圧電気力の顕微鏡検査 - 公園システムによる圧電気力の顕微鏡検査の基本原則、器械使用およびアプリケーション

カバーされるトピック

公園システムについて
導入
PFM の基本原則
PFM のシグナルの最適化

公園システムについて

公園システムはすべての研究および産業 (AFM) nanoscale のアプリケーションの条件を処理する製品を提供している原子力の顕微鏡の技術のリーダーです。 液体および空気環境の本当の無接触イメージ投射を可能にする一義的なスキャンナーデザインによって、すべてのシステムは革新的で、強力なオプションの長いリストによって完全に対応します。 すべてのシステムは心の設計されていた容易の使用、正確さおよび耐久性で、最終的なリソースを meetiong に顧客にすべての現在と未来の必要性与えます。

AFM 工業の長い歴史を、公園システムの製品の広範囲のポートフォリオ自慢して、ソフトウェア、サービスおよび専門知識は私達の顧客に私達の責任によってだけ一致します。

導入

このアプリケーションノートは圧電気力の顕微鏡検査、対照を生成するのに材料の圧電効果を (PFM)利用する新しいスキャンのプローブの顕微鏡検査のモードの基本原則、器械使用および潜在性アプリケーションを示します。 画像の品質および解像度を改善すること、人工物を除去することおよび生成された画像から情報を得ることにかかわるさまざまなトピックは論議されます。 また、私達は応用電圧の下で材料の圧電気の応答の分析を量的に可能にする分光学のモードの短い導入を含んでいました。

PFM の基本原則

最初の日のスキャンのプローブから顕微鏡検査は現代的な研究のフロンティア、新しいモードにもたらされ、アプリケーションは前例のない速度と現れま、ナノメーターのスケールをローカル物質的な特性の常に増加する面調べるようにこの多目的なツールがします。 圧電気力の顕微鏡検査は (PFM)さまざまな ferroelectric の電気機械のカップリングの特性で提供できる一義的な情報圧電気、ポリマーおよび生物的材料のための増加する認識最近の年をしかし得たそのような新しいモードの 1 つです。

PFM 操作では、伝導性 AFM の先端は調査された ferroelectric または圧電気材料の表面が付いている接触に持って来られ、前もって調整された電圧はサンプル内の外部電界を確立するサンプル表面と AFM の先端間で応用です。 electrostriction が原因で、または 「そのような ferroelectric の圧電気の」効果を inversed または圧電気材料は電界に従って、サンプル局部的に拡大するか、または引き締まります。 応用電界への例えば測定されたサンプルの電気領域の最初の分極がサンプル表面に垂直なら、そして平行、領域は縦の拡張を経験します。 AFM の先端がサンプル表面と接触してあるので、そのような領域の拡張は AFM の片持梁、および電界を加える前に状態と比較された高められた偏向の結果を上向きに曲げます。 逆に最初の領域の分極が応用電界に反平行なら、領域は減らされた片持梁偏向 (図 1) で引き締まり、次々と起因します。 片持梁射向変換の量は、そのような状態で拡張の量かサンプル電気領域の収縮と、直接、およびそれ故に応用電界に比例した関連しています。

図 1. 片持梁射向変換

応用電圧が小さい AC コンポーネントを含んでいれば、サンプルからの inversed 圧電気の応答は応用 AC 電圧と同じ頻度のサンプル表面の振動で起因します。 ケースではサンプルが理想的な圧電気水晶であること、分極は 次の同等化によって応用機械圧力 と関連しています:

Pi = dsijkjk

材料のijk ランク3 の peizoelectric テンソルはどの d であるか。 正方結晶構造が付いているそのような材料のために、この圧電気のテンソルは次の形式に減らすことができます:

+

、応用 AC 変調電圧 V の下で = Vcos0 応用電界 (図 2) に方向づけられた反平行ならサンプル0領域の分極が応用電界に、そしてφ =0 180° からの330方向づけられた平行なら (ωt) が、サンプル表面の振動用紙ΔZ = 振動振幅のΔZcos (ωt + φ)、ΔZ = dV、および段階を f = 0 取ったら。 そのような振動は表面に接触する AFM のプローブの振幅および段階のシグナルに直接反映されロックインのアンプを使用して読むことができます。

分極の平行および反平行オリエンテーションのための図 2. 振動振幅

典型的な PFM イメージ投射では、応用 AC 電圧はサンプル領域の切換えのための強制的なバイアスより大いに低いために調査されたサンプルのローカルドメイン構造の交替を避けるためにセットされます。 そのような規準が満たされれば、 PFM イメージ投射で生成された段階の対照は前のパラグラフに記述されているようにサンプルの振幅のシグナルローカル圧電気係数の大きさから得ることができる間、異なったサンプル位置の領域の極性を反映します。 PZT-5H のサンプルの図 3 ショー得られるそのような PFM 振幅および段階の画像のそのような例。 一周された部分 180° で観察することができるように段階の対照は PFM 段階の画像の 2 つの隣接した領域で明白であり、その間の領域壁は PFM の振幅の画像の減らされた振幅と観察することができます。 また両方とも上向きおよび下りの方向づけられた領域物質的な特性が調査されたサンプルで比較的同種であることを明記する同じような大きさの PFM の振幅のシグナルを誘導したことです気づくことができます。

PZT-5H のサンプルの図 3. 得られる PFM 振幅および段階の画像

より複雑なサンプル領域のオリエンテーションのために AFM の先端と接触して表面に、しかし表面の平面垂直な、コンポーネントだけ 1 つの縦および 2 つの側面チャネルとのベクトル PFM 内の異なった方向に沿うまたコンポーネントを含んでいることは完全情報を提供できます。 例えば、正方圧電気水晶15 の圧電気のテンソルの d のコンポーネントを得るために、私達は内部平面のサンプル表面の変位に比例した AFM の先端の振動の側面コンポーネントを測定する必要があります (DC バイアスが AC 電圧と共に先端とサンプル間で応用、0サンプルの内部平面そしてまたの平面の電気機械の応答両方0 なら150 用紙を取る図 4) の用紙をΔL = 振動振幅のΔLcos (ωt + φ)、ΔL = dV の注意ですこの応用 DC 電圧の機能取ります。

図 4. の縦および側面 PFM 振幅および段階の画像

実質のケースのほとんどでは、調査されたサンプルは圧電気のテンソルでゼロ以外の側面コンポーネントが付いている任意指向の多結晶性粒状組織を、頻繁に含んでいます。 この場合、検出された縦 PFM のシグナルはもはや d および d のコンポーネント33の d、しかしまた扶養家族にだけ31 比例していません15 。 例えば、縦 PFM の振幅はΔZ = dV 代りに0 、それ330 取ります用紙をもはやありません

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

サンプルの実験室の座標系と水晶座標系間のローカルオリエンテーションのマップ (θ、φ、ψ) の部分はどのθであるか。 それにもかかわらず、 PFM のシグナルの垂直そして 2 つの側面コンポーネントが両方サンプル位置で、得られれば本質的なサンプル圧電気の定数 d かij ローカルオリエンテーションのマップ (θ、φ、ψ) はそのようなデータから得ることができます。 ワードでは、 3D PFM はナノメーターのスケールで調査されたサンプルの分極のベクトルの完全な 3D 復元の可能性を開きました。

PFM の共通アプリケーションは領域の切換えの原動力の詳しい領域のマップおよび調査を含む材料の電気機械の特性のローカル性格描写を、含んでいます; マイクロおよび nano 電気機械装置 (例えば、圧電気のアクチュエーター、トランスデューサーおよび MEMS)、電気機械の押印のような信頼性問題、疲労および絶縁破壊をアドレス指定する電気光学装置および不揮発性メモリのコンポーネント (すなわち、 FERAM 装置) のテスト; 極性および新しいポリマーの他の物質的な特性およびそのような材料、等の詳しい nanoscale の構造および電気性格描写に基づく生物設計された材料間のローカルおよび全体的な関係を探索します。

PFM のシグナルの最適化

現実の世界では、測定された PFM のシグナルは頻繁にローカル両方からの追加貢献を含み、サンプルからのローカル電気機械の応答に加える分散静電気力、サンプルからのすなわち、 Aem = Aes + Anl +em A.A の電気機械の応答は、 A、先端表面の接続点で動作するローカル静電気力および A は片持梁間のesフィールド自体に、片持梁の静電気の応答起因し、nlサンプル表面、図 5 に見られるようにが、サンプルのローカルドメイン構造をのイメージ投射人工物を避けるために最小化される必要性 distractive ターム反映する実質タームです。

図 5. 支部の Piezoresponse の対照

ただし、注意深く電気機械の応答の別の大きさのサンプルのための片持梁を選択することによって、静電気タームの貢献は最小化することができます。 総 PFM のシグナルが Z = (d +eff LweΔV/048kh)2AC d が測定eff の方向に沿う有効な圧電気の定数である V、 L、 w および k 長さであるので、幅はおよび定数 h 測定に使用する片持梁のです AFM の先端、εの高さはね、0 ΔV は空気の比誘電率であり、このシグナルへの実質の電気機械の貢献のパーセントを増加するために先端とサンプルの間で、それぞれ適用される、平均電圧私達は十分に堅い k >> 第 2 タームをeff 減らす k =0 LweΔV/eff248dh) 片持梁を選択するべきです 上記の同等化。

PFM が接触ベースの映像技術であるので、非常に堅い片持梁を使用してより柔らかい材料の不可逆サンプル基板の表面にしっかりと接続しない損傷を、か緩く Si のウエファーの表面で分散した ZnO の nanowire のサンプルのようなサンプルを誘導できます。 そのような状況で、短く、狭い幾何学の片持梁を選択することはまた静電気タームからの貢献を減らすのを助けることができます。 さらに、ゼロ DC バイアスの PFM の画像を得ることはローカルおよび非ローカルな静電気タームの貢献を、非常に減らします。

最後に、 PFM のシグナルに貢献する静電気のコンポーネントは応用 AC 電圧の高められた頻度、および非ローカルなコンポーネントと減らします特に速い減ります。 また、より高い頻度のイメージ投射は先端とサンプル表面間の接触を改良する片持梁硬化で一般に起因します。 それ故に、より高い頻度で得られる PFM の画像は一般に静電気タームからのより少ない貢献を含み、よりよいノイズ比率へのシグナルを表わします。 最適垂直 PFM シグナルは MHz の順序のまわりの頻度で側面 PFM のシグナルは通常両方によって 10 そして 100 つの kHz 間の頻度で最適、使用される AFM のプローブおよび視覚化されたサンプルであるが得ることができます。 ただし、応用 AC 電圧のための頻度の増加を結局当ります光検出機構およびロックインのアンプの帯域幅によってセットされる上限に続けて下さい。 ミリ波で、シグナルは片持梁の徹底的に高められた剛さが transuded 原因ではないです。

適切な片持梁が調査されたサンプルのために選択されるとき、共鳴効果に eletromechanical コンポーネント、 A から貢献を高めるのに利用することができem改善します PFM イメージ投射の品質を連絡して下さい。 実際には、サンプル表面と接触して AFM の先端を PFM のモードで調査されるために持って来た後頻度広がりは先端とサンプルの間で適用された AC 電圧のために行うことができ振幅/段階は対頻度動作記録することができます (図 6)。 振幅で対頻度図表示されている共鳴ピークは片持梁の機械特性、サンプルの本質的な electromchanical 特性、および先端サンプル接触の剛さによって定義されます。 先端に適用される AC 電圧がそのような共振周波数の近くに作動すれば、共鳴ピークの良質の要因は観察された PFM の振幅および段階のシグナル (図 7 の信号対雑音比を非常に高めます: 共鳴、 17kHz の低いシグナル対近い共鳴、 377kHz の高いシグナルから)。

振幅の図 6. 共鳴ピーク対頻度図表

観察された PFM の振幅および段階のシグナルの図 7. 信号対雑音比

余分注意はそのような接触共鳴の頻度が先端とサンプル (図 8) 間の接触域次々と影響される先端サンプル接触の剛さによって影響されるので共鳴機能拡張を使用するとき PFM の画像の品質を高める地勢および電気機械のシグナル間の強い混線を避けるために払われる必要があります。 例えば、先端がサンプル表面の concaved 領域と接触してあるとき、先端サンプル接触の剛さは先端がサンプル表面の平らな領域と接触してあるときケースとの比較を高めます。 これは次々と接触の共振周波数を上げます。 先端が平らな領域と接触してあるとき先端に適用される AC 電圧が測定される厳密な接触の共振周波数で固定なら、観察された PFM の振幅の大きい低下は新しい接触共鳴がこの特定の頻度にもはや発生しないので発生します。

先端とサンプル間の接触域影響される図 8. 共鳴

この不安定な状態を最小化し、主としてシグナルの地勢、 PFM チャネルの間で混線を除去し、 AC 運転シグナルの頻度は共鳴の近くに、共鳴ピーク (図 9) で最もよく丁度選択されます。

共鳴図 9.: 360kHz の振幅イメージ投射の topoPFM シグナルの混線; 共鳴の近く: 377kHz、よい信号品質およびほとんど混線無し

静電気効果による PFM のシグナルの機能拡張のために接触共鳴を使用するように試みるときより柔らかい片持梁は頻度広がりの図表かもしれません (図 10) は、およびすべてのピークで多重ピークを示す安定した PFM のシグナルを生成しません。 そのような柔らかい片持梁が調査されるべき特定のサンプルのために必要 (Si の基板で分散する例えば、 ZnO ワイヤーは非常に堅い片持梁を使用して PFM のモードでスキャンされるとスクラッチされるまた更に取り外されるかもしれません) なら、示されたピークのそれぞれは明らかに提供するものまで、安定した PFM のシグナルありますそれぞれテストされるかもしれません。 ほとんどの場合、幾つかの時間がスペクトルを安定させ、非本質的なピークの除去を助けるかもしれない頻度広がりを繰り返して下さい。

図 10. は頻度広がりの図表で最高になります

ソース: 公園システム

このソースのより多くの情報のために公園システムを訪問して下さい

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

Last Update: 20. September 2013 06:25

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