Angkatan piezoelektrik Mikroskopi - Dasar, Instrumentasi dan Aplikasi Force Microscopy piezoelectric oleh Park Sistem

Topik Covered

Tentang Taman Sistem
Pengenalan
Prinsip Dasar PKP
Optimasi PKP Sinyal

Tentang Taman Sistem

Taman Sistem adalah Atomic Force Microscope (AFM) pemimpin teknologi, menyediakan produk yang memenuhi persyaratan dari semua penelitian dan aplikasi industri skala nano. Dengan desain yang unik yang memungkinkan scanner untuk pencitraan Non-Kontak Benar dalam lingkungan cair dan udara, semua sistem yang sepenuhnya kompatibel dengan daftar panjang pilihan yang inovatif dan kuat. Semua sistem ini dirancang dengan kemudahan penggunaan akurasi, dan daya tahan dalam pikiran, dan menyediakan pelanggan Anda dengan sumber daya utama untuk meetiong semua kebutuhan sekarang dan masa depan.

Membanggakan sejarah terpanjang di AFM industri, Taman Sistem ' portofolio komprehensif produk, perangkat lunak, jasa dan keahlian yang cocok hanya dengan komitmen kami kepada pelanggan kami.

Pengenalan

Catatan aplikasi ini menyajikan dasar-dasar, instrumentasi dan aplikasi potensi mikroskop kekuatan piezoelektrik (PKP), probe scanning mikroskop modus baru yang memanfaatkan efek piezoelektrik bahan untuk menghasilkan kontras. Berbagai topik yang terlibat dalam meningkatkan kualitas gambar dan resolusi, menghilangkan artefak dan penggalian informasi dari gambar yang dihasilkan dibahas. Juga, kita telah memasukkan pengenalan singkat dari mode spektroskopi yang memungkinkan analisis kuantitatif respon piezoelektrik bahan di bawah tegangan yang diberikan.

Prinsip Dasar PKP

Dari scanning probe microscopy hari pertama diperkenalkan ke perbatasan penelitian kontemporer, mode baru dan aplikasi telah muncul dengan kecepatan belum pernah terjadi sebelumnya, yang memungkinkan alat ini serbaguna untuk melihat ke dalam aspek-aspek yang terus meningkat dari sifat material lokal di skala nanometer. Angkatan Mikroskopi piezoelektrik (PKP) adalah salah satu mode baru seperti yang telah mendapat pengakuan meningkat meskipun beberapa tahun terakhir untuk informasi unik yang dapat menawarkan pada karakteristik kopling elektromekanis berbagai feroelektrik, piezoelektrik, bahan polimer dan biologis.

Dalam operasi PKP, sebuah konduktif AFM ujung dibawa ke dalam kontak dengan permukaan bahan feroelektrik atau piezoelektrik dipelajari, dan satu set pra-tegangan diterapkan antara permukaan sampel dan AFM ujung, mendirikan sebuah medan listrik eksternal dalam sampel. Karena electrostriction, atau "terbalik piezoelektrik" efek feroelektrik atau bahan piezoelektrik tersebut, sampel lokal akan memperluas atau kontrak sesuai dengan medan listrik. Sebagai contoh, jika polarisasi awal dari domain listrik dari sampel yang diukur tegak lurus terhadap permukaan sampel, dan sejajar dengan medan listrik diterapkan, domain akan mengalami ekspansi vertikal. Karena AFM tip dalam kontak dengan permukaan sampel, ekspansi domain seperti akan menekuk AFM atas kantilever, dan mengakibatkan defleksi meningkat dibandingkan dengan status sebelum menerapkan medan listrik. Sebaliknya, jika polarisasi domain awal adalah anti-sejajar dengan medan listrik diterapkan, domain akan kontrak dan dalam hasil gilirannya defleksi kantilever menurun (Gambar 1). Jumlah perubahan defleksi kantilever, dalam situasi seperti itu, secara langsung berkaitan dengan jumlah ekspansi atau kontraksi dari domain sampel listrik, dan karenanya sebanding dengan medan listrik diterapkan.

Gambar 1. Defleksi kantilever perubahan

Jika tegangan yang diberikan mengandung komponen AC kecil, respon piezoelektrik terbalik dari sampel akan menghasilkan sampel osilasi permukaan di frekuensi yang sama dengan tegangan AC diterapkan. Dalam hal bahwa sampel adalah kristal piezoelektrik yang ideal, polarisasi akan berhubungan dengan stres mekanik diterapkan dengan persamaan berikut:

P _i = d _ijk s _jk

di mana d _ijk merupakan tensor peringkat-3 peizoelectric material. Untuk bahan tersebut dengan struktur kristal tetragonal, ini tensor piezoelektrik dapat direduksi menjadi bentuk berikut:

+

dalam hal ini, di bawah AC diterapkan modulasi tegangan V = V ₀ cos (ωt), sampel getaran permukaan akan mengambil bentuk ΔZ = ΔZ ₀ cos (ωt + φ), dengan amplitudo getaran ΔZ ₀ = d ₃₃ V _0, dan fase f = 0 jika polarisasi domain sampel paralel berorientasi ke medan listrik diterapkan, dan keluar dari φ = 180 ° jika berorientasi anti-sejajar dengan medan listrik diterapkan (Gambar 2). Osilasi tersebut akan langsung tercermin dalam sinyal amplitudo dan fase dari AFM penyelidikan menghubungi permukaan, dan dapat dibaca dengan menggunakan kunci-penguat.

Gambar 2. Getaran amplitudo untuk orientasi paralel dan anti-paralel dari polarisasi

Dalam pencitraan PKP yang khas, yang diterapkan tegangan AC diatur akan jauh lebih rendah daripada bias memaksa untuk beralih sampel domain, untuk menghindari pergantian struktur domain lokal dari sampel yang diteliti. Jika kriteria tersebut terpenuhi, fase kontras dihasilkan dalam PKP pencitraan akan mencerminkan polaritas domain di lokasi sampel yang berbeda, sedangkan dari besarnya koefisien amplitudo sinyal piezoelektrik lokal sampel dapat diekstraksi, seperti yang dibahas dalam paragraf sebelumnya. Gambar 3 menunjukkan contoh seperti gambar PKP seperti amplitudo dan fase diperoleh pada PZT-5H sampel. Seperti dapat diamati di bagian dilingkari 180 °, fase kontras jelas dalam dua domain yang berdekatan pada gambar fase PKP, dan dinding domain antara mereka dapat diamati dengan amplitudo berkurang dalam gambar amplitudo PKP. Juga dapat diperhatikan adalah bahwa domain berorientasi baik ke atas dan ke bawah telah diinduksi dengan amplitudo sinyal PKP sama besarnya, menunjukkan properti material relatif homogen dalam sampel yang diteliti.

Gambar 3. PFM amplitudo dan fase gambar yang diperoleh pada sampel PZT-5H

Untuk sampel orientasi domain lebih rumit yang mengandung tidak hanya komponen tegak lurus ke permukaan dalam kontak dengan AFM ujung, tetapi juga komponen sepanjang arah yang berbeda dalam bidang permukaan, vektor PKP dengan satu vertikal dan dua saluran lateral dapat memberikan informasi lebih lengkap. Misalnya, untuk mendapatkan komponen ₁₅ d tensor piezoelektrik dalam kristal piezoelektrik tetragonal, kita perlu mengukur komponen lateral AFM getaran ujung sebanding dengan perpindahan di pesawat permukaan sampel (Gambar 4), yang akan mengambil formulir akan mengambil bentuk ΔL = ΔL ₀ cos (ωt + φ), dengan amplitudo getaran ΔL ₀ = d ₁₅ V ₀ Perhatikan apakah DC bias diterapkan antara ujung dan sampel dalam hubungannya dengan tegangan AC, baik di-pesawat dan keluar -of-plane respon elektromekanis sampel juga fungsi dari tegangan DC diterapkan.

Gambar 4. Vertikal dan lateral PKP amplitudo dan fase gambar

Dalam sebagian besar kasus nyata, sampel yang diteliti mengandung acak berorientasi polikristalin struktur butir, sering dengan non-nol komponen lateral dalam tensor piezoelektrik nya. Dalam hal ini, sinyal terdeteksi PKP vertikal tidak lagi hanya proporsional dengan d _33, tetapi juga tergantung pada d ₃₁ dan ₁₅ d komponen. Misalnya, PKP amplitudo vertikal tidak akan lagi menjadi ΔZ ₀ = d ₃₃ V ₀ sebagai gantinya, itu akan mengambil bentuk

ΔZ ₀ = d _ZZ V ₀ = [(d ₃₁ + d ₁₅₎ sin ² θcosθ + d cos ² θ _33] V ₀

di mana θ merupakan bagian dari peta orientasi lokal (θ, φ, ψ) antara sistem koordinat laboratorium dan koordinat sistem kristal sampel. Namun demikian, jika kedua vertikal dan lateral dua komponen sinyal PKP diperoleh pada lokasi sampel, baik sampel intrinsik konstanta piezoelektrik d _ij atau peta orientasi lokal (θ, φ, ψ) dapat diekstraksi dari data tersebut. Singkatnya, 3D PKP telah membuka kemungkinan rekonstruksi 3D lengkap dari vektor polarisasi dari sampel yang diteliti pada skala nanometer.

Aplikasi umum dari PKP mencakup karakterisasi sifat elektromekanis lokal bahan, termasuk pemetaan domain penuh rinci dan studi dinamika beralih dari domain; pengujian perangkat mikro dan nano-elektromekanis (misalnya, aktuator piezoelektrik, transduser, dan MEMS), elektro-optik perangkat dan komponen memori nonvolatile (yaitu, FeRAM perangkat), kehandalan mereka menangani isu-isu seperti elektromekanik, kelelahan jejak dan dielektrik break-down; menjelajahi hubungan lokal dan global antara polaritas dan sifat material lainnya pada novel polimer dan bio-bahan yang didasarkan pada rekayasa nano rinci struktural dan listrik karakterisasi bahan tersebut, dll

Optimasi PKP Sinyal

Dalam dunia nyata, sinyal diukur PKP sering mengandung kontribusi tambahan dari gaya elektrostatik baik lokal dan didistribusikan di samping respon elektromekanis lokal dari sampel, yaitu, A = A + A _{es em} A + A _{nl mereka.,} Respon elektromekanis dari sampel, adalah istilah yang nyata yang mencerminkan struktur domain lokal sampel, sementara _es A, gaya elektrostatik lokal yang bekerja di persimpangan ujung-permukaan dan A _nl, respon kantilever elektrostatik yang dihasilkan dari lapangan antara kantilever itu sendiri dan permukaan sampel, seperti terlihat pada Gambar 5, adalah istilah-istilah distractive yang perlu diminimalkan untuk menghindari artefak pencitraan.

Gambar 5. Lokal piezoresponse Kontras

Namun, dengan hati-hati memilih kantilever untuk sampel dengan besaran yang berbeda dari jawaban elektromekanik, kontribusi dari istilah elektrostatik dapat diminimalkan. Karena sinyal PKP Total Z = (d _Eff + LWE ₀ ΔV / 48kh ²⁾ V _AC di mana d _Eff adalah konstanta piezoelektrik efektif sepanjang arah pengukuran, L, w dan k adalah panjang, lebar dan konstanta pegas dari kantilever digunakan untuk pengukuran, h adalah tinggi dari AFM ujung, ε ₀ dan ΔV adalah konstanta dielektrik udara dan rata-rata tegangan diterapkan antara ujung dan sampel, masing-masing, untuk meningkatkan persentase dari kontribusi elektromekanis nyata untuk sinyal ini, kita harus memilih k _eff cukup>> k = LWE ₀ ΔV / 48d _Eff h ²⁾ untuk menurunkan jabatan kedua dalam persamaan di atas. kantilever yang kaku

Karena PKP merupakan kontak berbasis teknik pencitraan, menggunakan cantilevers sangat kaku bisa menyebabkan kerusakan ireversibel pada sampel pada bahan lembut, atau sampel yang tidak melekat erat pada permukaan substrat, seperti ZnO sampel nanowire longgar berserakan di permukaan wafer Si. Dalam situasi seperti itu, memilih kantilever dengan geometri pendek dan sempit juga dapat membantu untuk mengurangi kontribusi dari istilah elektrostatik. Selain itu, memperoleh gambar PKP di nol DC bias akan sangat mengurangi kontribusi jangka elektrostatik, baik lokal maupun non-lokal.

Akhirnya, komponen elektrostatik yang berkontribusi terhadap sinyal PKP akan menurun dengan meningkatnya frekuensi tegangan AC diterapkan, dan non-lokal komponen berkurang terutama cepat. Juga, pencitraan pada frekuensi yang lebih tinggi umumnya akan menghasilkan kaku kantilever, yang meningkatkan kontak antara tip dan permukaan sampel. Oleh karena itu, gambar yang diperoleh PKP pada frekuensi lebih tinggi umumnya berisi kontribusi kurang dari istilah elektrostatik, dan pameran sinyal yang lebih baik untuk rasio kebisingan. PKP sinyal optimal vertikal dapat diperoleh dalam frekuensi sekitar agar MHz, sedangkan sinyal PKP lateral biasanya optimal pada frekuensi antara 10 dan 100 kHz, tergantung pada kedua AFM Probe yang digunakan dan sampel dicitrakan. Namun, melanjutkan peningkatan frekuensi untuk tegangan AC diterapkan pada akhirnya akan memukul batas atas ditetapkan oleh photodetektor bandwidth dan lock-in amplifier. Pada frekuensi sangat tinggi, tidak ada sinyal akan transuded karena kekakuan meningkat secara drastis kantilever tersebut.

Ketika sebuah kantilever yang tepat dipilih untuk sampel yang diteliti, hubungi efek resonansi dapat dimanfaatkan untuk meningkatkan kontribusi dari komponen eletromechanical, A _mereka, dan meningkatkan kualitas pencitraan PKP. Dalam prakteknya, setelah membawa AFM ujung dalam kontak dengan permukaan sampel untuk dipelajari dalam mode PKP, menyapu frekuensi dapat dilakukan untuk tegangan AC diterapkan antara ujung dan sampel, dan amplitudo / fase vs frekuensi perilaku dapat direkam (Gambar 6). Puncak resonan ditunjukkan dalam daftar frekuensi amplitudo vs didefinisikan oleh kantilever sifat mekanik, sifat intrinsik electromchanical sampel, dan kekakuan kontak ujung-sampel. Jika tegangan AC diterapkan ke ujung dioperasikan di sekitar frekuensi resonansi tersebut, faktor kualitas tinggi dari puncak resonansi akan sangat meningkatkan rasio signal-to-noise dalam amplitudo PKP diamati dan sinyal fase (Gambar 7: jauh dari resonansi , 17kHz, sinyal rendah vs resonansi dekat, 377kHz, sinyal tinggi).

Gambar 6. Resonan puncak amplitudo vs daftar frekuensi

Gambar 7. Signal-to-noise rasio amplitudo PKP diamati dan sinyal fase

Ekstra memperingatkan perlu diambil untuk menghindari yang kuat cross-talk antara sinyal topografi dan elektromekanis ketika menggunakan perangkat tambahan resonansi untuk meningkatkan kualitas gambar PKP, karena frekuensi resonansi kontak tersebut dipengaruhi oleh kekakuan kontak ujung-sampel, yang pada gilirannya dipengaruhi oleh bidang kontak antara ujung dan sampel (Gambar 8). Misalnya, ketika ujung adalah dalam kontak dengan luas permukaan sampel concaved, kekakuan kontak ujung-sampel akan meningkat dibandingkan dengan kasus ketika ujung berada dalam kontak dengan daerah datar permukaan sampel. Hal ini pada gilirannya akan meningkatkan frekuensi kontak resonan. Jika tegangan AC diterapkan ke ujung adalah tetap pada frekuensi kontak yang tepat diukur ketika resonansi ujungnya berada dalam kontak dengan daerah datar, penurunan besar dalam amplitudo PKP diamati akan terjadi karena resonansi kontak baru tidak lagi terjadi pada frekuensi tertentu .

Gambar 8. Resonansi dipengaruhi oleh bidang kontak antara ujung dan sampel

Untuk meminimalkan ketidakstabilan ini dan sebagian besar menghilangkan cross-talk antara saluran topografi dan PKP dari sinyal, frekuensi dari sinyal AC mengemudi yang terbaik dipilih di sekitar resonansi, tetapi tidak persis di puncak resonansi (Gambar 9).

Gambar 9. Resonan: 360kHz, cross-talk dari topo-PKP amplitudo sinyal dalam pencitraan; resonansi dekat: 377kHz, kualitas sinyal yang baik dan hampir tidak ada cross-talk

Ketika mencoba menggunakan resonansi kontak untuk peningkatan sinyal PKP, karena efek elektrostatik, cantilevers lembut dapat menunjukkan beberapa puncak di chart sapuan frekuensi (Gambar 10), dan tidak semua puncak akan menghasilkan sinyal PKP stabil. Jika kantilever lunak tersebut diperlukan untuk sampel tertentu untuk dipelajari (misalnya, ZnO kawat tersebar pada substrat Si dapat tergores atau bahkan terpisah dengan scan dalam mode PKP menggunakan cantilevers sangat kaku), masing-masing puncak yang disajikan dapat diuji secara individual sampai salah satu yang menyediakan jelas, sinyal stabil PKP ditemukan. Dalam kebanyakan kasus, ulangi sapuan frekuensi beberapa kali dapat membantu menstabilkan spektra dan menghilangkan setiap non-intrinsik puncak.

Gambar 10. Puncak pada grafik frekuensi sapuan

Sumber: Sistem Taman

Untuk informasi lebih lanjut tentang sumber ini silakan kunjungi Taman Sistem