Microscopia Piezoeléctrica da Força - Os Princípios, a Instrumentação e as Aplicações da Microscopia Piezoeléctrica da Força por Sistemas do Parque

Assuntos Cobertos

Sobre Sistemas do Parque
Introdução
Princípios Básicos de PFM
Optimização do Sinal de PFM

Sobre Sistemas do Parque

Os Sistemas do Parque são o líder Atômico da tecnologia (AFM) do Microscópio da Força, fornecendo os produtos que endereçam as exigências de toda a pesquisa e aplicações industriais do nanoscale. Com um projecto original do varredor que permita a imagem lactente Verdadeira do Não-Contacto em ambientes do líquido e de ar, todos os sistemas são inteiramente - compatíveis com uma lista longa de opções inovativas e poderosas. Todos Os sistemas são fácil--uso, precisão e durabilidade projetados na mente, e fornecem seus clientes os recursos finais para o meetiong todas as necessidades presentes e futuras.

Vangloriando-se da história a mais longa na indústria do AFM, a carteira detalhada dos Sistemas do Parque dos produtos, o software, os serviços e a experiência são combinados somente por nosso comprometimento a nossos clientes.

Introdução

Esta nota de aplicação apresenta os princípios, a instrumentação e as aplicações do potencial da microscopia piezoeléctrica da força (PFM), um modo novo da microscopia da ponta de prova da exploração que utilize o efeito piezoeléctrico dos materiais para gerar o contraste. Os Vários assuntos envolvidos em melhorar a qualidade e a definição da imagem, em eliminar produtos manufacturados e em extrair a informação da imagem gerada são discutidos. Também, nós incluímos uma breve introdução do modo da espectroscopia que permite quantitativa análises da resposta piezoeléctrica dos materiais sob tensão aplicada.

Princípios Básicos de PFM

Da primeira ponta de prova da exploração do dia a microscopia é introduzida à fronteira contemporânea da pesquisa, modos novos e as aplicações emergiram com velocidade inaudita, permitindo que esta ferramenta versátil olhe em aspectos crescentes de propriedades materiais locais na escala do nanômetro. A Microscopia Piezoeléctrica da Força (PFM) é um de tais modos novos que ganhou anos recentes crescentes do reconhecimento embora para a informação que original pode oferecer nas características electromecânicas do acoplamento de vário ferroelectric, piezoeléctrico, o polímero e materiais biológicos.

Na operação de PFM, uma ponta condutora do AFM é trazida no contacto com a superfície dos materiais ferroelectric ou piezoeléctricos estudados, e uma tensão pré-ajustada é aplicada entre a superfície da amostra e a ponta do AFM, estabelecendo um campo elétrico externo dentro da amostra. Devido ao electrostriction, ou “inversed” efeitos piezoeléctricos de tal ferroelectric ou os materiais piezoeléctricos, a amostra localmente expandiriam ou contratariam de acordo com o campo elétrico. Por exemplo, se a polarização inicial do domínio elétrico da amostra medida é perpendicular à superfície da amostra, e paralela ao campo elétrico aplicado, os domínios experimentariam uma expansão vertical. Desde Que a ponta do AFM é em contacto com a superfície da amostra, tal expansão do domínio dobraria o modilhão do AFM para cima, e o resultado em uma deflexão aumentada comparada ao estado antes de aplicar o campo elétrico. Inversamente, se a polarização inicial do domínio é antiparalela ao campo elétrico aplicado, o domínio contrataria e por sua vez conduziria a uma deflexão diminuída do modilhão (Figura 1). A quantidade de mudança de deflexão do modilhão, em tal situação, é relacionada directamente à quantidade de expansão ou à contracção dos domínios elétricos da amostra, e daqui proporcional ao campo elétrico aplicado.

Figura 1. mudança de deflexão do Modilhão

Se a tensão aplicada contem um componente de C.A. pequeno, a resposta piezoeléctrica inversed da amostra conduziria à oscilação da superfície da amostra na mesma freqüência que a tensão AC Aplicada. No caso em que a amostra fosse um cristal piezoeléctrico ideal, sua polarização estaria relacionada a esforço mecânico aplicado pela seguinte equação:

Pi = dsijkjk

em que dijk é o tensor rank-3 peizoelectric do material. Para tais materiais com estruturas de cristal tetragonal, este tensor piezoeléctrico pode ser reduzido ao seguinte formulário:

+

neste caso, sob a tensão aplicada V da modulação da C.A. = Vcos0 (ωt), a vibração de superfície da amostra tomaria o formulário ΔZ = ΔZcos0 (ωt + φ), com a amplitude da vibração ΔZ0 = dV330, e a fase f = 0 se a polarização do domínio da amostra está paralela orientado ao campo elétrico aplicado, e fora do φ = do 180° se é antiparalela orientado ao campo elétrico aplicado (Figura 2). Tal oscilação seria reflectida directamente no sinal da amplitude e da fase da ponta de prova do AFM que contacta a superfície, e pode ser lida para fora usando a fechamento-no amplificador.

Figura 2. amplitude da Vibração para a orientação paralela e antiparalela da polarização

Na imagem lactente típica de PFM, a tensão AC Aplicada é ajustada para ser muito mais baixa do que a polarização coercitiva para o interruptor do domínio da amostra, para evitar a alternação da estrutura de domínio local da amostra estudada. Se tal critério é encontrado, o contraste da fase gerado na imagem lactente de PFM reflectiria a polaridade do domínio em lugar diferentes da amostra, quando do valor do coeficiente piezoeléctrico local do sinal da amplitude da amostra puder ser extraído, como discutido no parágrafo anterior. Figura 3 mostras tal exemplo de tais imagens da amplitude e da fase de PFM obtidas na amostra de PZT-5H. Como pode ser observado na parcela circundada 180°, o contraste da fase é evidente em dois domínios adjacentes na imagem da fase de PFM, e a parede de domínio entre eles pode ser observada com amplitude reduzida na imagem da amplitude de PFM. Igualmente pode ser observado é que o ambos os domínios orientados ascendentes e descendentes induziram o sinal da amplitude de PFM com o valor similar, indicando que a propriedade material é relativamente homogénea na amostra estudada.

Figura 3. imagens da amplitude e da fase de PFM obtidas na amostra de PZT-5H

Para uma orientação mais complicada do domínio da amostra conter não somente os componentes perpendiculares à superfície em contacto com a ponta do AFM, mas igualmente os componentes ao longo dos sentidos diferentes dentro do plano de superfície, vector PFM com um canais vertical e dois lateral pode fornecer uma informação mais completa. Por exemplo, para obter o componente15 de d do tensor piezoeléctrico em cristais piezoeléctricos tetragonal, nós precisamos de medir componentes laterais da vibração da ponta do AFM proporcional ao deslocamento da superfície da amostra do em-plano (Figura 4), que tomaria o formulário tomaria o formulário ΔL = ΔLcos0 (ωt + φ), com a amplitude da vibração ΔL0 = Observação150 do dV se uma polarização da C.C. é aplicada entre a ponta e a amostra conjuntamente com a tensão AC, O em-plano e resposta electromecânica do para fora--plano da amostra é igualmente funções desta tensão de C.C. aplicada.

Figura imagens Verticais e laterais de 4. de PFM da amplitude e da fase

Em a maioria dos casos reais, a amostra estudada contem a estrutura de grão policristalina aleatório-orientada, frequentemente com componentes laterais diferente de zero em seu tensor piezoeléctrico. Neste caso, o sinal vertical detectado de PFM é já não somente proporcional a d33, mas igualmente a dependente no d31 e em componentes15 de d. Por Exemplo, a amplitude vertical de PFM já não seria ΔZ =0 dV pelo contrário330 , ele tomaria o formulário

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

em que θ é parte do mapa local da orientação (θ, φ, ψ) entre o sistema coordenado do laboratório e o sistema coordenado de cristal da amostra. Não Obstante, se o vertical e dois componentes laterais do sinal de PFM são obtidos no lugar da amostra, as constantes piezoeléctricas d da amostra intrínsecaij ou o mapa local da orientação (θ, φ, ψ) podem ser extraídos de tais dados. Em uma palavra, 3D PFM abriu a possibilidade de uma reconstrução 3D completa do vector da polarização da amostra estudada na escala do nanômetro.

A aplicação Comum de PFM inclui a caracterização local de propriedades electromecânicas dos materiais, incluindo traço do domínio e estudo detalhados da dinâmica do interruptor do domínio; teste dos micro e dispositivos nano-electromecânicos (por exemplo, actuadores, transdutores, e MEMS piezoeléctricos), de dispositivos electro-ópticos e de componentes de memória permanente (isto é, dispositivos de FERAM), endereçando suas edições de confiança tais como a impressão electromecânica, fadiga e a divisão dieléctrica; explorando o relacionamento local e global entre a polaridade e outras propriedades materiais no polímero novo e os materiais bio-projetados baseados em caracterização estrutural e elétrica detalhada do nanoscale de tais materiais, Etc.

Optimização do Sinal de PFM

No mundo real, o sinal medido de PFM contem frequentemente contribuições adicionais de local e a força electrostática distribuída além do que a resposta electromecânica local da amostra, isto é, A = A +em A +es A.A,nlem a resposta electromecânica da amostra, é o termo real que reflecte a estrutura de domínio local da amostra, quando A,es a força electrostática local que se operam na junção da ponta-superfície e A,nl a resposta electrostática do modilhão resultaram do campo entre o modilhão próprio e a superfície da amostra, como visto em Figura 5, é os termos distractive que necessidades de ser minimizado para evitar produtos manufacturados da imagem lactente.

Figura 5. Contraste de Piezoresponse do Local

Contudo, com cuidado escolhendo o modilhão para amostras com valor diferente da resposta electromecânica, a contribuição dos termos electrostáticos pode ser minimizada. Desde Que o sinal total de PFM Z = (deff + LweΔV0/48kh2) VAC em que deff é a constante piezoeléctrica eficaz ao longo do sentido da medida, L, w e k está a um comprimento, a largura e salta a constante do modilhão usado para a medida, h está a uma altura da ponta do AFM, ε0 e ΔV são a constante dieléctrica do ar e a tensão média aplicada entre a ponta e a amostra, respectivamente, para aumentar a porcentagem da contribuição electromecânica real para este sinal, nós devemos escolher um modilhão que seja duro bastante keff >> k = LweΔV0/48dheff2) para diminuir dentro o segundo termo a equação acima.

Desde Que PFM é uma técnica de imagem lactente contacto-baseada, usar modilhões muito duros poderia induzir dano irreversível da amostra dentro em uns materiais mais macios, ou as amostras que não são anexadas firme à superfície da carcaça, tal como as amostras do nanowire de ZnO dispersadas frouxamente na superfície da bolacha do Si. Em tais situações, escolher um modilhão com geometria curto e estreita podia igualmente ajudar a reduzir a contribuição do termo electrostático. Além, obter a imagem de PFM na polarização zero da C.C. reduziria extremamente a contribuição do termo electrostático, local e não-local.

Finalmente, os componentes electrostáticos que contribuem ao sinal de PFM diminuiriam com freqüência aumentada da tensão AC Aplicada, e os componentes não-locais diminuem especialmente rapidamente. Também, a imagem lactente em umas freqüências mais altas conduziria geralmente ao modilhão que endurece-se, que melhora o contacto entre a ponta e a superfície da amostra. Daqui, as imagens de PFM obtidas em uma freqüência mais alta contêm geralmente menos contribuição dos termos electrostáticos, e exibem um sinal melhor à relação de ruído. O sinal O Melhor do vertical PFM pode ser obtido nas freqüências em torno do pedido do Megahertz, quando o sinal lateral de PFM for geralmente óptimo em freqüências entre 10 e 100 quilohertz, segundo ambos a ponta de prova do AFM usada e a amostra imaged. Contudo, continue o aumento da freqüência para a tensão AC Aplicada bateria eventualmente o grupo de limite superior pela largura de faixa do fotodetector e fechamento-no amplificador. Extremamente em altas freqüências, nenhum sinal seria transuded devido à rigidez dràstica aumentada do modilhão.

Quando um modilhão apropriado é escolhido para a amostra estudada, contacte o efeito de ressonância pode ser utilizado para aumentar a contribuição do componente eletromechanical, Aem, e melhoram a qualidade da imagem lactente de PFM. Na prática, após ter trazido a ponta do AFM em contacto com a superfície da amostra ser estudado no modo de PFM, uma varredura de freqüência poderia ser executada para a tensão AC Aplicada entre a ponta e a amostra, e a amplitude/fase contra o comportamento da freqüência pode ser gravada (Figura 6). O pico ressonante mostrado na amplitude contra a carta da freqüência é definido pelas propriedades mecânicas do modilhão, pelas propriedades electromchanical intrínsecas da amostra, e pela rigidez do contacto da ponta-amostra. Se a tensão AC Aplicada à ponta é operada à proximidade de tal freqüência ressonante, o factor de alta qualidade do pico ressonante aumentaria extremamente a relação de relação sinal-ruído na amplitude de PFM e no sinal observados da fase (Figura 7: longe da ressonância, 17kHz, baixo sinal contra a ressonância próxima, 377kHz, sinal alto).

Figura 6. pico Ressonante na amplitude contra a carta da freqüência

Figura 7. relação De relação sinal-ruído na amplitude de PFM e no sinal observados da fase

Os cuidados Extra precisam de ser tomados para evitar a interferência forte entre sinais topográficos e electromecânicos ao usar o realce da ressonância aumentar a qualidade da imagem de PFM, desde que a freqüência de tal ressonância do contacto é afectada pela rigidez do contacto da ponta-amostra, que por sua vez é afectada pela área de contacto entre a ponta e a amostra (Figura 8). Por exemplo, quando a ponta é em contacto com uma área concaved da superfície da amostra, a rigidez do contacto da ponta-amostra aumentaria a comparação ao caso quando a ponta é em contacto com uma área lisa da superfície da amostra. Isto levantaria por sua vez a freqüência ressonante do contacto. Se a tensão AC Aplicada à ponta é fixa na freqüência ressonante do contacto exacto medida quando a ponta é em contacto com a área lisa, uma grande gota na amplitude observada de PFM ocorreria desde que a ressonância nova do contacto já não ocorre nesta freqüência específica.

Figura 8. Ressonância afetada pela área de contacto entre a ponta e a amostra

Para minimizar esta instabilidade e eliminar pela maior parte a interferência entre os canais topográficos e de PFM de sinal, a freqüência do sinal de condução da C.A. é escolhida melhor à proximidade da ressonância, mas não exactamente no pico ressonante (Figura 9).

Figura 9. Ressonante: 360kHz, interferência do sinal topo-PFM na imagem lactente da amplitude; perto da ressonância: 377kHz, boa qualidade de sinal e quase nenhuma interferência

Ao tentar usar a ressonância do contacto para o realce do sinal de PFM, devido ao efeito electrostático, uns modilhões mais macios podem mostrar picos múltiplos na carta da varredura de freqüência (Figura 10), e não todos os picos gerariam o sinal estável de PFM. Se tal modilhão macio é necessário para que a amostra específica esteja estudada (por exemplo, o fio de ZnO dispersado na carcaça do Si pode ser riscado ou mesmo destacado com feito a varredura no modo de PFM usando modilhões muito duros), cada um dos picos apresentados pode ser testado individualmente até esse que fornece claramente, sinal estável de PFM está encontrado. Na maioria dos casos, repita a varredura que de freqüência um par vezes podem ajudar a estabilizar os espectros e a eliminar todos os picos não-intrínsecos.

Figura 10. Repica na carta da varredura de freqüência

Source: Sistemas do Parque

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor Sistemas do Parque

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

Last Update: 20. September 2013 06:27

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