Piezoelectric Microscopie van de Kracht - de Grondbeginselen, de Instrumentatie en de Toepassingen van Piezoelectric Microscopie van de Kracht door de Systemen van het Park

Besproken Onderwerpen

Ongeveer de Systemen van het Park
Inleiding
Basis Principes van PFM
Optimalisering van Signaal PFM

Ongeveer de Systemen van het Park

De Systemen van het Park is de Atoom de technologieleider (AFM) van de Microscoop van de Kracht, die producten verstrekt die de vereisten van alle onderzoek en industriële nanoscaletoepassingen richten. Met een uniek scannerontwerp dat voor de Ware weergave van het niet-Contact in vloeistof en luchtmilieu's toestaat, zijn alle systemen volledig - compatibel systeem met een lange lijst van innovatieve en krachtige opties. Alle systemen zijn ontworpen gemakkelijk-van-gebruik, nauwkeurigheid en duurzaamheid in mening, en voorzien uw klanten van de uiteindelijke middelen voor meetiong alle huidige en toekomstige behoeften.

Opscheppend de langste geschiedenis in de industrie AFM, wordt de uitvoerige portefeuille van de Systemen van het Park van producten, software, de diensten en deskundigheid aangepast slechts door onze verplichting aan onze klanten.

Inleiding

Deze toepassingsnota stelt de grondbeginselen, de instrumentatie en de potentiële toepassingen van de piezoelectric krachtmicroscopie (PFM) voor, een nieuwe de microscopiewijze van de aftastensonde die het piezoelectric effect van materialen gebruikt om contrast te produceren. Diverse onderwerpen betrokken bij het verbeteren van beeldkwaliteit en resolutie, het elimineren van artefacten en het halen van informatie uit het geproduceerde beeld worden besproken. Ook, hebben wij een korte inleiding van de de spectroscopiewijze omvat die kwantitatief analyses van de piezoelectric reactie van materialen onder toegepast voltage toestaat.

Basis Principes van PFM

Van de eerste dag wordt de microscopie van de aftastensonde geïntroduceerd aan de eigentijdse onderzoekgrens, zijn de nieuwe wijzen en de toepassingen met een ongekende snelheid te voorschijn gekomen, die dit veelzijdige hulpmiddel toestaat om steeds grotere aspecten van lokale materiële eigenschappen bij nanometerschaal te onderzoeken. Piezoelectric Microscopie van de Kracht (PFM) is één van dergelijke nieuwe wijzen die stijgende erkenning hoewel recente jaren voor de unieke informatie het op de elektromechanische piezoelectric koppelingskenmerken van diverse ferroelectric kan aanbieden, polymeer en biologische materialen heeft bereikt.

In verrichting PFM, wordt een geleidend uiteinde AFM gebracht in contact met de oppervlakte van de bestudeerde ferroelectric of piezoelectric materialen, en een vooraf ingesteld voltage wordt toegepast tussen de steekproefoppervlakte en het uiteinde AFM die, een extern elektrisch gebied vestigen binnen de steekproef. wegens electrostriction, of „inversed piezoelectric“ gevolgen van dergelijke ferroelectric of piezoelectric materialen, zou de steekproef zich plaatselijk uitbreiden of zou volgens het elektrische veld aangaan. Bijvoorbeeld, als de aanvankelijke polarisatie van het elektrodomein van de gemeten steekproef aan de steekproefoppervlakte, en parallel aan het toegepaste elektrische gebied loodrecht is, zouden de domeinen een verticale uitbreiding ervaren. Aangezien het uiteinde AFM in contact met de steekproefoppervlakte is, zou dergelijke domeinuitbreiding de cantilever AFM naar omhoog buigen, en resulteert in een verhoogde afbuiging in vergelijking met de status alvorens het elektrische veld toe te passen. Omgekeerd, als de aanvankelijke domeinpolarisatie aan het toegepaste elektrische gebied anti-parallel is, zou het domein aangaan en zou beurtelings in een verminderde cantileverafbuiging resulteren (Figuur 1). De hoeveelheid verandering van de cantileverafbuiging, in dergelijke situatie, is direct verwant met de hoeveelheid uitbreiding of samentrekking van de steekproef elektrische domeinen, en vandaar evenredig aan het toegepaste elektrische gebied.

Figuur 1. De afbuigingsverandering van de Cantilever

Als het toegepaste voltage een kleine AC component bevat, inversed piezoelectric reactie van de steekproef zou resulteren in de schommeling van de steekproefoppervlakte in de zelfde frequentie zoals het toegepaste AC voltage. In het geval dat de steekproef een ideaal piezoelectric kristal is, zijn polarisatie op toegepaste mechanische spanning door de volgende vergelijking worden betrekking gehad:

Pi = dsijkjk

waarin Dijk peizoelectric strekspier weelderig-3 van het materiaal is. Voor dergelijke materialen met tetragonale kristalstructuren, kan deze piezoelectric strekspier tot de volgende vorm worden verminderd:

+

waarbij, onder toegepast AC modulatievoltage V = Vcos0 (ωt), de trilling van de steekproefoppervlakte de vorm ΔZ = ΔZcos (0ωt + φ), met de trillingsomvang ΔZ =0 dV,330 en fase F = 0 zou nemen als de polarisatie van het steekproefdomein georiënteerde parallel aan het toegepaste elektrische gebied, en uit φ = 180° is als het anti-parallel aan het toegepaste elektrische gebied georiënteerd is (Figuur 2). Dergelijke schommeling zou direct weerspiegeld worden in het omvang en fasesignaal van de sonde AFM contacterend de oppervlakte, en kan worden voorgelezen slot-binnen gebruikend een versterker.

Figuur 2. De omvang van de Trilling voor parallelle en anti-parallel richtlijn van polarisatie

In typische weergave PFM, wordt het toegepaste AC voltage geplaatst om veel lager te zijn dan dwangbias voor de omschakeling van het steekproefdomein, om afwisseling van de lokale domeinstructuur van de bestudeerde steekproef te vermijden. Als dergelijk criterium wordt voldaan dat, zou het fasecontrast in weergave PFM wordt geproduceerd op de domeinpolariteit in verschillende steekproefplaatsen, terwijl van de omvang van omvangsignaal de lokale piezoelectric coëfficiënt van de steekproef kan worden gehaald, zoals besproken in de vroegere paragraaf wijzen. Figuur 3 toont zulk een voorbeeld van dergelijke die omvang PFM en fasebeelden op pzt-5H steekproef worden verkregen. Zoals in het omcirkelde gedeelte 180° kan worden waargenomen, contrast is faseren duidelijk in twee aangrenzende domeinen in PFM fasebeeld, en de domeinmuur tussen hen kan met verminderde omvang in PFM omvangbeeld worden waargenomen. Kan Ook worden opgemerkt is dat de zowel stijgende als benedenwaartse georiënteerde domeinen PFM omvangsignaal met gelijkaardige omvang heeft veroorzaakt, is wijzen van het op materiële bezit vrij homogeen in de bestudeerde steekproef.

Figuur 3. Omvang PFM en fasebeelden op pzt-5H steekproef worden verkregen die

Voor de ingewikkeldere richtlijn van het steekproefdomein niet alleen componentenloodlijn bevatten aan de oppervlakte in contact met het uiteinde AFM, maar ook componenten die langs verschillende richtingen binnen het oppervlaktevliegtuig, kan vectorPFM met één verticale en twee zijkanalen volledigere informatie verstrekken. Bijvoorbeeld, om de Dcomponent15 van de piezoelectric strekspier in tetragonale piezoelectric kristallen te verkrijgen, moeten wij zijcomponenten van AFM uiteindetrilling meten evenredig aan de in-vlakke verplaatsing van de steekproefoppervlakte (Figuur 4), die de vorm zou nemen de vorm ΔL = ΔLcos (0ωt + φ), met de trillingsomvang ΔL =0 dV Bericht150 als bias van GELIJKSTROOM wordt toegepast tussen het uiteinde en de steekproef samen met het AC voltage nemen, zowel zijn het in-vliegtuig als de uit-van-vlakke elektromechanische reactie van de steekproef ook functies van dit toegepaste voltage van GELIJKSTROOM.

Figuur 4. Verticale en zijomvang PFM en fasebeelden

In de meeste echte gevallen, bevat de bestudeerde steekproef willekeurig-georiënteerde polycrystalline korrelstructuur, vaak met non-zero zijcomponenten in zijn piezoelectric strekspier. In dit geval, is het ontdekte verticale signaal PFM niet meer slechts evenredig, maar ook afhankelijk aan33 D van D31 en D15 componenten. B.v., zou de verticale omvang PFM niet meer ΔZ = dV0 in plaats daarvan zijn330 , zou het de vorm nemen

ΔZ0 = dVZZ0 = [(D31 + D15) sinθcosθ2 + dcosθ332] V0

waarin θ deel van de lokale richtlijnkaart (θ, φ, ψ) tussen het laboratorium gecoördineerde systeem en het kristal gecoördineerde systeem van de steekproef uitmaakt. Niettemin, als zowel de verticaal als twee zijcomponenten van PFM signaleren op de steekproefplaats worden verkregen, of de intrinsieke steekproef piezoelectric constanten Dij of de lokale richtlijnkaart (θ, φ, ψ) kunnen uit dergelijke gegevens worden gehaald. In een woord, heeft 3D PFM de mogelijkheid van een volledige 3D wederopbouw van de polarisatievector van de bestudeerde steekproef bij nanometerschaal geopend.

