Пьезоэлектрическая Микроскопия Усилия - Основы, Измерительное Оборудование и Применения Пьезоэлектрической Микроскопии Усилия Системами Парка

Покрытые Темы

О Системах Парка
Введение
Основные Принципы PFM
Оптимизирование Сигнала PFM

О Системах Парка

Системы Парка Атомный руководитель технологии (AFM) Микроскопа Усилия, обеспечивая продукты которые адресуют требования всех исследования и промышленных применений nanoscale. С уникально конструкцией блока развертки которая позволяет для Истинного Внеконтактного воображения в окружающих средах жидкости и воздуха, все системы полно - совместимы с длинномерным списком новаторских и мощных вариантов. Все системы конструированные легк--польза, точность и стойкость в разуме, и обеспечивают ваших клиентов с типичными ресурсами для meetiong все потребности настоящего момента и будущего.

Похваляющся самая длинняя история в индустрии AFM, портфолио Систем Парка всестороннее продуктов, ПО, обслуживания и экспертиза соответствуются только нашим принятием окончательного решения к нашим клиентам.

Введение

Это на примечание по применению представлено основы, измерительное оборудование и применения потенциала пьезоэлектрической микроскопии усилия (PFM), нового режима микроскопии зонда скеннирования который использует пьезоэлектрическое влияние материалов для того чтобы произвести контраст. Различные темы, котор включили в улучшать качество и разрешение изображения, исключать артефакты и извлекать информацию от произведенного изображения обсужены. Также, мы включали кратко введение режима спектроскопии который позволяет количественно анализам пьезоэлектрической реакции материалов под подводимым напряжением.

Основные Принципы PFM

От первого зонда скеннирования дня микроскопия введена к современной границе исследования, новым режимам и применения вытекали с беспрецедентный скоростью, позволяющ этому разностороннему инструменту посмотреть в everincreasing аспекты местных материальных свойств на маштабе нанометра. Пьезоэлектрическая Микроскопия Усилия (PFM) один из таких романных режимов который приобрело увеличивая леты опознавания однако недавние для уникально информации он может предложить на электро-механических характеристиках соединения различное ferroelectric, пьезоэлектрическо, полимера и биологических материалов.

В деятельности PFM, проводная подсказка AFM коснута друг друга с поверхностью изученных ferroelectric или пьезоэлектрических материалов, и заранее поставленное напряжение тока прикладной между поверхностью образца и подсказкой AFM, устанавливая внешнее электрическое поле внутри образец. Должно к electrostriction, или «inversed пьезоэлектрические» влияния такое ferroelectric или пьезоэлектрические материалы, образец по месту расширили бы или заключили бы контракт согласно электрическому полю. Например, если начальная поляризация электрического домена измеренного образца перпендикулярна к поверхности образца, и параллель к прикладной электрическому полю, домены испытали бы вертикальное расширение. В Виду Того Что подсказка AFM в контакте с поверхностью образца, такое расширение домена согнуло бы cantilever AFM вверх, и результат в увеличенном отклонении сравненном к состоянию перед прикладывать электрическое поле. Наоборот, если начальная поляризация домена анти--параллельна к прикладной электрическому полю, то домен заключил бы контракт и в свою очередь привел бы к в уменьшенном консольном отклонении (Диаграмме 1). Количество консольного изменения отклонения, в такой ситуации, сразу отнесено к количеству расширения или сужению доменов образца электрических, и следовательно пропорционально к прикладной электрическому полю.

Диаграмма 1. Консольное изменение отклонения

Если подводимое напряжение содержит малый компонент AC, то inversed пьезоэлектрическая реакция от образца привела бы к в колебании поверхности образца в такой же частоте как прикладное напряжение тока AC. В случае что образец идеально пьезоэлектрический кристалл, своя поляризация была бы отнесена к прикладной механически усилию следующим уровнением:

Pi = dsijkjk

в который dijk peizoelectric тензор rank-3 материала. Для таких материалов с тетрагональными кристаллическими структурами, этот пьезоэлектрический тензор можно уменьшить к следующей форме:

+

в который случай, под прикладной напряжением тока V модуляции AC = Vcos0 (ωt), поверхностное колебание образца приняло бы форму ΔZ = ΔZcos0 (ωt + φ), с амплитудой вибрации ΔZ0 = dV330, и участок f = 0 если поляризация домена образца ориентированные параллельные к прикладной электрическому полю, то, и из φ = 180° если она ориентированные анти--параллельные к прикладной электрическому полю, то (Диаграмме 2). Такое колебание сразу было бы отражено в сигнале амплитуды и участка зонда AFM контактируя поверхность, и может быть прочитано вне используя a замк-в усилителе.

Диаграмма 2. амплитуда Вибрации для параллельной и анти--параллельной ориентации поляризации

В типичном воображении PFM, прикладное напряжение тока AC установлено для того чтобы быть гораздо низкее чем коэрцитивное смещение для переключения домена образца, во избежание перемежение местной дискретной структуры промежуточного состояния изученного образца. Если такой критерий встрещен, то контраст участка произведенный в воображении PFM отразил бы полярность домена в различных положениях образца, пока от величины коэффициента сигнала амплитуды местного пьезоэлектрического образца смогите быть извлечено, как обсуждено в бывшим параграфом. Диаграмма 3 выставки такой пример таких полученных изображений амплитуды и участка PFM на образце PZT-5H. Как смогите наблюдаться в объезжанной части 180°, контраст участка очевидн в 2 смежных доменах в изображении участка PFM, и границами доменов между ими можно наблюдать с уменьшенной амплитудой в изображении амплитуды PFM. Также смогите быть замечено что оба вверх и вни ориентированных домена наводили сигнал амплитуды PFM при подобная величина, показывая материальное свойство относительно однородно в изученном образце.

Диаграмма 3. полученные изображения амплитуды и участка PFM на образце PZT-5H

Для более осложненной ориентации домена образца содержать не только компоненты перпендикулярные к поверхности в контакте с подсказкой AFM, но также компоненты вдоль различных направлений внутри поверхностная плоскость, вектор PFM с одним вертикальным и 2 боковым каналами может обеспечить полную информацию. Например, для того чтобы получить компонент15 d пьезоэлектрического тензора в тетрагональных пьезоэлектрических кристаллах, нам нужно измерить боковые компоненты вибрации подсказки AFM пропорциональной к смещению поверхности образца в-плоскости (Диаграмма 4), которая приняла бы форму приняла бы форму ΔL = ΔLcos0 (ωt + φ), с амплитудой вибрации ΔL0 = Извещение О150 dV если смещение DC прикладной между подсказкой и образцом совместно с напряжением тока AC, и в-плоскость и реакция вне--плоскости электро-механическая образца, то также функции этого прикладного напряжения тока DC.

Диаграмма изображения 4. Вертикальные и боковые PFM амплитуды и участка

В большом части из реальных случаев, изученный образец содержит случайн-ориентированную поликристаллическую зернистую структуру, часто с безнулевыми боковыми компонентами в своем пьезоэлектрическом тензоре. В этот случай, обнаруженный вертикальный сигнал PFM больше не только пропорциональн к d33, а также иждивенцу на d31 и компонентах15 d. Например, вертикальная амплитуда PFM больше не не была бы ΔZ =0 dV вместо330 , оно приняла бы форму

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

в которое θ часть местной карты ориентации (θ, φ, ψ) между системой координат лаборатории и кристаллической системой координат образца. Однако, если и вертикаль и 2 боковых компонента сигнала PFM получены на положении образца, или, то константы d внутреннеприсущего образца пьезоэлектрическиеij или местную карту ориентации (θ, φ, ψ) можно извлечь от таких данных. В слове, 3D PFM раскрывало возможность полной реконструкции 3D вектора поляризации изученного образца на маштабе нанометра.

Общее применение PFM включает местную характеризацию электро-механических свойств материалов, включая детальные отображать домена и изучение динамики переключения домена; испытание микро- и nano-электро-механических приборов (например, пьезоэлектрических приводов, датчиков, и MEMS), электрооптических приборов и компонентов слаболетучей памяти (т.е., приборов FERAM), адресуя их вопросы надежности как электро-механический отпечаток, усталость и диэлектрическое нервное расстройство; исследующ местное и глобальное отношение между полярностью и другими материальными свойствами на романном полимере и био-проектированными материалами основанными на детальной характеризации nanoscale структурной и электрической таких материалов, Etc.

Оптимизирование Сигнала PFM

В реальном мире, измеренный сигнал PFM часто содержит дополнительные вклады и от местного и распределенная сила электростатического поля в дополнение к местный электро-механической реакции от образца, т.е., A = A +em A +es A.A,nlem электро-механическая реакция от образца, реальная термина которая отражает местную дискретную структуру промежуточного состояния образца, пока A,es местная сила электростатического поля работая на соединении подсказк-поверхности и A,nl электростатическая реакция cantilever привели к от поля самого между cantilever и поверхность образца, как замечено в Диаграммы 5, distractive термины которые потребности быть уменьшенным, что во избежание артефакты воображения.

Диаграмма 5. Местный Контраст Piezoresponse

Однако, тщательно выбирать cantilever для образцов с различной величиной электро-механической реакции, вклад электростатических термин может быть уменьшен. В Виду Того Что полный сигнал PFM Z = (deff + LweΔV0/48kh2) VAC в котором deff эффективная пьезоэлектрическая константа вдоль направления измерения, L, w и k длина, ширина и скачет константа cantilever используемого для измерения, h высота подсказки AFM, ε0 и ΔV диэлектрическая константа воздуха и среднее напряжение тока прикладное между подсказкой и образцом, соответственно, увеличить процент реального электро-механического вклада к этому сигналу, мы должны выбрать cantilever который жесток достаточно keff >> k = LweΔV0/48dheff2) для того чтобы уменьшить вторую термину внутри уровнение выше.

В Виду Того Что PFM контакт-основанный метод воображения, используя очень жесткие cantilevers смогл навести необратимое повреждение образца внутри на более мягких материалах, или образцы которые твердо не прикреплены к поверхности субстрата, как образцы nanowire ZnO свободно разбросанные на поверхность вафли Si. В таких ситуациях, выбирать cantilever с короткой и узкой геометрией смогл также помочь уменьшить вклад от электростатической термины. В добавлении, получать изображение PFM на zero смещении DC значительно уменьшил бы вклад электростатической термины, и местной и non-местной.

Окончательно, электростатические составляющие которые внести вклад в сигнал PFM уменьшили бы с увеличенной частотой прикладного напряжения тока AC, и non-местный компонентами уменьшают специально быструю. Также, воображение на более высокая частота вообще приводило бы к в консольный коченеть, который улучшает контакт между подсказкой и поверхностью образца. Следовательно, изображения PFM полученные на более высокая частота вообще содержат меньше вклада от электростатических термин, и показывают более лучший отношение сигнал-шум. Оптимальный сигнал вертикали PFM можно получить в частотах вокруг заказа MHz, пока боковой сигнал PFM обычно оптимальн на частотах между 10 и 100 КГц, в зависимости от обоих используемый зонд AFM и образец imaged. Однако, продолжайте увеличение частоты для прикладного напряжения тока AC окончательно ударил комплект верхнего предела шириной полосы частот фотодетектора и замк-в усилителе. На весьма частотах коротковолнового диапазона, никакой сигнал не был бы transuded должными к drastically увеличенной жесткости cantilever.

Когда соотвествующий cantilever выбран для изученного образца, контактируйте влияние резонанса смогите быть использовано для того чтобы увеличить вклад от eletromechanical компонента, Aem, и улучшите качество воображения PFM. На практике, после приносить подсказку AFM в контакте с поверхностью образца быть изученным в режиме PFM, амплитуда частоты смогло быть выполнено для напряжения тока AC прикладного между подсказкой и образцом, и амплитуду/участок против поведения частоты можно записать (Диаграмма 6). Резонирующий пик показанный в амплитуде против диаграммы частоты определен механически свойствами cantilever, внутреннеприсущими electromchanical свойствами образца, и жесткостью контакта подсказк-образца. Если напряжение тока AC прикладное к подсказке эксплуатируется около такой резонирующей частоты, то высокомарочный фактор резонирующего пика значительно увеличил бы коэффициент сигнал-шума в наблюдаемых амплитуде PFM и сигнале участка (Диаграмме 7: далеко от резонанса, 17kHz, низкого сигнала против близко резонанса, 377kHz, высокого сигнала).

Диаграмма 6. Резонирующий пик в амплитуде против диаграммы частоты

Диаграмма 7. коэффициент Сигнал-шума в наблюдаемых амплитуде PFM и сигнале участка

Экстренным предосторежениям нужно быть принятым для того чтобы во избежание сильная помеха между топографическими и электро-механическими сигналами при использовании повышения резонанса увеличить качество изображения PFM, в виду того что частота такого резонанса контакта повлияна на жесткостью контакта подсказк-образца, которая в свою очередь повлияна на площадью контакта между подсказкой и образцом (Диаграммой 8). Например, когда подсказка в контакте с concaved зоной поверхности образца, жесткость контакта подсказк-образца увеличила бы сравнивать к случаю когда подсказка в контакте с плоской зоной поверхности образца. Это в свою очередь подняло бы частоту контакта резонирующую. Если напряжение тока AC прикладное к подсказке фикчировано на измеренной, то частоте точного контакта резонирующей когда подсказка в контакте с плоской областью, большое падение в наблюдаемой амплитуде PFM произошло бы в виду того что новый резонанс контакта больше не не происходит на этой специфической частоте.

Диаграмма 8. Резонанс повлиянный на площадью контакта между подсказкой и образцом

Для того чтобы уменьшить эту нестабильность и в большинстве исключить помеху между каналами топографических и PFM сигнала, частота возбуждающего сигнала AC наиболее хорошо выбрана около резонанса, но не точно на резонирующем пике (Диаграмме 9).

Диаграмма 9. Резонирующая: 360kHz, помеха сигнала topo-PFM в воображении амплитуды; около резонанса: 377kHz, хорошее качество сигнала и почти отсутствие помеха

Пытая использовать резонанс контакта для повышения сигнала PFM, должный к электростатическому влиянию, более мягкие cantilevers могут показать множественные пики в диаграмме амплитуды частоты (Диаграмма 10), и не всех пиках произвела бы стабилизированный сигнал PFM. Если такой мягкий cantilever необходим для специфического образца, котор нужно изучить (например, провод ZnO разбросанный на субстрат Si может быть поцарапан или даже разделен с просмотрено в режиме PFM используя очень жесткие cantilevers), то каждый из представленных пиков не будет мочь быть испытано индивидуально до одного которое обеспечивает ясно, стабилизированный сигнал PFM найдено. В большинств случаи, повторите амплитуду частоты несколько времена могут помочь стабилизировать спектры и исключить любые non-внутреннеприсущие пики.

Диаграмма 10. Пики в диаграмме амплитуды частоты

Источник: Системы Парка

Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите Системы Парка

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

Last Update: 20. September 2013 06:28

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit