Optimierung von PFM-Signal

In der wirklichen Welt enthält gemessenes PFM-Signal häufig zusätzliche Beiträge von lokalem und verteilte elektrostatische Kraft zusätzlich zur lokalen elektromechanischen Antwort von der Probe d.h. A = A +em A +es A.A,nl dieem elektromechanische Antwort von der Probe, ist der wirkliche Ausdruck, der die lokale Gebietszelle der Probe, während A, die lokalees elektrostatische Kraft, die an der Spitzeoberfläche Kreuzung funktionieren und A, die elektrostatischenl Antwort des Kragbalkens resultierten aus dem Bereich zwischen dem Kragbalken selbst und der Beispieloberfläche, wie in Abbildung 5 gesehen, sind distractive Ausdrücke reflektiert, die Bedarf herabgesetzt zu werden, um Darstellungsartefakte zu vermeiden.

Abbildung 5. Einheimisches Piezoresponse-Kontrast

Jedoch indem man sorgfältig Kragbalken für Proben mit unterschiedlicher Größe der elektromechanischen Antwort wählt, kann der Beitrag der elektrostatischen Ausdrücke herabgesetzt werden. Da das Gesamt-PFM-Signal Z = (deff + LweΔV0/48kh2) VAC , in dem deff die effektive piezoelektrische Konstante entlang der Richtung des Maßes ist, L, w und K die Länge, die Breite und die Federkonstante des Kragbalkens sind, der für das Maß verwendet wird, ist h auf die Höhe der FLUGHANDBUCH-Spitze, ε0 und ΔV sind die Dielektrizitätskonstante der Luft und die durchschnittliche Spannung, die zwischen der Spitze und der Probe angewendet wird, beziehungsweise um den Prozentsatz des wirklichen elektromechanischen Beitrags zu diesem Signal zu erhöhen, wir sollten einen Kragbalken wählen, der ist steif genug Keff >> K = LweΔV0/48dheff2) zum des zweiten Ausdruckes herein zu verringern die Gleichung oben.

Da PFM eine Kontakt-basierte Abbildungstechnik ist, unter Verwendung der sehr steifen Kragbalken könnte irreversiblen Beispielschaden herein auf weicheren Materialien oder Proben, die nicht fest zur Substratflächenoberfläche befestigt werden, wie ZnO-nanowire Proben verursachen, die lose auf Siwaferoberfläche zerstreut wurden. In solchen Situationen konnte das Wählen eines Kragbalkens mit kurzer und schmaler Geometrie auch helfen, den Beitrag vom elektrostatischen Ausdruck zu verringern. Darüber hinaus würde das Erhalten von PFM-Bild an nullGLEICHSTROM-Vorspannung groß Beitrag des elektrostatischen Ausdruckes verringern, lokal und global.

Schließlich würden elektrostatische Bauteile, die zum PFM-Signal beitragen, sich mit erhöhter Frequenz der angewandten Wechselspannung und den globalen Bauteilen verringert besonders schnelles verringern. Auch Darstellung bei höheren Frequenzen würde im Allgemeinen das freitragende Versteifen ergeben, das den Kontakt zwischen Spitze und Beispieloberfläche verbessert. Folglich enthält PFM-Bilder, die bei höherer Frequenz erhalten werden im Allgemeinen, weniger Beitrag von den elektrostatischen Ausdrücken und weist ein besseres Signal zur Rauschzahl auf. Optimales Signal der Vertikale PFM kann in den Frequenzen um MHZ-Ordnung erhalten werden, während seitliches PFM-Signal normalerweise bei Frequenzen zwischen 10 und 100 kHz, abhängig von beiden der FLUGHANDBUCH-Fühler optimal ist, der verwendet werden und die abgebildete Probe. Jedoch setzen Sie Zunahme der Frequenz für die angewandte Wechselspannung würde schlagen schließlich die obere festgelegte Grenze durch die Bandweite des Fotodetektors und Verriegelung-im Verstärker fort. Extrem am Kurzwellen würde kein Signal an der drastisch erhöhten Steifheit des Kragbalkens transuded liegen.

Wenn ein passender Kragbalken für die studierte Probe gewählt wird, bringen Sie Resonanz-Effekt kann verwendet werden, um den Beitrag vom eletromechanical Bauteil, A zu erhöhenem und verbessert die Qualität von PFM-Darstellung in Kontakt. In der Praxis nachdem man die FLUGHANDBUCH-Spitze in Verbindung mit der Beispieloberfläche geholt hatte, in PFM-Modus studiert zu werden, könnte eine Frequenzschleife für die Wechselspannung durchgeführt werden, die zwischen der Spitze und der Probe angewendet wurde, und die Amplitude/Phase gegen Frequenzverhalten kann aufgezeichnet werden (Abbildung 6). Die Resonanzspitze, die in der Amplitude gegen Frequenzdiagramm gezeigt wird, wird durch die mechanischen Eigenschaften des Kragbalkens, die tatsächlichen electromchanical Eigenschaften der Probe und die Steifheit des Spitzeprobe Kontaktes definiert. Wenn die Wechselspannung, die an der Spitze angewendet wird, in der Nähe von solcher Eigenfrequenz bedient wird, würde der Faktor der hohen Qualität der Resonanzspitze groß das störsignalisierende Verhältnis in beobachteter PFM-Amplitude und in Phasensignal erhöhen (Abbildung 7: weg von Resonanz 17kHz, niedriges Signal gegen nahe Resonanz, 377kHz, hohes Signal).

Abbildung 6. Resonanzspitze in der Amplitude gegen Frequenzdiagramm

Abbildung 7. Störsignalisierendes Verhältnis in beobachteter PFM-Amplitude und in Phasensignal

Extraachtung muss genommen werden, um das starke Übersprechen zwischen den topographischen und elektromechanischen Signalen zu vermeiden, wenn sie Resonanzverbesserung, PFM-Bildqualität zu erhöhen verwenden, da die Frequenz solcher Kontaktresonanz durch die Spitzeprobe Kontaktsteifheit beeinflußt wird, die der Reihe nach durch das Kontaktgebiet zwischen der Spitze und der Probe beeinflußt wird (Abbildung 8). Zum Beispiel wenn die Spitze in Verbindung mit einem concaved Bereich der Beispieloberfläche ist, würde die Spitzeprobe Kontaktsteifheit das Vergleichen mit dem Fall erhöhen, wenn die Spitze in Verbindung mit einem flachen Bereich der Beispieloberfläche ist. Dieses würde der Reihe nach die Kontakteigenfrequenz anheben. Wenn die Wechselspannung, die an der Spitze angewendet wird, bei der genauen gemessenen Kontakteigenfrequenz örtlich festgelegt ist, wenn die Spitze in Verbindung mit dem flachen Bereich ist, würde ein großes Absinken der beobachteten PFM-Amplitude auftreten, da die neue Kontaktresonanz nicht mehr bei dieser spezifischen Frequenz auftritt.

Abbildung 8. Resonanz beeinflußt durch das Kontaktgebiet zwischen der Spitze und der Probe

Um diese Instabilität herabzusetzen und das Übersprechen zwischen den topographischen und PFM-Kanälen des Signals in großem Maße zu beseitigen, ist die Frequenz des WS-Steuersignals in der Nähe von der Resonanz, aber nicht genau an der Resonanzspitze am gutgewähltesten (Abbildung 9).

Abbildung 9. Resonanz: 360kHz, Übersprechen des Signals topo-PFM in der Amplitudendarstellung; nahe Resonanz: 377kHz, gute Signalqualität und fast kein Übersprechen

Beim Versuch, die Kontaktresonanz für PFM-Signalverbesserung zu verwenden, wegen des elektrostatischen Effektes, zeigen möglicherweise weichere Kragbalken mehrfache Spitzen im Frequenzschleifendiagramm (Abbildung 10) und in nicht allen Spitzen würde stabiles PFM-Signal erzeugen. Wenn solcher weiche Kragbalken erforderlich ist, damit die spezifische Probe studiert werden kann (z.B., ZnO-Kabel möglicherweise, das auf Sisubstratfläche zerstreut wird, wird mit gescannt in PFM-Modus unter Verwendung der sehr steifen Kragbalken gelöscht werden oder sogar abgetrennt), wird jede der dargestellten Spitzen einzeln bis die, die klar zur Verfügung stellt, stabiles PFM-Signal wird gefunden geprüft möglicherweise. In den meisten Fällen wiederholen Sie die Frequenzschleife, die ein paar Male möglicherweise die, Spektren zu stabilisieren helfen und alle nicht-tatsächlichen Spitzen zu beseitigen.

Abbildung 10. Ragt in das Frequenzschleifendiagramm empor

Quelle: Park Anlagen

Zu mehr Information über diese Quelle besuchen Sie bitte Park-Anlagen

Date Added: May 5, 2010 | Updated: Sep 20, 2013

Last Update: 20. September 2013 06:24

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