Microscopia Piezoelettrica della Forza - Le Basi, la Strumentazione e le Applicazioni di Microscopia Piezoelettrica della Forza dai Sistemi della Sosta

Argomenti Coperti

Circa i Sistemi della Sosta
Introduzione
Principi Di Base di PFM
Ottimizzazione del Segnale di PFM

Circa i Sistemi della Sosta

I Sistemi della Sosta è la guida Atomica della tecnologia (AFM) del Microscopio della Forza, fornente i prodotti che indirizzano i requisiti di tutte le applicazioni del nanoscale di industriale e della ricerca. Con una progettazione unica dello scanner che tiene conto la Vera rappresentazione Senza contatto negli ambienti di aria e del liquido, tutti i sistemi sono completamente - compatibili con una lunga lista delle opzioni innovarici e potenti. Tutti I sistemi sono facile-de-uso, accuratezza e la durevolezza progettati in mente e forniscono ai vostri clienti le ultime risorse per meetiong tutti i bisogni presenti e futuri.

Vantandosi la cronologia più lunga nell'industria del AFM, il portafoglio completo dei Sistemi della Sosta dei prodotti, il software, i servizi e la competenza è abbinato soltanto dal nostro impegno ai nostri clienti.

Introduzione

Questa nota di applicazione presenta le basi, la strumentazione e le applicazioni di potenziale della microscopia piezoelettrica della forza (PFM), un nuovo modo di microscopia della sonda di scansione che utilizza l'effetto piezoelettrico dei materiali per generare il contrasto. I Vari argomenti in questione nel miglioramento la qualità e della risoluzione di immagine, nell'eliminazione dei artefatti e nell'estrazione delle informazioni dall'immagine generata sono discussi. Inoltre, abbiamo compreso una breve introduzione del modo della spettroscopia che permette quantitativamente le analisi della risposta piezoelettrica dei materiali sotto tensione applicata.

Principi Di Base di PFM

Dalla prima sonda di scansione del giorno la microscopia è introdotta alla frontiera contemporanea della ricerca, i nuovi modi e le applicazioni sono emerso con velocità senza precedenti, permettendo che questo strumento versatile esamini gli aspetti in continuo aumento dei beni materiali locali al disgaggio di nanometro. La Microscopia Piezoelettrica della Forza (PFM) è uno di tali modi novelli che ha guadagnato gli anni recenti aumentanti del riconoscimento comunque per le informazioni che uniche può offrire sulle caratteristiche elettromeccaniche dell'accoppiamento di vario ferroelettrico, piezoelettrico, il polimero ed i materiali biologici.

Nell'operazione di PFM, un suggerimento conduttivo del AFM è messo in contatto con la superficie dei materiali ferroelettrici o piezoelettrici studiati e una tensione prestabilita è applicata fra la superficie del campione ed il suggerimento del AFM, stabilenti un campo elettrico esterno all'interno del campione. dovuto il electrostriction, o “inversed„ gli effetti piezoelettrici di tale ferroelettrico o i materiali piezoelettrici, il campione localmente si espanderebbero o si contrarrebbero secondo il campo elettrico. Per esempio, se la polarizzazione iniziale del dominio elettrico del campione misurato è perpendicolare alla superficie del campione e parallela al campo elettrico applicato, i domini avvertirebbero un'espansione verticale. Poiché il suggerimento del AFM è in contatto con la superficie del campione, tale espansione del dominio piegherebbe la trave a mensola del AFM verso l'alto ed il risultato in una deformazione aumentata confrontata allo stato prima dell'applicazione del campo elettrico. Per Contro, se la polarizzazione iniziale del dominio è antiparallela al campo elettrico applicato, il dominio si contrarrebbe ed a sua volta provocherebbe una deformazione a mensola in diminuzione (Figura 1). La quantità di cambiamento di deformazione a mensola, in tale situazione, direttamente è collegata con la quantità di espansione o la contrazione dei domini elettrici del campione e quindi proporzionale al campo elettrico applicato.

