Microscopie Piézoélectrique de Force - Les Éléments, l'Instrumentation et les Applications de la Microscopie Piézoélectrique de Force par des Systèmes de Parc

Sujets Couverts

Au Sujet des Systèmes de Parc
Introduction
Principes Fondamentaux de PFM
Optimisation de Signe de PFM

Au Sujet des Systèmes de Parc

Les Systèmes de Parc est l'amorce Atomique de technologie (AFM) de Microscope de Force, fournissant les produits qui adressent les conditions de toutes les applications de nanoscale de recherches et d'industriel. Avec un seul design de balayeur qui tient compte de la Véritable représentation De non contact dans le liquide et les environnements aériens, tous les systèmes sont entièrement compatibles avec une liste prolongée de novateur et de puissantes options. Tous Les systèmes sont facile-de-utilisation, exactitude et résistance conçues à l'esprit, et fournissent à vos abonnées les moyens éventuels pour le meetiong tous les besoins présents et futurs.

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Introduction

Cette note d'application présente les éléments, l'instrumentation et les applications possibles de la microscopie piézoélectrique de force (PFM), un mode neuf de microscopie de sonde de lecture qui emploie l'effet piézoélectrique des matériaux pour produire du contraste. Des sujets Variés concernés en améliorant la qualité des images et la définition, en éliminant des artefacts et en extrayant l'information de l'image produite sont discutés. En Outre, nous avons inclus une brève introduction du mode de spectroscopie qui permet quantitativement des analyses de la réaction piézoélectrique des matériaux sous la tension appliquée.

Principes Fondamentaux de PFM

De la première sonde de lecture de jour la microscopie est introduite à la frontière contemporaine de recherches, modes neufs et les applications ont apparu avec la vitesse sans précédent, permettant à cet outil versatile d'examiner des aspects toujours croissants des propriétés matérielles locales l'échelle de nanomètre. La Microscopie Piézoélectrique de Force (PFM) est l'un de tels modes nouveaux qui a gagné des années récentes croissantes de reconnaissance cependant pour la seule information qu'elle peut offrir sur les caractéristiques électromécaniques de couplage de ferroélectrique varié, piézoélectrique, le polymère et les matériaux biologiques.

Dans le fonctionnement de PFM, une extrémité conductrice d'AFM est mise en contact avec la surface des matériaux ferroélectriques ou piézoélectriques étudiés, et une tension pré-établie est appliquée entre la surface témoin et l'extrémité d'AFM, déterminant un champ électrique externe dans l'échantillon. En Raison de l'electrostriction, ou « inversed » des effets piézoélectriques d'un tel ferroélectrique ou les matériaux piézoélectriques, l'échantillon localement augmenteraient ou se contracteraient selon le champ électrique. Par exemple, si la polarisation initiale du domaine électrique de l'échantillon mesuré est perpendiculaire à la surface témoin, et parallèle au champ électrique appliqué, les domaines remarqueraient une extension verticale. Puisque l'extrémité d'AFM est en contact avec la surface témoin, une telle extension de domaine courberait l'encorbellement d'AFM vers le haut, et le résultat dans un fléchissement accru comparé au mode avant d'appliquer le champ électrique. Réciproquement, si la polarisation initiale de domaine est antiparallèle au champ électrique appliqué, le domaine se contracterait et consécutivement aurait comme conséquence un fléchissement en porte-à-faux diminué (le Schéma 1). La quantité de changement de fléchissement en porte-à-faux, d'une telle situation, est directement liée à la quantité d'extension ou à la contraction des domaines électriques témoin, et par conséquent proportionnel au champ électrique appliqué.

Le Schéma 1. modification de fléchissement En Porte-à-faux

Si la tension appliquée contient un composant À C.A. de petit, la réaction piézoélectrique inversed de l'échantillon aurait comme conséquence la vibration de surface témoin dans la même fréquence que la tension CA Appliquée. Dans le cas que l'échantillon est un cristal piézoélectrique idéal, sa polarisation serait liée au stress mécanique appliqué par l'équation suivante :

Pi = dsijkjk

dans quel dijk est le tenseur rank-3 peizoelectric du matériau. Pour de tels matériaux avec les structures cristallines tétragonales, ce tenseur piézoélectrique peut être réduit à la forme suivante :

+

dans ce cas, sous la tension appliquée V de modulation À C.A. = Vcos0 (ωt), la vibration extérieure d'échantillon prendrait la forme ΔZ = ΔZcos0 (ωt + φ), avec l'amplitude de vibration ΔZ0 = dV330, et la phase f = 0 si la polarisation de domaine témoin est parallèle installé au champ électrique appliqué, et hors du φ = du 180° si c'est antiparallèle installé au champ électrique appliqué (le Schéma 2). Une Telle vibration serait directement réfléchie dans le signe d'amplitude et de phase de la sonde d'AFM entrant en contact avec la surface, et peut être donnée lecture utilisant a verrou-dans l'amplificateur.

Le Schéma 2. amplitude de Vibration pour l'orientation parallèle et antiparallèle de la polarisation

Dans la représentation particulière de PFM, la tension CA Appliquée est réglée pour être beaucoup inférieure à la polarisation coercitive pour la commutation de domaine témoin, pour éviter l'alternance de la structure de domaine locale de l'échantillon étudié. Si un tel critère est rempli, le contraste de phase produit dans la représentation de PFM réfléchirait la polarité de domaine dans différents emplacements d'échantillon, tandis que de l'importance du coefficient piézoélectrique local de signe d'amplitude de l'échantillon peut être extrait, comme évoqué dans le paragraphe ancien. Le Schéma 3 expositions un tel exemple de telles images d'amplitude et de phase de PFM obtenues sur l'échantillon de PZT-5H. Comme peut être observé dans la partie cerclée 180°, le contraste de phase est évident dans deux domaines adjacents dans l'image de phase de PFM, et on peut observer la paroi de Block entre eux avec l'amplitude réduite dans l'image d'amplitude de PFM. Peut Également être remarqué est que les les deux les domaines installés ascendants et de haut en bas a le signe induit d'amplitude de PFM avec la grandeur assimilée, indiquant que la propriété matérielle est relativement homogène dans l'échantillon étudié.

Le Schéma 3. images d'amplitude et de phase de PFM obtenues sur l'échantillon de PZT-5H

Pour une orientation plus compliquée de domaine témoin contenir non seulement des composants perpendiculaires à la surface en contact avec l'extrémité d'AFM, mais également des composants le long de différents sens dans le plan extérieur, le vecteur PFM avec un tunnels verticaux et deux transversaux peut fournir des informations plus complètes. Par exemple, pour obtenir le composant15 de d du tenseur piézoélectrique en cristaux piézoélectriques tétragonaux, nous devons mesurer les composants transversaux de la vibration d'extrémité d'AFM proportionnelle au déplacement de surface témoin de dans-plan (le Schéma 4), qui prendrait la forme prendrait la forme ΔL = ΔLcos0 (ωt + φ), avec l'amplitude de vibration ΔL0 = Avis150 de dV si une polarisation de C.C est appliquée entre l'extrémité et l'échantillon conjointement avec la tension CA, Le dans-plan et réaction électromécanique d'à l'extérieur-de-plan de l'échantillon sont également des fonctionnements de cette tension CC Appliquée.

Le Schéma images Verticales et transversales de 4. de PFM d'amplitude et de phase

Dans la plupart des cas réels, l'échantillon étudié contient la structure granulaire polycristalline irrégulière irrégulier, souvent avec les composants transversaux différents de zéro dans son tenseur piézoélectrique. Dans ce cas, le signe vertical trouvé de PFM n'est plus seulement proportionnel à d33, mais également à personne à charge sur le d31 et des composants15 de d. Par Exemple, l'amplitude verticale de PFM ne serait plus ΔZ =0 dV au lieu330 , il prendrait la forme

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

dans quel θ fait partie du plan local d'orientation (θ, φ, ψ) entre le système du même rang de laboratoire et le système du même rang en cristal de l'échantillon. Cependant, si la verticale et deux composants transversaux de signe de PFM sont obtenus sur l'emplacement d'échantillon, les constantes piézoélectriques d d'échantillon intrinsèqueij ou le plan local d'orientation (θ, φ, ψ) peuvent être extraits de telles données. Dans un mot, 3D PFM a ouvert la possibilité d'une reconstruction 3D complète du vecteur de polarisation de l'échantillon étudié à l'échelle de nanomètre.

L'application Commune de PFM comprend la caractérisation locale des propriétés électromécaniques des matériaux, y compris le mappage de domaine et l'étude détaillés de la dynamique de commutation de domaine ; test des dispositifs micro et nano-électromécaniques (par exemple, déclencheurs, transducteurs, et MEMS piézoélectriques), des dispositifs électro-optiques et des composants de mémoire non volatile (c.-à-d., dispositifs de FERAM), adressant leurs délivrances de fiabilité telles que l'empreinte électromécanique, fatigue et panne diélectrique ; explorant la relation locale et globale entre la polarité et d'autres propriétés matérielles sur le polymère nouveau et les matériaux bio-conçus basés sur la caractérisation structurelle et électrique détaillée de nanoscale de tels matériaux, Etc.

Optimisation de Signe de PFM

Dans le monde réel, le signe mesuré de PFM contient souvent des cotisations supplémentaires de local et la force électrostatique distribuée en plus de la réaction électromécanique locale de l'échantillon, c.-à-d., A = A +em A +es A.A,nlem la réaction électromécanique de l'échantillon, est la condition réelle qui réfléchit la structure de domaine locale de l'échantillon, alors qu'A,es la force électrostatique locale fonctionnant à la jonction d'extrémité-surface et A,nl la réaction électrostatique de l'encorbellement résultaient de la zone entre l'encorbellement elle-même et de la surface témoin, comme vu sur le Schéma 5, sont des conditions distractive qui les besoins d'être réduit à un minimum pour éviter des artefacts de représentation.

Le Schéma 5. Contraste de Piezoresponse de Gens Du Pays

Cependant, en choisissant soigneusement l'encorbellement pour des échantillons avec l'importance différente de la réaction électromécanique, la cotisation des conditions électrostatiques peut être réduite à un minimum. Depuis tout le signe de PFM Z = (deff + LweΔV0/48kh2) VAC dans lequel deff est la constante piézoélectrique pertinente le long du sens de la mesure, L, W et k sont la longueur, la largeur et la constante de source de l'encorbellement utilisé pour la mesure, h est la hauteur de l'extrémité d'AFM, ε0 et ΔV sont la constante diélectrique d'air et la tension moyenne appliquée entre l'extrémité et l'échantillon, respectivement, pour augmenter le pourcentage de la cotisation électromécanique réelle à ce signe, nous devrions choisir un encorbellement qui est assez raide keff >> k = LweΔV0/48dheff2) pour diminuer la deuxième condition dedans l'équation ci-dessus.

Puisque PFM est une technique d'imagerie contact-basée, utilisant les encorbellements très raides pourrait induire les dégâts irréversibles d'échantillon dedans sur des matériaux plus mous, ou les échantillons qui ne sont pas ferme fixés à la surface de substrat, telle que des échantillons de nanowire de ZnO desserré dispersés sur la surface de disque de SI. Dans de telles situations, le choix d'un encorbellement avec la géométrie courte et étroite a pu également aider à réduire la cotisation de la condition électrostatique. De plus, l'obtention de l'image de PFM à la polarisation nulle de C.C réduirait grand la cotisation de la condition électrostatique, des gens du pays et non-local.

En Conclusion, les composants électrostatiques qui contribuent au signe de PFM diminueraient avec la fréquence accrue de la tension CA Appliquée, et les composants non-locaux diminue particulièrement rapide. En Outre, la représentation à de plus hautes fréquences aurait généralement comme conséquence le raidissement en porte-à-faux, qui améliore le contact entre l'extrémité et la surface témoin. Par Conséquent, les images de PFM obtenues à une plus haute fréquence contient généralement moins de cotisation des conditions électrostatiques, et montre un meilleur taux de signal-bruit. Le signe Optimum de la verticale PFM peut être obtenu en fréquences autour de commande de Mhz, alors que le signe transversal de PFM est habituellement optimal aux fréquences entre 10 et 100 kilohertz, selon les deux la sonde d'AFM utilisée et l'échantillon imagé. Cependant, continuez l'augmentation de la fréquence pour la tension CA Appliquée heurterait éventuellement le positionnement limite supérieure par la largeur de bande du détecteur photoélectrique et verrou-dans l'amplificateur. Extrêmement aux hautes fréquences, aucun signe ne serait dû transuded à la rigoureusement plus grande raideur de l'encorbellement.

Quand un encorbellement approprié est choisi pour l'échantillon étudié, entrez en contact avec l'effet de résonance peut être employé pour augmenter la cotisation du composant eletromechanical, Aem, et améliore la qualité de la représentation de PFM. Dans la pratique, après la mise de l'extrémité d'AFM en contact avec la surface témoin être étudiée en mode de PFM, un mouvement circulaire de fréquence pourrait être exécuté pour la tension CA Appliquée entre l'extrémité et l'échantillon, et l'amplitude/phase contre le comportement de fréquence peut être enregistrée (le Schéma 6). La crête résonnante affichée dans l'amplitude contre le tableau de fréquence est définie par les propriétés mécaniques de l'encorbellement, les propriétés electromchanical intrinsèques de l'échantillon, et la raideur du contact d'extrémité-échantillon. Si la tension CA Appliquée à l'extrémité est actionnée à proximité d'une telle fréquence de résonance, le facteur de haute qualité de la crête résonnante augmenterait grand le taux signal/bruit dans l'amplitude de PFM et le signe observés de phase (le Schéma 7 : à partir de la résonance, 17kHz, signe faible contre la résonance proche, 377kHz, signe élevé).

Le Schéma 6. crête Résonnante dans l'amplitude contre le tableau de fréquence

Le Schéma 7. taux Signal/bruit dans l'amplitude de PFM et le signe observés de phase

Des attentions Supplémentaires doivent être prises pour éviter l'interférence intense entre les signes topographiques et électromécaniques en utilisant l'amélioration de résonance d'augmenter la qualité des images de PFM, puisque la fréquence d'une telle résonance de contact est affectée par la raideur de contact d'extrémité-échantillon, qui consécutivement est affectée par la zone de contact entre l'extrémité et l'échantillon (le Schéma 8). Par exemple, quand l'extrémité est en contact avec une zone concaved de la surface témoin, la raideur de contact d'extrémité-échantillon augmenterait comparer au cas quand l'extrémité est en contact avec une zone plate de la surface témoin. Ceci soulèverait à leur tour la fréquence de résonance de contact. Si la tension CA Appliquée à l'extrémité est fixe à la fréquence de résonance de contact exact mesurée quand l'extrémité est en contact avec la zone plate, une grande goutte dans l'amplitude observée de PFM se produirait puisque la résonance neuve de contact ne se produit plus à cette fréquence particulière.

Le Schéma 8. Résonance affectée par la zone de contact entre l'extrémité et l'échantillon

Pour réduire à un minimum cette instabilité et éliminer en grande partie l'interférence entre les tunnels topographiques et de PFM du signe, la fréquence du signe pilotant À C.A. est la plus bien choisie à proximité de la résonance, mais pas exact à la crête résonnante (le Schéma 9).

Le Schéma 9. Résonnant : 360kHz, interférence du signe topo-PFM dans la représentation d'amplitude ; près de la résonance : 377kHz, bonne qualité du signal et presque aucune interférence

En essayant d'utiliser la résonance de contact pour l'amélioration de signe de PFM, due à l'effet électrostatique, des encorbellements plus mous peuvent afficher les crêtes multiples dans le tableau de mouvement circulaire de fréquence (le Schéma 10), et non tous crêtes produirait du signe stable de PFM. Si un tel encorbellement mol est nécessaire pour que l'échantillon particulier soit étudié (par exemple, le fil de ZnO dispersé sur le substrat de SI peut être rayé ou même détaché avec balayé en mode de PFM utilisant les encorbellements très raides), chacune des crêtes présentées peut être testée individuellement jusqu'à celle qui fournissent clairement, signe stable de PFM est trouvée. Dans la plupart des cas, répétez le mouvement circulaire de fréquence que quelques fois peuvent aider pour stabiliser les spectres et pour éliminer toutes les crêtes de non-qualité intrinsèque.

Le Schéma 10. Fait Une Pointe dans le tableau de mouvement circulaire de fréquence

Source : Systèmes de Parc

Pour plus d'informations sur cette source visitez s'il vous plaît les Systèmes de Parc

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

Last Update: 20. September 2013 06:23

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