De Gemeenschappelijke toepassing van PFM omvat lokale karakterisering van elektromechanische eigenschappen van materialen, met inbegrip van gedetailleerde domeinafbeelding en studie van de dynamica van de domeinomschakeling; het testen van micro en nano-elektromechanische apparaten (b.v., piezoelectric actuators, omvormers, en MEMS), elektro-optische apparaten en niet-vluchtig geheugencomponenten (d.w.z., apparaten FERAM die), hun betrouwbaarheidskwesties zoals elektromechanische afdruk, moeheid en diëlektrische opsplitsing behandelen; onderzoekend het lokale en globale verband tussen polariteit en andere materiële eigenschappen op nieuw polymeer en bio-gebouwde die materialen op gedetailleerde nanoscale structurele en elektrokarakterisering van dergelijke materialen, enz. wordt gebaseerd.

Optimalisering van Signaal PFM

In de echte wereld, bevat het gemeten signaal PFM vaak extra bijdragen van zowel lokale als verdeelde elektrostatische kracht naast de lokale elektromechanische reactie van de steekproef, d.w.z., A = A +em A +es A.A,nl deem elektromechanische reactie van de steekproef, is de echte termijn die van de lokale domeinstructuur van de steekproef, terwijl A, de lokalees elektrostatische kracht bij de uiteinde-oppervlakte verbinding werken en A die, de elektrostatischenl reactie van de cantilever uit het gebied tussen de cantilever zelf en de steekproefoppervlakte voortvloeiden, zoals gezien in Figuur 5, is distractive termijnen een weerspiegeling vormt die moet worden geminimaliseerd om weergaveartefacten te vermijden.

Figuur 5. Lokaal Contrast Piezoresponse

Nochtans, door cantilever voor steekproeven met verschillende omvang van elektromechanische reactie zorgvuldig te kiezen, kan de bijdrage van de elektrostatische termijnen worden geminimaliseerd. Sinds het totale signaal PFM Z = (Deff + LweΔV0/48kh2) die VAC waarin Deff de efficiënte piezoelectric constante langs de richting van de meting is, L, w en k zijn de lengte, breedte en de lente de constant van de cantilever voor de meting wordt gebruikt, is h de hoogte van het uiteinde AFM, zijn0 ε en ΔV de diëlektrische constante van de lucht en het gemiddelde die voltage tussen het uiteinde en de steekproef wordt toegepast, respectievelijk, om het percentage van de echte elektromechanische bijdrage tot dit signaal te verhogen, zouden wij een cantilever moeten kiezen die stijf genoeg k >>eff k = LweΔV/048dh)eff2 is om de tweede termijn in te verminderen vergelijking hierboven.

Aangezien PFM een op contact-gebaseerde weergavetechniek is, kon het gebruiken van zeer stijve cantilevers onomkeerbare steekproefschade op zachtere materialen, of steekproeven binnen veroorzaken die niet stevig in bijlage die aan de substraatoppervlakte zijn, zoals nanowire steekproeven ZnO los op het wafeltjeoppervlakte van Si worden verspreid. In dergelijke situaties, kon het kiezen van een cantilever met korte en smalle meetkunde ook helpen om de bijdrage van de elektrostatische termijn te verminderen. Bovendien zou het verkrijgen van beeld PFM bij nul bias GELIJKSTROOM zeer bijdrage van de elektrostatische lokaal als niet lokale termijn verminderen, zowel.

Tot Slot zouden de elektrostatische componenten die tot het signaal bijdragen PFM met verhoogde frequentie van het toegepaste AC voltage verminderen, en de niet lokale componenten vermindert vooral snel. Ook, zou de weergave bij hogere frequenties over het algemeen in cantilever het verstevigen resulteren, die het contact tussen uiteinde en steekproefoppervlakte verbetert. Vandaar, bevat de beelden PFM bij hogere frequentie worden verkregen over het algemeen minder bijdrage van de elektrostatische termijnen, en stelt een beter signaal aan lawaaiverhouding die tentoon. Het Optimale verticale signaal PFM kan in frequenties rond de orde van Mhz worden verkregen, terwijl het zijsignaal PFM gewoonlijk optimaal bij frequenties tussen kHz 10 en 100 is, afhankelijk van allebei de gebruikte sonde AFM en de imaged steekproef. Nochtans, zet verhoging van de frequentie voort want het toegepaste AC voltage uiteindelijk de hogere die grens raken zou door de bandbreedte van de fotodetector en de slot-binnen versterker wordt geplaatst. Bij uiterst hoge frequenties, zou geen signaal transuded wegens de drastisch verhoogde stijfheid van de cantilever zijn.

Wanneer een aangewezen cantilever voor de bestudeerde steekproef wordt gekozen, contacteer resonantieeffect kan worden gebruikt om de bijdrage van de eletromechanical component, A te verhogenem, en verbeteren de kwaliteit van weergave PFM. In de praktijk, na het brengen van dat het uiteinde AFM in contact met de steekproefoppervlakte worden bestudeerd op wijze die PFM, zou een frequentiebereik voor het AC voltage kunnen worden uitgevoerd tussen het uiteinde en de steekproef wordt toegepast, en de omvang/fase versus frequentiegedrag kan worden geregistreerd (Figuur 6). De resonerende die piek in de omvang versus frequentiegrafiek wordt getoond wordt bepaald door de mechanische eigenschappen van de cantilever, de intrinsieke electromchanical eigenschappen van de steekproef, en de stijfheid van het uiteinde-steekproef contact. Als het AC voltage op het uiteinde wordt toegepast in de buurt van dergelijke resonerende frequentie in werking wordt gesteld, de hoogte - de kwaliteitsfactor van de resonerende piek zou zeer de signal-to-noise verhouding in waargenomen omvang PFM en fasesignaal verhogen (Figuur 7 die: vanaf resonantie, 17kHz, laag signaal versus dichtbijgelegen resonantie, 377kHz, hoog signaal).

Figuur 6. Resonerende piek in omvang versus frequentiegrafiek

Figuur 7. Signal-to-noise verhouding in waargenomen omvang PFM en fasesignaal

Extra cautions do need om worden genomen om de sterke overspraak tussen topografische en elektromechanische signalen te vermijden wanneer het gebruiken van resonantieverhoging om PFM beeldkwaliteit te verhogen, aangezien de frequentie van dergelijke contactresonantie door de uiteinde-steekproef contactstijfheid wordt beïnvloed, die beurtelings door het contactgebied tussen het uiteinde en de steekproef wordt beïnvloed (Figuur 8). Bijvoorbeeld, wanneer het uiteinde in contact met a concaved gebied van steekproefoppervlakte is, zou de uiteinde-steekproef contactstijfheid het vergelijken bij het geval verhogen wanneer het uiteinde in contact met een vlak gebied van steekproefoppervlakte is. Dit zou beurtelings de contact resonerende frequentie opheffen. Als het AC voltage op het uiteinde wordt toegepast bij de nauwkeurige gemeten contact resonerende frequentie wordt bevestigd wanneer het uiteinde in contact met het vlakke gebied is, zou een grote daling in de waargenomen omvang PFM voorkomen aangezien de nieuwe contactresonantie niet meer bij deze specifieke frequentie die voorkomt.

Figuur 8. Resonantie door het contactgebied wordt beïnvloed tussen het uiteinde en de steekproef die

Om deze instabiliteit te minimaliseren en grotendeels de overspraak tussen topografisch en kanalen PFM van signaal te elimineren, wordt de frequentie van het AC drijfsignaal het best verkozen in de buurt van de resonantie, maar niet precies bij de resonerende piek (Figuur 9).

Figuur 9. Resonerend: 360kHz, overspraak van signaal topo-PFM in omvangweergave; dichtbij resonantie: 377kHz, goede signaalkwaliteit en bijna geen overspraak

Wanneer het proberen om contactresonantie voor PFM signaalverhoging te gebruiken, wegens het elektrostatische effect, kunnen de zachtere cantilevers veelvoudige pieken in de grafiek van het frequentiebereik tonen (Figuur 10), en niet zouden alle pieken stabiel signaal PFM produceren. Als dergelijke zachte cantilever voor de specifieke die te bestuderen steekproef (b.v., kan de draad ZnO op het substraat van Si wordt verspreid met afgetast op wijze worden gekrast of worden losgemaakt PFM gebruikend zeer stijve cantilevers) nodig is, kan elk van de voorgestelde pieken individueel worden getest tot die verstrekt duidelijk, stabiel signaal PFM wordt gevonden. In de meeste gevallen, herhaal het frequentiebereik een paar tijden kunnen helpen de spectrums stabiliseren en om het even welke niet intrinsieke pieken elimineren.

Figuur 10. Pieken in de grafiek van het frequentiebereik

Bron: De Systemen van het Park

Voor meer informatie over deze bron te bezoeken gelieve de Systemen van het Park

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

Last Update: 20. September 2013 06:22

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit