Piezoelectric StyrkaMicroscopy - Grunderna, Instrumentationen och Applikationerna av Piezoelectric StyrkaMicroscopy Parkerar by System

Täckte Ämnen

Om Parkera System
Inledning
Grundläggande Principer av PFM
Optimization av PFM Signalerar

Om Parkera System

Parkera System är den Atom- ledare för Styrka (AFM)Mikroskopteknologi som ger produkter som tilltalar kraven forskar allra och industriella nanoscaleapplikationer. Med en unik bildläsare planlägg, som låter för den Riktiga Non-Kontakten som avbildar i flytande och, luftar miljöer, alla system är fullständigt - kompatibelt med ett långt lista av innovativa och kraftiga alternativ. Alla system är planlagd lätt-av-bruk, exakthet och hållbarhet i åtanke och ger dina kunder med de ultimat resurserna för meetiong alla gåva- och framtidsbehov.

Parkera Systems omfattande portfölj av produkter, programvara, servar, och sakkunskap matchas endast av vår förpliktelse till våra kunder, Skryta den längsta historien i AFM-branschen.

Inledning

Denna applikation noterar gåvor grunderna, instrumentation, och potentiella applikationer av den piezoelectric styrkamicroscopyen (PFM), ett nytt funktionsläge för scanningsondmicroscopy, som använder det piezoelectric, verkställer av material för att frambringa kontrast. Olika ämnen som är involverade, i att förbättra, avbildar kvalitets-, och upplösning som avlägsnar kulturföremål och drar ut information från frambragd, avbildar diskuteras. Också har vi inklusive en kort inledning av spektroskopifunktionsläget som låter quantitatively analyser av det piezoelectric svaret av material under applicerad spänning.

Grundläggande Principer av PFM

Från den första dagscanningsonden introduceras microscopyen till den samtidaa forskninggränsen, nya funktionslägen, och applikationer har dykt upp med aldrig tidigare skådat rusar och att låta detta mångsidigt bearbetar för att se in i everincreasing aspekter av materiell rekvisita för lokalen på nanometerfjäll. Piezoelectric StyrkaMicroscopy (PFM) är ett av sådan nya funktionslägen som har nått ökande nya år för erkännande though för den unika informationen som den kan erbjuda på de elektromekaniska koppla ihop kännetecknen av olikt ferroelectric, piezoelectric, polymer och biologiska material.

I PFM-funktion kommas med en ledande AFM-spets in i kontakt med ytbehandla av de utstuderade ferroelectric eller piezoelectric materialen, och en förinställd spänning appliceras mellan ta prov ytbehandlar, och AFM-spetsen som upprättar en yttre elkraft, sätter in inom ta prov. Tack vare verkställer electrostrictionen eller ”inversed piezoelectric” av sådan ferroelectric eller piezoelectric material, utvidgar avtalar ta prov som lokalt skulle, eller enligt elkraften sätter in. Till exempel om den initiala polarizationen av det elektriska området av mätt tar prov, är vinkelrätt till ta prov ytbehandlar, och parallellen till den applicerade elkraften sätter in, de skulle områdena erfar en lodlinjeutvidgning. Ytbehandla, den sådan skulle krökningen för området utvidgning AFM-cantileveren uppåt, Sedan AFM-spetsen är i kontakt med ta prov, och resultatet i en ökande avböjning som jämförs till statusen, innan det applicerar elkraften, sätter in. Omvänt om den initiala områdespolarizationen är anti-parallellen till den applicerade elkraften, sätta in, det skulle området avtalar och resulterar i sin tur i en minskad cantileveravböjning (Figurera 1). Beloppet av cantileveravböjningsändring, i sådan läge, förbinds direkt till beloppet av utvidgning eller contractionen av de elektriska områdena för ta prov, och hence proportionellt till den applicerade elkraften sätta in.

Figurera 1. Cantileveravböjningsändring

Om den applicerade spänningen innehåller en del- liten AC, tar prov det inversed piezoelectric svaret från det ta prov skulle resultatet in ytbehandlar svängning i den samma frekvensen som den applicerade AC-spänningen. I fallet, som ta prov är en piezoelectric kristall för ideal, skulle dess polarization förbinds till den applicerade mekaniska spänningen av efter likställanden:

Pi = dsijkjk

i vilket Dijk är den peizoelectric tensoren rank-3 av det materiellt. För sådan material med den tetragonal kristallen strukturerar, denna piezoelectric tensor kan förminskas till efter bilda:

+

i vilket fall, under den applicerade AC-moduleringsspänningen V = Vcos0 (ωt), tar prov, ytbehandla den skulle vibrationen tar bilda ΔZ = ΔZcos0 (ωt + φ), med vibrationsamplituden ΔZ0 = dV330 och arrangerar gradvis f = 0, om ta provområdespolarizationen är den orienterade parallellen till den applicerade elkraften sätter in, och ut ur φ = 180°, om det är den orienterade anti-parallellen till den applicerade elkraften, sätta in (Figurera 2). Skulle Sådan svängning reflekteras direkt i amplituden och arrangerar gradvis signalerar av AFM-sonden som kontaktar ytbehandla och kan läsas ut genom att använda a låsa-i förstärkaren.

Figurera 2. Vibrationsamplitud för parallell- och anti-parallell riktning av polarization

I typisk PFM som avbildar, är den applicerade AC-spänningen, fastställd att vara mycket lägre, än den tvinga snedheten för tar prov områdesväxling, för att undvika alternationen av lokalområdet strukturerar av det utstuderat tar prov. Om det sådan kriteriet möts, reflekterar arrangera gradviskontrasten som frambrings, i skulle att avbilda för PFM, områdespolariteten i olikt tar prov lägen, stunder från storleken av amplituden signalerar lokal som piezoelectric samverka av ta prov kan dras ut, som diskuterat i gamlan stycke. Figurera ett sådan exempel för 3 shows av sådan PFM-amplitud och arrangera gradvis avbildar erhållande på PZT-5H tar prov. Arrangera gradvis kontrast är tydliga närgränsande områden i PFM arrangerar gradvis itu avbildar, Som kan observeras i cirklad portionr 180°, och områdesväggen dem emellan kan observeras med förminskande amplitud i PFM-amplitud avbildar. Också kan märkas är att båda de uppåtriktade och nedåtriktade orienterade områdena har framkallat PFM-amplitud signalerar med liknande storlek som indikerar att den materiella egenskapen är förhållandevis homogen i det utstuderat tar prov.

Figurera 3. PFM-amplitud och arrangerar gradvis avbildar erhållande på PZT-5H tar prov

För mer invecklad ta prov områdesriktningen som innehåller inte endast delar som är vinkelräta till ytbehandla i kontakt med AFM-spetsen, men också hyvlar delar längs olika riktningar inom ytbehandla, vektorn PFM med en lodlinje, och två som lateralen kanaliserar, kan ge färdigare information. Till exempel för att erhålla Det som15 är del- av den piezoelectric tensoren i tetragonal piezoelectric kristaller, behöver vi att mäta sidodelar av AFM-spetsvibrationen som är proportionell till detplant, tar prov ytbehandlar förskjutning (Figurera 4), som skulle tar den skulle bilda tar bilda ΔL = ΔLcos0 (ωt + φ), med vibrationsamplituden ΔL0 = dV150 Märker, om en DC-snedhet appliceras mellan spetsen och ta prov i samverkan med AC-spänningen, både detplant, och detplana elektromekaniska svaret av ta prov är fungerar också av denna applicerade DC-spänning.

Figurera 4. Lodlinjen och sidoPFM-amplitud och arrangerar gradvis avbildar

I mest av de verkliga fallen tar prov det utstuderat innehåller slumpmässig-orienterat polycrystalline korn strukturerar, ofta med icke-nollställda sidodelar i dess piezoelectric tensor. I detta fall signalerar den avkända lodlinjen PFM är ej längre endast proportionell till D33, men också anhörigen på Det31 och D-15 delar. E.g. är amplituden för lodlinjen som PFM ej längre skulle, ΔZ =0 dV i stället330 , det skulle tar bilda

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

i vilken θ är delen av lokalriktningen, kartlägga (θ, φ, ψ) mellan det koordinerade systemet för labbet och det crystal koordinerade systemet av ta prov. Ändå om både lodlinjen och två sidodelar av PFM signalerar, erhålls på ta provläget, endera det inneboende tar prov piezoelectric konstanter D, ij eller lokalriktningen kartlägger (θ, φ, ψ) kan dras ut från sådan data. I en uttrycka har 3D PFM öppnat möjligheten av en färdig rekonstruktion 3D av polarizationvektorn av det utstuderat tar prov på nanometerfjäll.

