压电强制显微学 - 压电强制显微学的基本要点、手段和应用由公园系统的

包括的事宜

关于公园系统
简介
PFM 的基本原则
PFM 信号的优化

关于公园系统

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简介

此应用注解存在压电强制显微学,使用材料的压电效应 (PFM)生成对比的一个新的扫描探测显微学模式基本要点、手段和潜在应用。 在改进图象质量和解决方法,消灭人工制品和提取信息介入的多种事宜从这个被生成的图象讨论。 并且,我们包括定量地允许对材料压电回应的分析在应用的电压下分光学模式的简要简介。

PFM 的基本原则

从第一日扫描探测显微学被引入给当代研究边境,新的模式,并且应用涌现了与史无前例的速度,允许此多才多艺的工具调查局部有形资产的持续增长的方面毫微米缩放比例。 压电强制显微学 (PFM)是虽则得到了增长的识别最近岁月对于唯一信息它在机电联结特性可能提供的多种铁电,压电,聚合物和生物材料的之一的这样新颖的模式。

在 PFM 运算,一个导电性 AFM 技巧被带领进入与被学习的铁电或压电材料的表面的联络,并且被预先设定的电压是应用的在范例表面和 AFM 技巧之间,设立在这个范例内的外部电场。 由于 electrostriction 或者 “inversed 压电”作用的这样铁电或压电材料,这个范例局部根据这个电场将扩展或收缩。 对这个应用的电场的例如,如果这个被评定的范例的电子域的最初的极化是垂直的对范例表面和并行,域将体验垂直的扩展。 因为 AFM 技巧是与范例表面联系,这样域扩展向上将弯曲 AFM 在增加的偏折的悬臂和结果与这个状态比较在应用这个电场前。 相反地,如果最初的域极化是逆流的对这个应用的电场,这个域将收缩和反过来导致减少的悬臂式偏折 (图 1)。 相当数量悬臂式方向角变换,在这样情形,直接地与范例电域的相当数量扩展或收缩有关,并且按比例与这个应用的电场。

图 1. 悬臂式方向角变换

如果应用的电压包含一个小的 AC 要素,从这个范例的 inversed 压电回应导致范例在相同频率的表面动摆象应用的交流电压。 在这个案件这个范例是理想的压电晶体,其极化 与应用的机械重点有关 由下列等式:

Pi = dsijkjk

在哪个 dijk 是材料的级别3 peizoelectric 张量。 对与四边形晶体结构的这样材料,此压电张量可以减少到下列表单:

+

在,在应用的 AC 模块化电压 V 下 = Vcos0 (ωt) 情况下,范例表面振动将需要这份表单ΔZ = ΔZcos0 (ωt + φ),与振动高度ΔZ0 = dV330 和阶段 f = 0,如果范例域极化是针对的并行与这个应用的电场和在φ = 180° 外面,如果它是针对的逆流的对这个应用的电场 (图 2)。 使用封锁行动放大器,这样动摆在与表面联系的 AFM 探测的高度和阶段信号将直接地被反射,并且可以读出。

图 2. 振动高度极化的并行和逆流的接受简单指示

在典型的 PFM 想象,低于范例域切换的强制偏心设置应用的交流电压,避免这个被学习的范例的局部域结构的叠更。 如果这样标准符合,在 PFM 想象生成的阶段对比将反射域极性用不同的范例地点,当从这个范例的高度信号局部压电系数的大小能被提取时,如这个前面的段所述。 在 PZT-5H 范例的图 3 显示得到的这样示例的这样 PFM 高度和阶段图象。 在这个盘旋的部分 180° 能被观察,阶段对比是明显的在 PFM 阶段图象的二个相邻域,并且在他们之间的域墙壁可以观察与在 PFM 高度图象的减少的高度。 并且能注意是两个向上和向下针对的域导致了 PFM 与相似的大小的高度信号,指示这个有形资产是相对地同源的在这个被学习的范例。

在 PZT-5H 范例的图 3. PFM 得到的高度和阶段图象

更加复杂的范例域接受简单指示包含沿不同的方向的不仅要素垂直对表面与 AFM 技巧联系,而且要素在表面飞机,与一条垂直和二条侧向通道的向量 PFM 内可能提供完全信息。 例如,得到压电15 张量的 d 要素在四边形压电晶体的,我们需要评定 AFM 技巧振动侧向要素按比例与飞机范例表面位移 (图 4),将采取这份表单将采取这份表单ΔL = ΔLcos0 (ωt + φ),与振动高度ΔL0 = dV150 通知单,如果 DC 偏心是应用的在这个技巧和这个范例之间与交流电压一道,飞机和这个范例的外飞机机电回应也是此应用的直流电压的功能。

图 4. 垂直和侧向 PFM 高度和阶段图象

在大多实际案件,这个被学习的范例在其压电张量包含任意导向多晶的颗粒结构,经常与非零侧向要素。 在这种情况下,检测垂直的 PFM 信号与 d,而且受抚养者33只不再是按比例这个 d31 和 d15 要素的。 即,垂直的 PFM 高度不再是ΔZ =0 dV330 ,它将采取这份表单

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

在哪θ是局部取向映射 (θ、φ, ψ) 的一部分在实验室坐标系统和这个范例的水晶坐标系统之间。 然而,如果垂直和 PFM 信号二个侧向要素在范例地点得到,内在范例压电常数 dij 或局部取向映射 (θ、φ, ψ) 可以从这样数据被提取。 在字, 3D PFM 开辟了这个被学习的范例的极化向量的完全 3D 重建的可能性在毫微米缩放比例。

PFM 的公用应用包括材料机电属性的局部描述特性,包括域切换动力的详细域映射和研究; 测试微型和纳诺机电设备 (即,压电致动器、变换装置和 MEMS),电子光学的设备和固定存储器要素 (即, FERAM 设备),论及他们的可靠性问题例如机电版本记录,疲劳和介质击穿; 测试极性和其他有形资产在新颖的聚合物和在详细 nanoscale 结构上和电子描述特性的生物设计的材料之间的局部和全球关系的这样材料等等基础上。

PFM 信号的优化

在现实世界,被评定的 PFM 信号经常包含从局部另外的摊缴,并且除局部机电回应之外的被分配的静电力从这个范例,即, A = A +em A +es A.A,nlem这个范例的机电回应,是反射这个范例的局部域结构的实际术语,而 A、es局部静电力运行在技巧表面连接点的和 A,nl悬臂的静电回应起因于在悬臂之间的域,并且范例表面,如在图 5 中看到,是 distractive 术语需要减到最小避免想象人工制品。

图 5. 本机 Piezoresponse 对比

然而,通过仔细选择范例的悬臂与另外大小机电回应,静电术语的摊缴可以减到最小。 因为总 PFM 信号 Z = (deff + LweΔV0/48kh2) AC d 是沿eff 这个评定的方向的有效压电常数的 V, L、 w 和 k 是这个长度,宽度和反弹用于这个评定的悬臂的常数, h 是 AFM 技巧, ε的高度0 ,并且ΔV 是航空的介电常数,并且平均电压适用在这个技巧和这个范例之间增加实际机电摊缴的百分比对此信号的,各自,我们应该选择是足够僵硬的 k >>eff 减少第二个术语的0 k =eff2 LweΔV/48dh) 的悬臂 上面等式。

因为 PFM 是基于联络的成象技术,使用非常僵硬的悬臂可能导致不可逆的范例没有稳固地附有基体表面的故障在更软的材料或者范例,例如 ZnO 在 Si 薄酥饼表面松散分散的 nanowire 范例。 在这些情况下,选择有短和缩小的几何的一个悬臂能也帮助减少从静电术语的摊缴。 另外,得到在零的 DC 偏心的 PFM 图象非常地将减少静电术语的摊缴,局部和非本地。

终于,造成 PFM 信号的静电要素将减少与应用的交流电压的增加的频率和非本地的要素减少特别快速。 并且,想象以更高的频率一般导致悬臂式僵住,改进在技巧和范例表面之间的联络。 因此, PFM 图象得到以更高的频率一般包含从静电术语的较少摊缴,并且陈列一个更好的针对噪音的信号比例。 而侧向 PFM 信号通常是最佳的以在 10 和 100 kHz 之间的频率,根据两个 AFM 探测使用的和印象,这个的范例最佳垂直 PFM 信号在 MHz 顺序附近的频率可以得到。 然而,请继续频率的增量应用的交流电压的最终将击中光电探测器和封锁行动放大器的带宽定的这个上限。 在极高频,信号不会 transuded 归结于悬臂的激烈地增加的僵硬。

当一个适当的悬臂为这个被学习的范例时被选择,请与共振效应联系能使用从这个 eletromechanical 要素, A 增加摊缴em,并且改进 PFM 想象的质量。 实际上,在带来 AFM 技巧以后与范例表面联系被学习在 PFM 模式下,扫频可能为交流电压执行适用在这个技巧和这个范例之间,并且这个高度/阶段与频率工作情况可以被记录 (图 6)。 在高度显示的共振峰顶与频率图表由悬臂的机械性能,范例的内在 electromchanical 属性和技巧范例联络的僵硬定义。 如果交流电压适用于这个技巧被管理在这样谐振频率附近,这个共振峰顶的优质系数非常地将增加在被观察的 PFM 高度和阶段信号 (图 7 的信号噪音比: 远离共鸣, 17kHz,低信号与最近的共鸣, 377kHz,高信号)。

图 6. 在高度的共振峰顶与频率图表

图 7. 在被观察的 PFM 高度和阶段信号的信号噪音比

额外的小心需要被采取避免在地形学和机电信号的严格的干扰,当使用共鸣改进增加 PFM 图象质量时之间,因为这样联络共鸣频率是受技巧范例联络僵硬的影响的,反过来受在这个技巧和这个范例 (图 8) 之间的联系范围的影响。 例如,当这个技巧是与范例表面联系时一 concaved 区,技巧范例联络僵硬将增加比较与这个案件,当这个技巧是与范例表面联系时一平面的区。 这反之将提高联络谐振频率。 如果交流电压适用于这个技巧是固定的以被评定的确切的联络谐振频率,当这个技巧是与平面的区联系时,在被观察的 PFM 高度的大下落将发生,因为新的联络共鸣不再发生以此特定频率。

图 8. 在技巧和范例之间的联系范围的影响的共鸣

要使此不稳定性减到最小和主要消灭干扰在信号之间地形学和 PFM 通道, AC 驱动信号的频率不正确地是最精选的在共鸣附近,但是在这个共振峰顶 (图 9)。

共振的图 9. : 360kHz, topoPFM 在高度想象的信号干扰; 在共鸣附近: 377kHz、好信号质量和几乎没有干扰

当尝试为 PFM 信号改进使用联络共鸣,由于静电效应时,更软的悬臂在扫频图表 (图 10) 和不是所有的峰顶可能显示多个峰顶将生成稳定的 PFM 信号。 如果这样软的悬臂是需要的为了能将被学习的这个特定范例 (即,在 Si 基体分散的 ZnO 电汇在 PFM 模式下可能抓甚至分开与浏览使用非常僵硬的悬臂),其中每一个存在的峰顶可能单个被测试直到清楚地提供的那个,稳定的 PFM 信号被找到。 在许多情况下,请重复两三次可能帮助稳定光谱和消灭所有非内在峰顶的扫频。

图 10. 在扫频图表锐化

来源: 公园系统

关于此来源的更多信息请参观公园系统

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

Last Update: 20. September 2013 06:21

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