壓電強制顯微學 - 壓電強制顯微學的基本要點、手段和應用由公園系統的

包括的事宜

關於公園系統
簡介
PFM 的基本原則
PFM 信號的優化

關於公園系統

公園系統基本強制顯微鏡 (AFM)技術領先者,提供解決所有研究和行業 nanoscale 應用的需求的產品。 允許在液體和空電設施的真的沒有接觸的想像的一個唯一掃描程序設計,所有系統與創新和強大的選項一個較的列表是完全兼容的。 所有系統是被設計的容易使用、準確性和耐久性在頭腦裡,并且提供您的客戶以最終資源為 meetiong 所有今後需要。

吹噓 AFM 行業的悠久的歷史,產品公園系統的全面投資組合,軟件、服務和專門技術由我們的承諾仅符合给我們的客戶。

簡介

此應用註解存在壓電強制顯微學,使用材料的壓電效應 (PFM)生成對比的一個新的掃描探測顯微學模式基本要點、手段和潛在應用。 在改進圖像質量和解決方法,消滅人工製品和提取信息介入的多種事宜從這個被生成的圖像討論。 並且,我們包括定量地允許對材料壓電回應的分析在應用的電壓下分光學模式的簡要簡介。

PFM 的基本原則

從第一日掃描探測顯微學被引入給當代研究邊境,新的模式,并且應用湧現了與史無前例的速度,允許此多才多藝的工具調查局部有形資產的持續增長的方面毫微米縮放比例。 壓電強制顯微學 (PFM)是雖則得到了增長的識別最近歲月對於唯一信息它在機電聯結特性可能提供的多種鐵電,壓電,聚合物和生物材料的之一的這樣新穎的模式。

在 PFM 運算,一個導電性 AFM 技巧被帶領進入與被學習的鐵電或壓電材料的表面的聯絡,并且被預先設定的電壓是應用的在範例表面和 AFM 技巧之間,設立在這個範例內的外部電場。 由於 electrostriction 或者 「inversed 壓電」作用的這樣鐵電或壓電材料,這個範例局部根據這個電場將擴展或收縮。 對這個應用的電場的例如,如果這個被評定的範例的電子域的最初的極化是垂直的對範例表面和並行,域將體驗垂直的擴展。 因為 AFM 技巧是與範例表面聯繫,這樣域擴展向上將彎曲 AFM 在增加的偏折的懸臂和結果與這個狀態比較在應用這個電場前。 相反地,如果最初的域極化是逆流的對這個應用的電場,這個域將收縮和反過來導致減少的懸臂式偏折 (圖 1)。 相當數量懸臂式方向角變換,在這樣情形,直接地與範例電域的相當數量擴展或收縮有關,並且按比例與這個應用的電場。

圖 1. 懸臂式方向角變換

如果應用的電壓包含一個小的 AC 要素,從這個範例的 inversed 壓電回應導致範例在相同頻率的表面動擺像應用的交流電壓。 在這個案件這個範例是理想的壓電晶體,其極化 與應用的機械重點有關 由下列等式:

Pi = dsijkjk

在哪个 dijk 是材料的級別3 peizoelectric 張量。 对與四邊形晶體結構的這樣材料,此壓電張量可以減少到下列表單:

+

在,在應用的 AC 模塊化電壓 V 下 = Vcos0 (ωt) 情況下,範例表面振動將需要這份表單ΔZ = ΔZcos0 (ωt + φ),與振動高度ΔZ0 = dV330 和階段 f = 0,如果範例域極化是針對的並行與這個應用的電場和在φ = 180° 外面,如果它是針對的逆流的對這個應用的電場 (圖 2)。 使用封鎖行動放大器,這樣動擺在與表面聯繫的 AFM 探測的高度和階段信號將直接地被反射,并且可以讀出。

圖 2. 振動高度極化的並行和逆流的接受簡單指示

在典型的 PFM 想像,低於範例域切換的強制偏心設置應用的交流電壓,避免這個被學習的範例的局部域結構的疊更。 如果這樣標準符合,在 PFM 想像生成的階段對比將反射域極性用不同的範例地點,當從這個範例的高度信號局部壓電系數的大小能被提取時,如這個前面的段所述。 在 PZT-5H 範例的圖 3 顯示得到的這樣示例的這樣 PFM 高度和階段圖像。 在這個盤旋的部分 180° 能被觀察,階段對比是明顯的在 PFM 階段圖像的二個相鄰域,并且在他們之間的域牆壁可以觀察與在 PFM 高度圖像的減少的高度。 並且能注意是兩個向上和向下針對的域導致了 PFM 與相似的大小的高度信號,指示這個有形資產是相對地同源的在這個被學習的範例。

在 PZT-5H 範例的圖 3. PFM 得到的高度和階段圖像

更加複雜的範例域接受簡單指示包含沿不同的方向的不僅要素垂直對表面與 AFM 技巧聯繫,而且要素在表面飛機,與一條垂直和二條側向通道的向量 PFM 內可能提供完全信息。 例如,得到壓電15 張量的 d 要素在四邊形壓電晶體的,我們需要評定 AFM 技巧振動側向要素按比例與飛機範例表面位移 (圖 4),將採取這份表單將採取這份表單ΔL = ΔLcos0 (ωt + φ),與振動高度ΔL0 = dV150 通知單,如果 DC 偏心是應用的在這個技巧和這個範例之間與交流電壓一道,飛機和這個範例的外飛機機電回應也是此應用的直流電壓的功能。

圖 4. 垂直和側向 PFM 高度和階段圖像

在大多實際案件,這個被學習的範例在其壓電張量包含任意導向多晶的顆粒結構,經常與非零側向要素。 在這種情況下,檢測垂直的 PFM 信號與 d,而且受撫養者33只不再是按比例這个 d31 和 d15 要素的。 即,垂直的 PFM 高度不再是ΔZ =0 dV330 ,它將採取這份表單

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

在哪θ是局部取向映射 (θ、φ, ψ) 的一部分在實驗室坐標系統和這個範例的水晶坐標系統之間。 然而,如果垂直和 PFM 信號二個側向要素在範例地點得到,內在範例壓電常數 dij 或局部取向映射 (θ、φ, ψ) 可以從這樣數據被提取。 在字, 3D PFM 開闢了這個被學習的範例的極化向量的完全 3D 重建的可能性在毫微米縮放比例。

PFM 的公用應用包括材料機電屬性的局部描述特性,包括域切換動力的詳細域映射和研究; 測試微型和納諾機電設備 (即,壓電致動器、變換裝置和 MEMS),電子光學的設備和固定存儲器要素 (即, FERAM 設備),論及他們的可靠性問題例如機電版本記錄,疲勞和介質擊穿; 測試極性和其他有形資產在新穎的聚合物和在詳細 nanoscale 結構上和電子描述特性的生物設計的材料之間的局部和全球關係的這樣材料等等基礎上。

PFM 信號的優化

在現實世界,被評定的 PFM 信號經常包含從局部另外的攤繳,并且除局部機電回應之外的被分配的靜電力從這個範例,即, A = A +em A +es A.A,nlem這個範例的機電回應,是反射這個範例的局部域結構的實際術語,而 A、es局部靜電力運行在技巧表面連接點的和 A,nl懸臂的靜電回應起因於在懸臂之間的域,并且範例表面,如在圖 5 中看到,是 distractive 術語需要減到最小避免想像人工製品。

圖 5. 本機 Piezoresponse 對比

然而,通過仔細選擇範例的懸臂與另外大小機電回應,靜電術語的攤繳可以減到最小。 因為總 PFM 信號 Z = (deff + LweΔV0/48kh2) AC d 是沿eff 這個評定的方向的有效壓電常數的 V, L、 w 和 k 是這個長度,寬度和反彈用於這個評定的懸臂的常數, h 是 AFM 技巧, ε的高度0 ,并且ΔV 是航空的介電常數,并且平均電壓適用在這個技巧和這個範例之間增加實際機電攤繳的百分比對此信號的,各自,我們應該選擇是足够僵硬的 k >>eff 減少第二個術語的0 k =eff2 LweΔV/48dh) 的懸臂 上面等式。

因為 PFM 是基於聯絡的成像技術,使用非常僵硬的懸臂可能導致不可逆的範例沒有穩固地附有基體表面的故障在更軟的材料或者範例,例如 ZnO 在 Si 薄酥餅表面鬆散分散的 nanowire 範例。 在這些情況下,選擇有短和縮小的幾何的一個懸臂能也幫助減少從靜電術語的攤繳。 另外,得到在零的 DC 偏心的 PFM 圖像非常地將減少靜電術語的攤繳,局部和非本地。

終於,造成 PFM 信號的靜電要素將減少與應用的交流電壓的增加的頻率和非本地的要素減少特別快速。 並且,想像以更高的頻率一般導致懸臂式僵住,改進在技巧和範例表面之間的聯絡。 因此, PFM 圖像得到以更高的頻率一般包含從靜電術語的較少攤繳,并且陳列一個更好的針對噪音的信號比例。 而側向 PFM 信號通常是最佳的以在 10 和 100 kHz 之間的頻率,根據兩個 AFM 探測使用的和印象,這個的範例最佳垂直 PFM 信號在 MHz 順序附近的頻率可以得到。 然而,请繼續頻率的增量應用的交流電壓的最終將擊中光電探測器和封鎖行動放大器的帶寬定的這個上限。 在極高頻,信號不會 transuded 歸結於懸臂的激烈地增加的僵硬。

當一個適當的懸臂為這個被學習的範例時被選擇,請與共振效應聯繫能使用從這個 eletromechanical 要素, A 增加攤繳em,并且改進 PFM 想像的質量。 實際上,在帶來 AFM 技巧以後與範例表面聯繫被學習在 PFM 模式下,掃頻可能為交流電壓執行適用在這個技巧和這個範例之間,并且這個高度/階段與頻率工作情況可以被記錄 (圖 6)。 在高度顯示的共振峰頂與頻率圖表由懸臂的機械性能,範例的內在 electromchanical 屬性和技巧範例聯絡的僵硬定義。 如果交流電壓適用於這個技巧被管理在這樣諧振頻率附近,這個共振峰頂的優質系數非常地將增加在被觀察的 PFM 高度和階段信號 (圖 7 的信號噪音比: 遠離共鳴, 17kHz,低信號與最近的共鳴, 377kHz,高信號)。

圖 6. 在高度的共振峰頂與頻率圖表

圖 7. 在被觀察的 PFM 高度和階段信號的信號噪音比

額外的小心需要被採取避免在地形學和機電信號的嚴格的干擾,當使用共鳴改進增加 PFM 圖像質量時之間,因為這樣聯絡共鳴頻率是受技巧範例聯絡僵硬的影響的,反過來受在這個技巧和這個範例 (圖 8) 之間的聯繫範圍的影響。 例如,當這個技巧是與範例表面聯繫時一 concaved 區,技巧範例聯絡僵硬將增加比較與這個案件,當這個技巧是與範例表面聯繫時一平面的區。 這反之將提高聯絡諧振頻率。 如果交流電壓適用於這個技巧是固定的以被評定的確切的聯絡諧振頻率,當這個技巧是與平面的區聯繫時,在被觀察的 PFM 高度的大下落將發生,因為新的聯絡共鳴不再發生以此特定頻率。

圖 8. 在技巧和範例之間的聯繫範圍的影響的共鳴

要使此不穩定性減到最小和主要消滅干擾在信號之間地形學和 PFM 通道, AC 驅動信號的頻率不正確地是最精選的在共鳴附近,但是在這個共振峰頂 (圖 9)。

共振的圖 9. : 360kHz, topoPFM 在高度想像的信號干擾; 在共鳴附近: 377kHz、好信號質量和幾乎沒有干擾

當嘗試為 PFM 信號改進使用聯絡共鳴,由於靜電效應時,更軟的懸臂在掃頻圖表 (圖 10) 和不是所有的峰頂可能顯示多個峰頂將生成穩定的 PFM 信號。 如果這樣軟的懸臂是需要的為了能將被學習的這個特定範例 (即,在 Si 基體分散的 ZnO 電匯在 PFM 模式下可能抓甚至分開與瀏覽使用非常僵硬的懸臂),其中每一個存在的峰頂可能單個被測試直到清楚地提供的那個,穩定的 PFM 信號被找到。 在許多情況下,请重複兩三次可能幫助穩定光譜和消滅所有非內在峰頂的掃頻。

圖 10. 在掃頻圖表銳化

來源: 公園系統

關於此來源的更多信息请請參觀公園系統

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

Last Update: 20. September 2013 06:22

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