Vanligt inkluderar applikationen av PFM lokalkarakterisering av elektromekanisk rekvisita av material, inklusive specificerat kartlägga för område och studien av områdesväxlingdynamik; att testa av mikro- och nano-elektromekaniska apparater (e.g., piezoelectric utlösare, omformare och MEMS), elektrooptiska apparater och delar för beständigt minne (dvs., FERAM-apparater) som tilltalar deras pålitlighet, utfärdar liksom den elektromekaniska imprinten, tröttar ut, och dielectricen avbrott-besegrar; undersöka lokalen och det globala förhållandet mellan polaritet och annan materiell rekvisita på den nya polymern och bio-iscensatte material som baseras på specificerad strukturell och elektrisk karakterisering för nanoscale av sådan material, Etc.

Optimization av PFM Signalerar

I verklig värld signalerar mätte PFM innehåller ofta extra bidrag från både lokal, och utdelad elektrostatisk styrka förutom det elektromekaniska svaret för lokalen från ta prov, dvs., A = A +em A +es A.A,nlem det elektromekaniska svaret från ta prov, är det verkligt benämner som reflekterar lokalområdet strukturerar av ta prov, fördriver A,es den elektrostatiska styrkan för lokal som fungerar på denytbehandla föreningspunkten, och A,nl resulterade det elektrostatiska svaret av cantileveren från sätta in mellan cantileveren sig själv, och ta prov ytbehandlar, som sett in Figurera 5, är distractive benämner som behöver att minimeras för att undvika avbilda kulturföremål.

Figurera 5. LokalPiezoresponse Kontrast

Emellertid genom försiktigt att välja cantileveren för, tar prov med olik storlek av det elektromekaniska svaret, bidraget av det elektrostatiskt benämner kan minimeras. Sedan slutsumman PFM signalerar Z = (Deff + LweΔV0/48kh2) VAC som D äreff den effektiva piezoelectric konstanten i längs riktningen av mätningen, är fjädrar L, w och K längden, bredd och konstant av cantileveren som används för mätningen, H är höjden av AFM-spetsen, ε, 0 och ΔV är den dielectric konstanten av lufta, och den genomsnittliga spänningen som appliceras mellan spetsen och ta prov, respektive, till förhöjning som, procentsatsen av det verkliga elektromekaniska bidraget till denna signalerar, oss, bör välja en cantilever som är styvt nog Keff >> K = LweΔV0/48dheff2) till minskning, understödja benämner in likställanden över.

Sedan PFM är enbaserad avbilda teknik, kunde när du använder mycket styva cantilevers framkalla irreversible tar prov skada in på mer mjuk material eller tar prov som inte fästas fast till substraten ytbehandlar, liksom ZnO nanowire tar prov löst spritt på Si-rånet ytbehandlar. I sådan lägen kunde när du väljer en cantilever med kort stavelse och smal geometri också hjälpa att förminska bidraget från det elektrostatiskt benämner. I tillägget som erhåller PFM, avbilda på nollDC-snedhet som väldeliga skulle, förminskar bidraget av det elektrostatiskt benämner, både lokalen och non-lokalen.

Slutligen signalerar elektrostatiska delar, som bidrar till PFMEN, skulle minskning med ökande frekvens av den applicerade AC-spänningen och delokal delarna som minskningar fastar speciellt. Också skulle att avbilda på högre frekvenser allmänt resultat i cantileveren som stelnar, som förbättrar kontakten mellan spetsen och tar prov ytbehandlar. Hence avbildar PFM erhållande på högre frekvens innehåller allmänt mindre bidrag från det elektrostatiskt benämner, och utställningar som ett bättre signalerar för att stoja förhållande. Optimallodlinjen PFM signalerar kan erhållas i frekvenser runt om Megahertz beställer, stunder som sidoPFM signalerar är vanligt optimala på frekvenser mellan 10 och 100 kHz, beroende av båda den använda AFM-sonden och den avbildade ta prov. Fortsätta förhöjning av frekvensen för den applicerade skulle slutligen hiten för AC-spänning som upperen begränsar uppsättningen vid bandbredden av fotodetektorn och låsa-i förstärkaren, Emellertid. På extremt kickfrekvenser som är inga signalera skulle transudeds tack vare den drastiskt ökande styvheten av cantileveren.

Ta prov, När en anslåcantilever väljs för det utstuderat, verkställer kontaktresonans kan användas till förhöjning bidraget från det eletromechanical del-, Aetem och förbättrar det kvalitets- av att avbilda för PFM. I praktiken når du har kommit med AFM-spetsen i kontakt med ta prov, ytbehandla för att vara utstuderat i PFM-funktionsläge, kunde ett frekvenssvep utföras för AC-spänningen som applicerades mellan spetsen och ta prov, och amplituden/arrangerar gradvis vs. frekvensuppförande kan antecknas (Figurera 6). De resonant nå en höjdpunkt visat i amplituden vs. frekvens kartlägger definieras av den mekaniska rekvisitan av cantileveren, den inneboende electromchanical rekvisitan av ta prov och styvheten av denta prov kontakten. Om AC-spänningen som appliceras till spetsen, fungeras i vicinityen av sådan resonant frekvens, dela upp i faktorer det högkvalitativt av det resonant nå en höjdpunkt skulle väldeliga förhöjning detstoja förhållandet i observerad PFM-amplitud och arrangerar gradvis signalerar (Figurera 7: i väg från resonans signalerar 17kHz, low vs. near resonans, 377kHz, kick signalerar).

Figurera 6. Resonant maximalt i amplitud vs. frekvens kartlägger

Figurera 7. Signalera-till-Stoja förhållandet i observerad PFM-amplitud och arrangera gradvis signalerar

Extrahjälpen varnar behöver att tas för att undvika den starka snabb replikväxlning mellan topografisk, och elektromekanisk signalerar, när genom att använda resonansförbättring till förhöjning PFM, avbildar kvalitets-, sedan frekvensen av sådan kontaktresonans påverkas av denta prov kontaktstyvheten, som i sin tur påverkas av kontaktområdet mellan spetsen och ta prov (Figurera 8). Till exempel när spetsen är i kontakt med ett görat konkav område av, ta prov ytbehandlar, skulle förhöjningen för denta prov kontakten som den styvhet jämför till fallet, när spetsen är i kontakt med ett lägenhetområde av tar prov ytbehandlar. Detta skulle i sin tur lönelyft den resonant frekvensen för kontakten. Om AC-spänningen som appliceras till spetsen, fixas på den mätte resonant frekvensen för avkrävakontakten, när spetsen är i kontakt med lägenhetområdet, tappar ett stort i observerade den skulle PFM-amplituden uppstår, sedan den nya kontaktresonansen uppstår ej längre på denna specifika frekvens.

Figurera 8. Resonans som påverkas av kontaktområdet mellan spetsen och ta prov

Att minimera denna ostadighet och i hög grad för att avlägsna snabb replikväxlning mellan topografisk och PFM kanaliserar av signalerar, signalerar frekvensen av AC-körningen är bäst som inte exakt väljs i vicinityen av resonansen, men på det resonant maximalt (Figurera 9).

Figurera 9. Resonant: 360kHz snabb replikväxlning av topo-PFM signalerar, i att avbilda för amplitud; nära resonans: 377kHz goda signalerar kvalitets- och nästan ingen snabb replikväxlning

När du försöker att använda kontaktresonans för PFM, signalera förbättringen, tack vare verkställer de elektrostatiska, kan mer mjuk cantilevers visa att multipeln nå en höjdpunkt i frekvenssvepet kartlägger (Figurera 10), och inte allt nå en höjdpunkt skulle frambringar stall PFM signalerar. Om den sådan mjuka cantileveren är nödvändig för närmare detalj, ta prov för att vara utstuderat (e.g., ZnO binder spritt på Si-substraten kan skrapas eller även fristående med avläst i PFM-funktionsläge genom att använda mycket styva cantilevers), varje av framlagd nå en höjdpunkt kan testas individuellt till den, som ger fri, stall PFM signalerar finnas. Ofta repetition frekvenssvepet som en koppla ihop av tider kan hjälpa för att stabilisera spectrana, och att avlägsna any non-inneboende nå en höjdpunkt.

Figurera 10. Nå en höjdpunkt i frekvenssvepet kartlägger

Källa: Parkera System

För mer information på denna källa behaga besök Parkerar System

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

Last Update: 20. September 2013 06:29

Ask A Question

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

Leave your feedback
Submit