Figura 1. cambiamento di deformazione A Mensola

Se la tensione applicata contiene una piccola componente di CA, la risposta piezoelettrica inversed dal campione provocherebbe l'oscillazione della superficie del campione nella stessa frequenza della tensione CA Applicata. Nel caso in cui il campione sia un cristallo piezoelettrico ideale, la sua polarizzazione sarebbe collegata con lo sforzo meccanico applicato dalla seguente equazione:

Pi = dsijkjk

in quale dijk è il tensore peizoelectric rank-3 del materiale. Per tali materiali con i sistemi cristallini tetragonali, questo tensore piezoelettrico può essere diminuito al seguente modulo:

+

nel qual caso, nell'ambito della tensione applicata V di modulazione di CA = Vcos0 (ωt), vibrazione di superficie del campione richiedesse il modulo ΔZ = ΔZcos0 (ωt + φ), con l'ampiezza di vibrazione ΔZ0 = dV330 e la fase f = 0 se la polarizzazione del dominio del campione è parallelo orientato al campo elettrico applicato e da φ = da 180° se è antiparallelo orientato al campo elettrico applicato (Figura 2). Tale oscillazione direttamente sarebbe riflessa nel segnale di fase e di ampiezza della sonda del AFM che contatta la superficie e può essere letta fuori facendo uso della a blocco-in amplificatore.

Figura 2. ampiezza di Vibrazione per l'orientamento parallelo ed antiparallelo di polarizzazione

Nella rappresentazione tipica di PFM, la tensione CA Applicata è fissata per essere molto più bassa della tendenziosità coercitiva per la commutazione del dominio del campione, evitare l'alternativa della struttura di dominio locale del campione studiato. Se tale criterio è soddisfatto, il contrasto di fase generato nella rappresentazione di PFM rifletterebbe la polarità del dominio nelle posizioni differenti del campione, mentre dalla grandezza del coefficiente piezoelettrico locale del segnale di ampiezza del campione può essere estratto, come discusso nel precedente paragrafo. Figura 3 manifestazioni un tal esempio di tali immagini di ampiezza e di fase di PFM ottenute sul campione di PZT-5H. Può essere osservato nella parte circondata 180°, il contrasto di fase è evidente in due domini adiacenti nell'immagine di fase di PFM e la parete di dominio fra loro può essere osservata con ampiezza diminuita nell'immagine di ampiezza di PFM. Inoltre può essere notato è che l'entrambi i domini orientati ascendenti e discendenti hanno indotto il segnale di ampiezza di PFM con simile grandezza, indicante che i beni materiali sono relativamente omogenei nel campione studiato.

Figura 3. immagini di ampiezza e di fase di PFM ottenute sul campione di PZT-5H

Per l'orientamento più complicato del dominio del campione contenere non solo le componenti perpendicolari alla superficie in contatto con il suggerimento del AFM, ma anche le componenti lungo le direzioni differenti all'interno dell'aereo di superficie, il vettore PFM con un canali verticale e due laterale può fornire informazioni più complete. Per esempio, per ottenere la componente15 di d del tensore piezoelettrico in cristalli piezoelettrici tetragonali, dobbiamo misurare le componenti laterali della vibrazione del suggerimento del AFM proporzionale allo spostamento della superficie del campione dell'in-aereo (Figura 4), che avrebbe preso la forma prenderebbe la forma ΔL = ΔLcos0 (ωt + φ), con l'ampiezza di vibrazione ΔL0 = Avviso150 del dV se una tendenziosità di CC è applicata fra il suggerimento ed il campione insieme con la tensione CA, Sia l'in-aereo che risposta elettromeccanica dell'fuori de aereo del campione è egualmente funzioni di questa tensione di CC applicata.

Figura immagini Verticali e laterali di 4. di PFM di ampiezza e di fase

In la maggior parte dei casi reali, il campione studiato contiene alla la struttura del grano policristallina orientata a casuale, spesso con le componenti laterali diverse da zero in suo tensore piezoelettrico. In questo caso, il segnale verticale individuato di PFM non è più soltanto proporzionale alla d33, ma anche al dipendente sulla d31 e sulle componenti15 di d. Per Esempio, l'ampiezza verticale di PFM più non sarebbe ΔZ =0 dV invece330 , prenderebbe la forma

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

in quale θ fa parte della mappa locale di orientamento (θ, φ, ψ) fra il sistema di riferimento del laboratorio ed il sistema di riferimento a cristallo del campione. Tuttavia, se sia il verticale che due componenti laterali del segnale di PFM sono ottenuti sulla posizione del campione, le costanti piezoelettriche d del campione intrinsecoij o la mappa locale di orientamento (θ, φ, ψ) possono essere estratte da tali dati. In una parola, 3D PFM ha aperto la possibilità di una ricostruzione completa 3D del vettore di polarizzazione del campione studiato al disgaggio di nanometro.

L'applicazione Comune di PFM comprende la caratterizzazione locale dei beni elettromeccanici dei materiali, compreso la mappatura del dominio e lo studio dettagliati sulla dinamica di commutazione del dominio; prova delle unità micro- e nano-elettromeccaniche (per esempio, azionatori, trasduttori e MEMS piezoelettrici), delle unità elettro-ottiche e delle componenti di memoria non volatile (cioè, unità di FERAM), indirizzanti le loro emissioni di affidabilità quale l'impronta elettromeccanica, fatica e ripartizione dielettrica; esplorando la relazione locale e globale fra polarità ed altri beni materiali sul polimero novello e materiali bio--costruiti basati sulla caratterizzazione strutturale ed elettrica dettagliata del nanoscale di tali materiali, Ecc.

Ottimizzazione del Segnale di PFM

Nel mondo reale, il segnale misurato di PFM contiene spesso i contributi supplementari sia da locale che la forza elettrostatica distribuita oltre alla risposta elettromeccanica locale dal campione, cioè, A = A +em A +es A.A,nlem la risposta elettromeccanica dal campione, è il termine reale che riflette la struttura di dominio locale del campione, mentre A,es la forza elettrostatica locale che funzionano alla giunzione della suggerimento-superficie ed A,nl la risposta elettrostatica della trave a mensola sono derivato dal campo fra la trave a mensola stesso e la superficie del campione, come si vede in Figura 5, è termini distractive che necessità di essere minimizzato per evitare i artefatti di rappresentazione.

Figura 5. Contrasto di Piezoresponse del Locale

Tuttavia, con attenzione scegliendo la trave a mensola per i campioni con grandezza differente della risposta elettromeccanica, il contributo dei termini elettrostatici può essere minimizzato. Poiché il segnale totale di PFM Z = (deff + LweΔV0/48kh2) VAC in cui la deff è l'efficace costante piezoelettrica lungo la direzione della misura, L, w e K è la lunghezza, la larghezza e balza costante della trave a mensola utilizzata per la misura, h è l'altezza del suggerimento del AFM, ε0 e ΔV sono la costante dielettrica dell'aria e la tensione media applicata fra il suggerimento ed il campione, rispettivamente, per aumentare la percentuale del contributo elettromeccanico reale a questo segnale, dovremmo scegliere una trave a mensola che è abbastanza rigido Keff >> K = LweΔV0/48dheff2) per fare diminuire il secondo termine dentro l'equazione qui sopra.

Poiché PFM è ad una tecnica di rappresentazione basata a contatto, facendo uso delle travi a mensola molto rigide potrebbe indurre il danno irreversibile del campione dentro sui materiali più molli, o i campioni che non sono fissati saldamente alla superficie del substrato, quali i campioni del nanowire di ZnO sparsi senza bloccare sulla superficie del wafer di Si. In tali situazioni, scegliere una trave a mensola con la breve e geometria stretta ha potuto anche contribuire a diminuire il contributo dal termine elettrostatico. Inoltre, ottenere l'immagine di PFM a tendenziosità zero di CC notevolmente diminuirebbe il contributo del termine elettrostatico, sia locale che non locale.

Per Concludere, le componenti elettrostatiche che contribuiscono al segnale di PFM diminuirebbero con frequenza aumentata della tensione CA Applicata e il non locale che le componenti fa diminuire particolarmente veloce. Inoltre, la rappresentazione alle più alte frequenze provocherebbe generalmente l'irrigidimento a mensola, che migliora il contatto fra il suggerimento e la superficie del campione. Quindi, le immagini di PFM ottenute ad più alta frequenza contiene generalmente meno contributo dai termini elettrostatici ed esibisce un migliore rapporto di segnale/disturbo. Il segnale Ottimale di verticale PFM può essere ottenuto in frequenze intorno ad ordine di Megahertz, mentre il segnale laterale di PFM è solitamente ottimale alle frequenze fra 10 e 100 chilocicli, secondo entrambi la sonda del AFM usata ed il campione imaged. Tuttavia, continui l'aumento della frequenza per la tensione CA Applicata finalmente colpirebbe l'insieme di limite superiore dalla larghezza di banda del rivelatore fotoelettrico e blocco-in amplificatore. Agli extremely high frequency, non c'sarebbe nessun segnale transuded dovuto la rigidezza drasticamente aumentata della trave a mensola.

