Microscopia Piezoeléctrica de la Fuerza - Los Fundamentos, la Instrumentación y las Aplicaciones de la Microscopia Piezoeléctrica de la Fuerza por los Sistemas del Parque

Temas Revestidos

Sobre Sistemas del Parque
Introducción
Principios De Base de PFM
Optimización de la Señal de PFM

Sobre Sistemas del Parque

Los Sistemas del Parque son el arranque de cinta Atómico de la tecnología (AFM) del Microscopio de la Fuerza, proporcionando a los productos que dirigen los requisitos de toda la investigación y aplicaciones industriales del nanoscale. Con un diseño único del analizador que permita la proyección de imagen Sin contacto Verdadera en ambientes del líquido y de aire, todos los sistemas son totalmente compatibles con un filete muy largo de opciones innovadoras y potentes. Todos Los sistemas son fácil-de-uso, exactitud y durabilidad diseñados en mente, y proveen de sus clientes los recursos finales para el meetiong todas las necesidades presentes y futuras.

Jactándose la historia más larga de la industria del AFM, la cartera completa de los Sistemas del Parque de productos, el software, los servicios y la experiencia es correspondida con solamente por nuestra consolidación a nuestros clientes.

Introducción

Esta nota de aplicación presenta los fundamentos, la instrumentación y las aplicaciones del potencial de la microscopia piezoeléctrica de la fuerza (PFM), un nuevo modo de la microscopia de la antena de la exploración que utilice el efecto piezoeléctrico de materiales para generar contraste. Los Diversos temas implicados en mejorar calidad y la resolución de la imagen, la eliminación de los artefactos y la extracción de la información de la imagen generada se discuten. También, hemos incluido una introducción abreviada del modo de la espectroscopia que permite cuantitativo análisis de la reacción piezoeléctrica de materiales bajo voltaje aplicado.

Principios De Base de PFM

De la primera antena de la exploración del día la microscopia se introduce a la frontera contemporánea de la investigación, nuevos modos y las aplicaciones han emergido con velocidad sin precedente, permitiendo que esta herramienta versátil mire en aspectos cada vez mayores de propiedades materiales locales la escala del nanómetro. La Microscopia Piezoeléctrica de la Fuerza (PFM) es uno de tales modos nuevos que ha ganado los últimos años cada vez mayores del reconocimiento sin embargo para la información única que puede ofrecer en las características electromecánicas del acoplamiento de diverso ferroeléctrico, piezoeléctrico, el polímero y los materiales biológicos.

En la operación de PFM, una punta conductora del AFM se trae en contacto con la superficie de los materiales ferroeléctricos o piezoeléctricos estudiados, y un voltaje preajustado es aplicado entre la superficie de la muestra y la punta del AFM, estableciendo un campo eléctrico externo dentro de la muestra. Debido al electrostriction, o “inversed” efectos piezoeléctricos de tal ferroeléctrico o los materiales piezoeléctricos, la muestra localmente se desplegarían o contratarían según el campo eléctrico. Por ejemplo, si la polarización inicial del dominio eléctrico de la muestra medida es perpendicular a la superficie de la muestra, y paralelo al campo eléctrico aplicado, los dominios experimentarían una extensión vertical. Puesto Que la punta del AFM está en contacto con la superficie de la muestra, tal extensión del dominio doblaría el voladizo del AFM hacia arriba, y el resultado en una desviación creciente comparada al estatus antes de aplicar el campo eléctrico. Inversamente, si la polarización inicial del dominio es antiparalela al campo eléctrico aplicado, el dominio contrataría y a su vez daría lugar a una desviación voladiza disminuida (Cuadro 1). La cantidad de cambio de desviación voladizo, en tal situación, se relaciona directamente con la cantidad de extensión o la contracción de los dominios eléctricos de la muestra, y por lo tanto proporcional al campo eléctrico aplicado.

Cuadro 1. cambio de desviación Voladizo

Si el voltaje aplicado contiene un pequeño componente de CA, la reacción piezoeléctrica inversed de la muestra daría lugar a la oscilación de la superficie de la muestra en la misma frecuencia que el voltaje ca Aplicado. En caso de que la muestra sea un cristal piezoeléctrico ideal, su polarización sería relacionada con la tensión mecánica aplicada por la ecuación siguiente:

Pi = dsijkjk

en qué dijk es el tensor peizoelectric rank-3 del material. Para tales materiales con las estructuras cristalinas tetrágonas, este tensor piezoeléctrico se puede reducir al formulario siguiente:

+

en este caso, bajo voltaje aplicado V de la modulación de la CA = Vcos0 (ωt), la vibración superficial de la muestra tardaría el formulario ΔZ = ΔZcos0 (ωt + φ), con la amplitud de la vibración ΔZ0 = dV330, y la fase f = 0 si la polarización del dominio de la muestra es paralela orientado al campo eléctrico aplicado, y fuera de φ = de 180° si es antiparalela orientado al campo eléctrico aplicado (Cuadro 2). Tal oscilación sería reflejada directamente en la señal de la amplitud y de la fase de la antena del AFM que hace contacto con la superficie, y se puede leer usando a bloqueo-en el amplificador.

Cuadro 2. amplitud de la Vibración para la orientación paralela y antiparalela de la polarización

En proyección de imagen típica de PFM, el voltaje ca Aplicado se fija para ser mucho más inferior que el polarizado coercitivo para la transferencia del dominio de la muestra, evitar la alternancia de la estructura de dominio local de la muestra estudiada. Si se cumple tal consideración, el contraste de la fase generado en proyección de imagen de PFM reflejaría la polaridad del dominio en diversas ubicaciones de la muestra, mientras que de la magnitud del coeficiente piezoeléctrico local de la señal de la amplitud de la muestra puede ser extraído, como se debate en el párrafo anterior. Cuadro 3 demostraciones tal ejemplo de tales imágenes de la amplitud y de la fase de PFM obtenidas en muestra de PZT-5H. Como puede ser observado en la porción circundada 180°, el contraste de la fase es evidente en dos dominios adyacentes en imagen de la fase de PFM, y la pared de dominio entre ellos se puede observar con amplitud reducida en imagen de la amplitud de PFM. También puede ser notado es que el ambos los dominios orientados ascendentes y hacia abajo han inducido la señal de la amplitud de PFM con la magnitud similar, indicando que la propiedad material sea relativamente homogénea en la muestra estudiada.

Cuadro 3. imágenes de la amplitud y de la fase de PFM obtenidas en muestra de PZT-5H

Para una orientación más complicada del dominio de la muestra contener no sólo los componentes perpendiculares a la superficie en contacto con la punta del AFM, pero también los componentes a lo largo de diversas direcciones dentro del avión superficial, vector PFM con un canales verticales y dos laterales puede proporcionar a una información más completa. Por ejemplo, para obtener el componente15 de d del tensor piezoeléctrico en cristales piezoeléctricos tetrágonos, necesitamos medir componentes laterales de la vibración de la punta del AFM proporcional a la dislocación de la superficie de la muestra del en-avión (el Cuadro 4), que tomaría el formulario tomaría el formulario ΔL = ΔLcos0 (ωt + φ), con la amplitud de la vibración ΔL0 = Advertencia150 del dV si un polarizado de DC es aplicado entre la punta y la muestra conjuntamente con el voltaje ca, El en-avión y reacción electromecánica del fuera-de-avión de la muestra es también funciones de este voltaje de DC aplicado.

Cuadro imágenes Verticales y laterales de 4. de PFM de la amplitud y de la fase

En la mayor parte de los casos reales, la muestra estudiada contiene la estructura de grano policristalina al azar-orientada, a menudo con los componentes laterales no-cero en su tensor piezoeléctrico. En este caso, la señal vertical detectada de PFM es no más solamente proporcional a d33, pero también al dependiente en la d31 y componentes15 de d. E.g., la amplitud vertical de PFM estaría no más ΔZ =0 dV en lugar de otro330 , él tomaría el formulario

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

en qué θ es parte de la correspondencia local de la orientación (θ, φ, ψ) entre el sistema coordinado del laboratorio y el sistema coordinado cristalino de la muestra. Sin Embargo, si la vertical y dos componentes laterales de señal de PFM se obtienen en la ubicación de la muestra, los constantes piezoeléctricos d de la muestra intrínsecaij o la correspondencia local de la orientación (θ, φ, ψ) se pueden extraer de tales datos. En una palabra, 3D PFM ha abierto la posibilidad de una reconstrucción completa 3D del vector de la polarización de la muestra estudiada en la escala del nanómetro.

La aplicación Común de PFM incluye la caracterización local de propiedades electromecánicas de materiales, incluyendo la correspondencia del dominio y el estudio detallados de la dinámica de la transferencia del dominio; prueba de los dispositivos micros y nano-electromecánicos (e.g., actuadores, transductores, y MEMS piezoeléctricos), de los dispositivos electrópticos y de los componentes de memoria no volátil (es decir, dispositivos de FERAM), dirigiendo sus ediciones de confiabilidad tales como impresión electromecánica, fatiga y ruptura dieléctrica; explorando el lazo local y global entre la polaridad y otras propiedades materiales en el polímero nuevo y materiales bio-dirigidos basados en la caracterización estructural y eléctrica detallada del nanoscale de tales materiales, Etc.

Optimización de la Señal de PFM

En el mundo real, la señal medida de PFM contiene a menudo contribuciones adicionales de local y la fuerza electroestática distribuida además de la reacción electromecánica local de la muestra, es decir, A = A +em A +es A.A,nlem la reacción electromecánica de la muestra, es el término real que refleja la estructura de dominio local de la muestra, mientras que A,es la fuerza electroestática local operatoria en la unión de la punta-superficie y A,nl la reacción electroestática del voladizo resultaron del campo entre el voladizo sí mismo y la superficie de la muestra, como se ve en el Cuadro 5, es los términos perturbadores que las necesidades de ser disminuido para evitar los artefactos de la proyección de imagen.

Cuadro 5. Contraste de Piezoresponse del Local

Sin Embargo, cuidadosamente eligiendo el voladizo para las muestras con diversa magnitud de la reacción electromecánica, la contribución de los términos electroestáticos puede ser disminuida. Puesto Que la señal total de PFM Z = (deff + LweΔV0/48kh2) VAC en el cual deff sea el constante piezoeléctrico efectivo a lo largo de la dirección de la medición, L, w y k es la longitud, el ancho y salta el constante del voladizo usado para la medición, h es la altura de la punta del AFM, ε0 y ΔV son la constante dieléctrica del aire y el voltaje medio aplicado entre la punta y la muestra, respectivamente, para aumentar el porcentaje de la contribución electromecánica real a esta señal, debemos elegir un voladizo que es bastante derecho keff >> k = LweΔV0/48dheff2) para disminuir el segundo término hacia adentro la ecuación arriba.

Puesto Que PFM es una técnica de proyección de imagen contacto-basada, usando los voladizos muy derechos podría inducir daño irreversible de la muestra hacia adentro en materiales más suaves, o las muestras que no se asocian firmemente a la superficie del substrato, tal como muestras del nanowire de ZnO dispersas suelto en superficie del fulminante del Si. En tales situaciones, elegir un voladizo con geometría corta y estrecha podía también ayudar a reducir la contribución del término electroestático. Además, la obtención de imagen de PFM en el polarizado cero de DC reduciría grandemente la contribución del término electroestático, local y no-local.

Finalmente, los componentes electroestáticos que contribuyen a la señal de PFM disminuirían con la frecuencia creciente del voltaje ca Aplicado, y los componentes no-locales disminuyen especialmente rápido. También, la proyección de imagen en frecuencias más altas daría lugar generalmente a atiesarse voladizo, que mejora el contacto entre la punta y la superficie de la muestra. Por Lo Tanto, las imágenes de PFM obtenidas en una frecuencia más alta contienen generalmente menos contribución de los términos electroestáticos, y exhiben una mejor relación señal-ruido. La señal Óptima de la vertical PFM se puede obtener en frecuencias alrededor de la orden del Megaciclo, mientras que la señal lateral de PFM es generalmente óptima en las frecuencias entre 10 y 100 kilociclos, dependiendo de ambos la antena del AFM usada y la muestra reflejada. Sin Embargo, continúe el aumento de la frecuencia para el voltaje ca Aplicado golpearía eventual el límite establecido superior por la anchura de banda del fotodetector y bloqueo-en el amplificador. En extremadamente los de alta frecuencia, no hay señal transuded debido a la rigidez drástico creciente del voladizo.

Cuando un voladizo apropiado se elige para la muestra estudiada, haga contacto con el efecto de resonancia puede ser utilizado para aumentar la contribución del componente eletromechanical, Aem, y mejora la calidad de la proyección de imagen de PFM. En la práctica, después de traer la punta del AFM en contacto con la superficie de la muestra ser estudiado en modo de PFM, un barrido de frecuencia se podría realizar para el voltaje ca Aplicado entre la punta y la muestra, y la amplitud/fase comparado con comportamiento de la frecuencia puede ser registrada (el Cuadro 6). El pico resonante mostrado en la amplitud comparado con gráfico de la frecuencia es definido por las propiedades mecánicas del voladizo, las propiedades electromchanical intrínsecas de la muestra, y la rigidez del contacto de la punta-muestra. Si el voltaje ca Aplicado a la punta operatorio cerca de tal frecuencia resonante, el factor de alta calidad del pico resonante aumentaría grandemente el ratio señal/ruido en la amplitud y la señal observadas de la fase (Cuadro 7 de PFM: lejos de la resonancia, 17kHz, señal inferior comparado con resonancia cercana, 377kHz, alta señal).

Cuadro 6. pico Resonante en amplitud comparado con gráfico de la frecuencia

Cuadro 7. Ratios señal/ruidos en amplitud de PFM y señal observadas de la fase

Las precauciones Extras necesitan ser tomadas para evitar la diafonía fuerte entre las señales topográficas y electromecánicas al usar el aumento de la resonancia de aumentar calidad de la imagen de PFM, puesto que la frecuencia de tal resonancia del contacto es afectada por la rigidez del contacto de la punta-muestra, que a su vez es afectada por el área de contacto entre la punta y la muestra (Cuadro 8). Por ejemplo, cuando la punta está en contacto con un área concaved de la superficie de la muestra, la rigidez del contacto de la punta-muestra aumentaría comparar al caso cuando la punta está en contacto con un área plana de la superficie de la muestra. Esto a su vez aumentaría la frecuencia resonante del contacto. Si el voltaje ca Aplicado a la punta es fijo en la frecuencia resonante del contacto exacto medida cuando la punta está en contacto con el área plana, una caída grande en la amplitud observada de PFM ocurriría puesto que la nueva resonancia del contacto ocurre no más en esta frecuencia específica.

Cuadro 8. Resonancia afectada por el área de contacto entre la punta y la muestra

Para disminuir esta inestabilidad y eliminar en gran parte la diafonía entre los canales topográficos y de PFM de la señal, la frecuencia de la señal que impulsa de la CA es la más bien elegida cerca de la resonancia, pero no exactamente en el pico resonante (Cuadro 9).

Cuadro 9. Resonante: 360kHz, diafonía de la señal topo-PFM en proyección de imagen de la amplitud; cerca de resonancia: 377kHz, buena calidad de señal y casi ninguna diafonía

Al tentativa utilizar la resonancia del contacto para el aumento de la señal de PFM, debido al efecto electroestático, voladizos más suaves pueden mostrar picos múltiples en el gráfico del barrido de frecuencia (el Cuadro 10), y no todos los picos generaría la señal estable de PFM. Si tal voladizo suave es necesario para que la muestra específica sea estudiada (e.g., el cable de ZnO disperso en el substrato del Si se puede arañazo o aún destacar con explorado en modo de PFM usando los voladizos muy derechos), cada uno de los actuales picos se puede probar individualmente hasta el que proporciona claramente, señal estable de PFM se encuentra. En la mayoría de los casos, relance el barrido de frecuencia que un par de veces pueden ayudar para estabilizar los espectros y para eliminar cualquier pico no-intrínseco.

El Cuadro 10. Enarbola en el gráfico del barrido de frecuencia

Fuente: Sistemas del Parque

Para más información sobre esta fuente visite por favor los Sistemas del Parque

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

Last Update: 20. September 2013 06:28

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