Pietsosähköiset voimassa mikroskopia - perusteet, Instrumentointi ja sovellukset Pietsosähköiset voimassa mikroskopia by Park Systems

Aiheet

Tietoja Park Systems
Johdanto
Perusperiaatteet PFM
Optimointi PFM Signal

Tietoja Park Systems

Park Systems on atomivoimamikroskooppi (AFM) teknologiajohtaja, joka tarjoaa tuotteita osoite vaatimukset kaikkien tutkimuksen ja teollisen nanomittakaavan sovelluksia. Ainutlaatuisen skanneri muotoilu mahdollistaa True Non-Contact kuvantaminen nesteiden ja ilman ympäristöissä, kaikki järjestelmät ovat täysin yhteensopivia pitkän listan innovatiivisia ja tehokkaita toimintoja. Kaikki mallit on suunniteltu helposti, käytön, tarkkuus ja kestävyys mielessä, ja tarjota asiakkaillesi perimmäinen resources varten meetiong kaikki nykyiset ja tulevat tarpeet.

Kehuskelevan pisin historia AFM teollisuuden Park Systemsin kattavan valikoiman tuotteita, ohjelmistoja, palveluja ja asiantuntemusta vetää vertoja vain sitoutumistamme asiakkaisiimme.

Johdanto

Tämä sovellus muistiossa esitetään perusteet, instrumentoinnin ja mahdollisia sovelluksia pietsosähköiset voimassa mikroskopia (PFM), uusi skannaus koetin mikroskopia tila, joka hyödyntää pietsosähköinen vaikutus materiaaleja ja kontrastia. Eri aiheista mukana parantamassa kuvanlaadun ja-tarkkuuden, poistamalla esineitä ja tiedon keruuseen luotu kuva käsitellään. Lisäksi olemme liittäneet lyhyt johdatus spektroskopia tila, jossa voi määrällisesti analyysit pietsosähköiset vastaus Materiaalien testijännitteen.

Perusperiaatteet PFM

Ensimmäisestä päivästä skannaus koetin mikroskopia on otettu käyttöön nykyaikainen tutkimus rajalla uusia pelitiloja ja sovelluksia on syntynyt ennennäkemättömän nopeasti, joten tämä monipuolinen työkalu selvittämään yhä näkökohdat paikallisen materiaalin ominaisuudet nanometrin mittakaavassa. Pietsosähköiset voimassa mikroskopia (PFM) on yksi tällainen romaanin tilat joka on saanut yhä tietoisempia vaikka viime vuosina ainutlaatuista tietoa se voi tarjouksen sähkömekaanisten kytkimen ominaisuudet eri ferrosähköiset, pietsosähköiset, polymeeri ja biologisten materiaalien.

Vuonna PFM toiminnan johtava AFM kärki on saatettu kosketuksiin pinta tutkittu ferrosähköiset tai pietsosähköinen materiaaleja, ja esiasetettu jännite välillä näytteen pinnan ja AFM kärki perustamisesta ulkoisen sähkökentän sisällä näyte. Johtuen electrostriction, tai "inversed pietsosähköinen" Tällaisen ferrosähköiset tai pietsosähköinen materiaaleja, näyte olisi paikallisesti laajentaa tai sopimuksen mukaan sähkökentän. Jos esimerkiksi alkuperäisen polarisaatio sähkö alalla mitattu näyte on kohtisuorassa näyte pinnasta, ja samanaikaisesti sovellettava sähkökenttä, verkkotunnukset kokemus vertikaalista laajentamista. Koska AFM kärki on kosketuksissa näytteen pinnan, kuten verkkotunnuksen laajennus taipuu AFM konsoli ylöspäin, ja johtaa lisääntyneeseen taipuma verrattuna tilan ennen kuin sähkökenttä. Toisaalta, jos alkuperäinen verkkotunnuksen polarisaatio on anti-suuntainen sovellettu sähkökenttä, verkkotunnuksen supistuisivat ja puolestaan ​​johtaa laski ulokkeen taipuma (kuva 1). Määrä konsoli taipuman muutosta, tällaista tilannetta, liittyy suoraan määrään hellitettynä näytteen sähkö aloilla, ja siten verrannollinen soveltaa sähkökentän.

Kuva 1. Cantilever taipuma muutos

Jos jännitteen sisältää pienen AC komponentti, inversed pietsosähköinen vastausta näytteestä johtaisi Näytteen pintaa värähtelyn samalla taajuudella kuin sovellettu vaihtojännitteen. Siinä tapauksessa, että näyte on ihanteellinen pietsosähköinen kide, sen polarisaatio liittyisi sovelletaan mekaanista rasitusta seuraavalla yhtälöllä:

P _i = d _IJK s _JK

jossa d _IJK on listalla-3 peizoelectric tensor materiaalin. Kyseisten materiaalien kanssa tetragonal kiderakenteet, tämä pietsosähköinen tensor voidaan vähentää seuraavalla tavalla:

+

jolloin nojalla sovellettu AC modulaatio jännite V = V ₀ cos (ωt), näytteen pinnan värähtely voi tapahtua ΔZ = ΔZ ₀ cos (ωt + φ), jossa värähtelyn amplitudi ΔZ ₀ = d ₃₃ V _0, ja vaihe f = 0 jos näyte verkkotunnuksen polarisaatio on suuntautunut rinnakkain sovellettu sähkökenttä, ja ulos φ = 180 °, jos se on suuntautunut anti-suuntainen sovellettu sähkökentän (kuva 2). Tällainen värähtely olisi heijastuu suoraan amplitudi ja vaihe signaalin AFM anturi yhteyttä pintaan, ja voidaan lukea käyttäen lock-in vahvistin.

Kuva 2. Tärinä amplitudi rinnakkain ja anti-parallel suuntautuminen polarisaatio

Tyypillisessä PFM kuvantaminen, sovelletaan AC jännite on asetettu paljon pienempi kuin pakkokeinojen bias näytteen verkkotunnuksen vaihto, jotta vuorottelu paikallinen verkkoalueen rakenteen tutkittu näyte. Jos tällainen ehto täyttyy, vaihe kontrasti syntyy PFM kuvantamisen vastaisi verkkotunnuksen napaisuus eri näytteessä paikassa, kun taas vuodesta suuruus amplitudi signaali paikallinen pietsosähköinen kerroin näytteestä voidaan erottaa, joita käsitellään entiseen kohtaan. Kuvassa 3 kuten esimerkki tällaisesta PFM amplitudi ja vaihe kuvia saadut PZT-5H näyte. Kuten voidaan havaita ympyröity osa 180 ° vaihe kontrasti näkyy kahden vierekkäisen verkkotunnuksia PFM vaiheessa kuva ja verkkotunnuksen seinä niiden välillä voidaan havaita kanssa vähentää amplitudi PFM amplitudi kuva. Lisäksi voidaan huomata, että sekä ylös-ja alaspäin suuntautunut verkkotunnuksia on aiheuttanut PFM amplitudi signaalin kanssa samaa luokkaa, mikä osoittaa aineellista omaisuutta on suhteellisen homogeeninen tutkittu näyte.

Kuva 3. PFM amplitudi ja vaihe kuvia saadut PZT-5H näyte

Saat monimutkaisempi esimerkkiverkkotunnus suuntautumisen sisältää paitsi komponenttien kohtisuorassa kanssa kosketukseen AFM kärki, mutta myös komponentteja pitkin eri suuntiin pinnasta, vektori PFM yhdellä ylöspäin ja kaksi sivusuunnassa kanavia voi tarjota kattavammat tiedot. Esimerkiksi saada d ₁₅ osa pietsosähköisten tensor vuonna tetragonal pietsosähköinen kide, meidän täytyy mitata sivusuunnassa osat AFM kärki tärinän verrannollinen tasossa Näytteen pintaa siirtymä (kuvio 4), joka muodoltaan veisi muodossa ΔL = ΔL ₀ cos (ωt + φ), jossa värähtely amplitudi ΔL ₀ = D ₁₅ V ₀ ilmoitusta, jos DC bias haetaan välillä kärki ja näyte yhdessä vaihtojännitteen sekä tasossa ja ulos -of-plane sähkömekaanisten vastaus otoksesta toiminnoista käytetään tasajännitettä.

Kuva 4. Pysty-ja sivusuunnassa PFM amplitudi ja vaihe kuvia

Useimmissa todellinen tapauksissa tutkittu näyte sisältää random suuntautunut monikiteisiä syyrakenne, usein ei-nolla sivusuunnassa komponentit sen pietsosähköisissä tensor. Tällöin havaitaan pystysuora PFM signaalia ei enää vain verrannollinen d _33, mutta riippuu myös d ₃₁ ja D ₁₅ komponentteja. Esim. pystysuoran PFM amplitudi olisi enää ΔZ ₀ = d ₃₃ V ₀ sijaan se muodoltaan

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

jossa θ on osa paikallista suuntautumisen kartta (θ, φ, ψ) välillä Lab koordinaatisto ja kristalli koordinaattijärjestelmän näytteen. Kuitenkin, jos sekä ylöspäin ja kaksi sivusuunnassa osat PFM signaali on saatu näytteen sijainti, joko luontainen näyte pietsosähköinen vakiot d _ij tai paikallinen suunta kartan (θ, φ, ψ) voidaan poimia tällaisia ​​tietoja. Sanalla sanoen, 3D PFM on avannut mahdollisuuden täydellisen 3D jälleenrakentamiseen polarisaatio vektorin opiskeli näytteen nanometrin mittakaavassa.

Yhteinen soveltaminen PFM sisältää paikalliset luonnehdinta sähkömekaanisten materiaalien ominaisuuksia, kuten yksityiskohtaisia ​​verkkotunnuksen kartoitus ja tutkiminen verkkotunnuksen vaihtaa dynamiikkaa, testaus mikro-ja nano-sähkömekaanisten laitteiden (esim. pietsosähköiset toimilaitteet, anturit ja MEMS), elektro-optiset laitteet ja nonvolatile muisti komponentit (ts. FERAM laitteet), käsitellään niiden luotettavuuden kysymyksiä kuten sähkömekaaniset jälki, väsymys ja dielektriset break-alas, tutkia paikallisen ja globaalin suhdetta napaisuuden ja muiden materiaalien ominaisuuksien romaaniin polymeeri ja bio-tekniset materiaalit perustuvat yksityiskohtaisiin nanomittakaavan rakenteelliset ja sähköiset ominaisuudet tällaisen materiaalin jne.

Optimointi PFM Signal

Todellisessa maailmassa mitattuna PFM signaali sisältää usein lisärahoitusta sekä paikallisten ja hajautettujen sähköstaattinen voima lisäksi paikallisia sähkömekaanisten vastausta näytteestä, eli = _em + _ES + _{nl. EM,} sähkömekaaniset vastaus näyte, on todellinen termi, joka heijastaa paikallisen alueen rakenteen otos, kun taas _es, paikallinen sähköstaattinen voima toimivat kärjen pinta risteyksen ja _NL, sähköstaattinen vastaus ulokkeen johtui kentän välillä konsoli itse ja näytteen pinnan, kuten kuvassa 5 ovat häiritseviä termejä, jotka on minimoitava, jotta kuvantaminen esineitä.

Kuva 5. Paikallinen piezoresponse Kontrasti

Kuitenkin huolellisesti valitsemalla konsoli näytteisiin eri suuruusluokkaa elektromekaanisten vastauksen, osuus sähkön ehdot voidaan minimoida. Koska koko PFM signaali Z = (d _eff + Lwe ₀ ΔV / 48kh ²⁾ V _AC jossa d _eff on tehokas pietsosähköinen vakio pitkin suuntaan mittaus, L, w ja k ovat pituus, leveys ja jousivakio on konsoli mittauksessa käytetyn, h on korkeus AFM kärki, ε ₀ ja ΔV ovat dielektrisyysvakio ilman ja keskimääräinen jännite kärjen ja näytteen vastaavasti nostaa prosenttiosuutta todellista sähkömekaanisten osuus Tämän signaalin, meidän pitäisi valita uloke, joka on riittävän jäykkä K _EKTR>> k = Lwe ₀ ΔV / 48d _EKTR h ²⁾ vähentää toiselle kaudelle yhtälö edellä.

Koska PFM on Yhteystiedot-pohjainen kuvantamismenetelmä, jossa käytetään erittäin jäykkä ulokkeet voivat aiheuttaa peruuttamattomia näyte vahinkoa on pehmeämpi materiaaleista, tai näytteitä, joita ei ole tiukasti kiinni Alustan, kuten ZnO nanowire näytteitä löyhästi hajallaan Si kiekkojen pinnalle. Tällaisissa tilanteissa valitsemalla konsoli lyhyitä ja kapeita geometria voisi myös vähentää osuuden sähköstaattinen termi. Lisäksi saaminen PFM kuva nolla DC bias vähentäisi merkittävästi osuus sähkön aikavälillä sekä paikallisia ja ei-paikallisia.

Lopuksi, sähköstaattinen tekijöitä, jotka vaikuttavat PFM signaali laskisi kanssa useammin sovelletaan AC jännite, ja ei-paikalliset osat vähenee erityisen nopeasti. Myös kuvantamisen korkeammilla taajuuksilla olisi yleensä johtaa konsoli jäykistyminen, joka parantaa yhteyksiä kärjen ja näytteen pinnan. Siksi PFM kuvia saatu tiheämmällä aikavälillä sisältää yleensä vähemmän panos sähköstaattisen ehdot ja näyttelyt parempi kohinasuhde. Optimaalinen pysty PFM signaali voidaan saada taajuuksilla noin MHz järjestyksessä, kun taas sivusuunnassa PFM signaali on yleensä optimaalinen taajuuksilla 10 ja 100 kHz, riippuen sekä AFM käytetyn anturin ja näytteen mittausta. Kuitenkin edelleen kasvu taajuuden sovellettu vaihtojännitteen lopulta iski yläraja asettamat kaistanleveys Valonilmaisin ja lukko-vahvistin. Erittäin korkeat taajuudet, ei signaalia olisi transuded takia rajusti lisääntynyt jäykkyys ulokkeen.

Kun sopiva konsoli valittu tutkittu näyte, kosketusresonanssi vaikutus voidaan hyödyntää kasvavan osuuden eletromechanical komponentti, _em, ja parantaa laatua PFM kuvantaminen. Käytännössä, kun nostaa AFM kärki koskettaa näytettä pinnan tutkittu PFM tilassa taajuuspyyhkäisy voitaisiin suorittaa vaihtojännitteen sovellettu kärjen ja näytteen, ja amplitudi / vaihe vs. taajuus käyttäytyminen voidaan tallennettu (kuva 6). Kaikuva huippu näkyy amplitudi vs. taajuus kaavio määritellään mekaaniset ominaisuudet konsoli, luontainen electromchanical ominaisuudet näyte, ja jäykkyyttä kärki-näyte yhteyttä. Jos AC jännite kärki on toiminut läheisyydessä kuten resonanssitaajuuden, laadukas tekijä kaikuva huippu lisäisi merkittävästi signaali-kohina-suhde havaittiin PFM amplitudi ja vaihe signaali (Kuva 7: poissa resonanssi , 17kHz, heikko signaali vs. lähellä resonanssia, 377kHz, korkea signaali).

Kuva 6. Kaikuva huippu amplitudi vs. taajuus kaavio

Kuva 7. Signaalin kohina-suhde havaittiin PFM amplitudi ja vaihe signaali

Extra varoittaa tehdä on otettava välttää vahva cross-talk välillä topografisia ja sähkömekaanisten signaaleja käytettäessä resonanssi lisälaite lisätä PFM kuvanlaatua, koska säännöllisyys kosketusresonanssi vaikuttaa kärki-näyte yhteyttä jäykkyys, joka puolestaan vaikuttaa kosketuspinta kärjen ja näytteen (kuva 8). Esimerkiksi kun kärki koskettaa concaved ala näytteen pinnasta, kärki-näyte yhteyttä jäykkyys lisäisi vertaamalla sitä silloin, kun kärki on yhteydessä tasainen alue näytteen pinnasta. Tämä puolestaan ​​nostaa yhteyttä resonanssitaajuus. Jos AC jännite kärki on vahvistettu tarkka yhteyttä resonanssitaajuutta mitattu kun kärki on yhteydessä tasainen alue, iso lasku havaittu PFM amplitudi tapahtuisi koska uusi kosketusresonanssi enää tapahtuu tässä tietyllä taajuudella .

Kuva 8. Resonanssi vaikuttaa kosketuspinta kärjen ja näytteen

Minimoimiseksi epävakaus ja pitkälti poistaa rajat puhua välillä topografisia ja PFM kanavien signaalin, taajuus AC ajo signaali on paras valitaan läheisyydessä resonanssi, mutta ei tarkalleen kaikuva piikkinä (kuvio 9).

Kuva 9. Kaikuva: 360kHz, rajat puhua topo-PFM signaalin amplitudi kuvantaminen, lähellä resonanssia: 377kHz, hyvä signaalin laatu ja lähes cross-talk

Kun yrität käyttää kosketusresonanssi ja PFM signaalin laatua, koska sähkön vaikutuksen, pehmeämpi ulokkeet saattaa näyttää useita huippuja taajuuspyyhkäisy kaavio (kuva 10), eivätkä kaikki huiput olisivat tuottavat vakaita PFM signaali. Jos tällainen pehmeä konsoli tarvitaan erityinen näyte voidaan tutkia (esim. ZnO lanka hajallaan Si alustaan ​​saattaa naarmuuntua tai jopa irrotetaan skannataan PFM-tilassa käytetään erittäin jäykkä ulokkeet), jokainen esitteli huiput voidaan testata erikseen ennen joka tarjoaa selkeän, vakaan PFM signaali löytyy. Useimmissa tapauksissa, toista taajuuspyyhkäisy pari kertaa voi auttaa vakauttamaan spektrit ja poistaa kaikki ei-luontainen huiput.

Kuva 10. Huippuja taajuuspyyhkäisy kaavio

Lähde: Park Systems

Lisätietoja tästä lähde osoitteessa Park Systems