Quando una trave a mensola appropriata è scelta per il campione studiato, contatti l'effetto di risonanza può essere utilizzato per aumentare il contributo dalla componente eletromechanical, Aem e migliorano la qualità della rappresentazione di PFM. In pratica, dopo avere portato il suggerimento del AFM in contatto con la superficie del campione essere studiato nel modo di PFM, una spazzata di frequenza potrebbe essere eseguita per la tensione CA Applicata fra il suggerimento ed il campione e l'ampiezza/fase contro comportamento di frequenza può essere registrata (Figura 6). Il picco sonoro indicato nell'ampiezza contro il diagramma di frequenza è definito dai beni meccanici della trave a mensola, dai beni electromchanical intrinsechi del campione e dalla rigidezza del contatto del suggerimento-campione. Se la tensione CA Applicata al suggerimento è gestita nelle vicinanze di tale frequenza di risonanza, il fattore di alta qualità del picco sonoro notevolmente aumenterebbe il rapporto segnale-rumore nell'ampiezza di PFM e nel segnale osservati di fase (Figura 7: a partire da risonanza, 17kHz, segnale basso contro risonanza vicina, 377kHz, alto segnale).

Figura 6. picco Sonoro nell'ampiezza contro il diagramma di frequenza

Figura 7. rapporto Segnale-rumore nell'ampiezza di PFM e nel segnale osservati di fase

Le avvertenze Extra devono essere catturate per evitare la forte interferenza fra i segnali topografici ed elettromeccanici quando usando il potenziamento di risonanza aumentare la qualità di immagine di PFM, poiché la frequenza di tale risonanza del contatto è influenzata dalla rigidezza del contatto del suggerimento-campione, che a sua volta è influenzata dall'area di contatto fra il suggerimento ed il campione (Figura 8). Per esempio, quando il suggerimento è in contatto con un'area concaved della superficie del campione, la rigidezza del contatto del suggerimento-campione aumenterebbe il paragone al caso quando il suggerimento è in contatto con un'area piana della superficie del campione. Ciò a sua volta solleverebbe la frequenza di risonanza del contatto. Se la tensione CA Applicata al suggerimento è fissa alla frequenza di risonanza del contatto esatto misurata quando il suggerimento è in contatto con l'area piana, un grande calo nell'ampiezza osservata di PFM accadrebbe poiché la nuova risonanza del contatto più non si presenta a questa frequenza specifica.

Figura 8. Risonanza influenzata dall'area di contatto fra il suggerimento ed il campione

Per minimizzare questa instabilità ed in gran parte per eliminare l'interferenza fra i canali di PFM e topografici di segnale, la frequenza del segnale di azionamento di CA è scelta il più bene non esattamente nelle vicinanze della risonanza, ma al picco sonoro (Figura 9).

Figura 9. Sonora: 360kHz, interferenza del segnale topo-PFM nella rappresentazione di ampiezza; vicino a risonanza: 377kHz, buona qualità di segnale e quasi nessun'interferenza

Nel tentare di usare la risonanza del contatto per il potenziamento del segnale di PFM, dovuto l'effetto elettrostatico, le travi a mensola più molli possono mostrare i picchi multipli nel diagramma di spazzata di frequenza (Figura 10) ed in non tutti i picchi genererebbe il segnale stabile di PFM. Se tale trave a mensola molle è necessaria affinchè il campione specifico sia studiata (per esempio, il collegare di ZnO sparso sul substrato di Si può essere graffiato o persino distaccato con scandito nel modo di PFM facendo uso delle travi a mensola molto rigide), ciascuno dei picchi presentati può essere provato determinato fino a quello che fornisce chiaramente, segnale stabile di PFM è trovato. Nella maggior parte dei casi, ripeti la spazzata che di frequenza una coppia di volte possono contribuire per stabilizzare gli spettri e per eliminare tutti i picchi non intrinsechi.

Figura 10. Alza nel diagramma di spazzata di frequenza

Sorgente: Sistemi della Sosta

Per ulteriori informazioni su questa sorgente visualizzi prego i Sistemi della Sosta

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

Last Update: 20. September 2013 06:24

Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit