Piezoresponse Force Microscopy (PMF) - Introduktion, principper og Instrumental Aspekter af piezoresponse Force Mikroskopi af NT-MDT

Emner Overdækket

Indledning
Principper og Instrumental Aspekter af piezoresponse Force Microscopy (PMF)
Grundlæggende Principper for PFM
History of PFM
Elementær teori om PFM
Kontrast-mekanismen på piezoresponse Force Microscopy
Artefakter i PFM Acquisition
Polarisering mønster og saml-selv via PFM
Piezoresponse og Pseudoferroelectricity i ZnO
Elektromekanik af biologiske systemer
Nanoscale Undersøgelser af multiferroic Materialer
Konklusioner

Indledning

Ferroelectrics er en underklasse af piezoelectrics, nemlig materialer, der oplever mekaniske deformation under anvendt spænding eller opladning under mekanisk kraft. Ferroelectrics udviser en bred vifte af funktionelle egenskaber, herunder høj og omskiftelige elektrisk polarisering, stærke piezoelectricity, høj non-lineære optiske aktivitet, fremragende pyroelectricity og bemærkelsesværdige ikke-lineære dielektriske opførsel. Disse egenskaber er uundværlige for ansøgninger i en lang række elektroniske enheder såsom sensorer, aktuatorer, IR-detektorer, mikroovn filtre og for nylig, ikke-flygtige erindringer, for at nævne nogle få. På grund af denne unikke kombination af egenskaber forskere og ingeniører har haft fokus på visualisering af ferro domæner (områder med unikke polarisering retning) på forskellige skalaer.

Nylige fremskridt inden for syntese og fremstilling af mikro-og nanoskala ferroelectrics bragt til live nye fysiske fænomener og enheder, der skal studeres og forstås på denne skala. Som struktur dimensioner bliver mindre, ferroelectrics udviser en udtalt størrelse effekt manifesterer sig i en væsentlig afvigelse af de egenskaber af lav-dimensionelle strukturer fra deres bulk-analoger. I den forstand er ferroelectrics ligner magnetiske materialer siden overflade energi ikke kan ignoreres i små mængder og langtrækkende dipol interaktion er væsentligt ændret i mindre geometrier. Det afhænger også af, hvorvidt et ferro er begrænset i en-, to-, eller alle tredimensionelt strukturer.

Efter miniaturisering udfordring, er nye teknikker, der kræves til evaluering af ferro og piezoelektriske egenskaber med den høje, i sidste ende nanoskala opløsning. Mange grundlæggende spørgsmål har i dag skal behandles som effekt af geometri indespærring på ferro og piezoelektriske egenskaber, forholdet mellem de lokale piezoresponse og makroskopiske egenskaber, samt mikroskopiske mekanismer polarisering skifte, domæne stabilitet og nedbrydning, herunder polarisering fænomener på grænsefladen.

Ud over romanen nanoskala applikationer, er funktionaliteten af ​​ferro film, polykrystallinske keramik, og endda enkelte krystaller ofte domineret af defekter, der fungerer som nukleær og pinning centre til at flytte domæne vægge og dermed bestemme piezoresponse. Hertil kommer, kommer de unikke elektromekaniske egenskaber relaxor ferroelectrics (materialer med kæmpe belastning og dielektriske konstant) af samspillet mellem polarisering med kemiske og oplade uorden på nanometer skala. Endelig er der en ny klasse af multiferroics hvor polarisering er koblet til magnetisering på lokal skala.

For at løse de grundlæggende mekanismer bag funktionaliteten af ​​ferro materialer og udstyr, domæne strukturer og deres udvikling under skævhed skal studeret på mikro-og nanometer skala. Den hurtige udvikling af scanning probe mikroskopi og, især, piezoresponse Force Microscopy (PMF) har resulteret i en fantastisk udvikling på dette område, som vil blive fremhævet nedenfor efter den korte beskrivelse af metoden.

Den PFM amplitude giver oplysninger om størrelsen af de lokale elektromekaniske kobling, mens PFM fase billedet giver lokale polarisering orientering. Typisk de billeddannende opløsning på PFM er mindre end ~ 10-30 nm som bestemmes ud fra halvdelen af bredden af et domæne væggen i blandede PFM signal, PR = A _1ω cos (φ), der bruges oftest til karakterisering (φ er ether tæt på 0 º eller 180 º). Den beslutning er begrænset af den tip-prøven kontaktflade (nominelt bestemmes ved hjælp af radius af spidsen spids), men yderligere mekanismer til at udvide saasom elektrostatiske interaktioner og dannelsen af ​​en væske halsen i tip-overfladen krydset er mulige.

Kontrast-mekanismen på piezoresponse Force Microscopy

Kontrasten mekanisme og detektion af ferro domænenavn mønstre med PFM er baseret på det faktum, at ferro materialer er nødvendigvis piezoelektriske. Dybest set, cantilever udfører tre typer forskydninger: (i) vertikal afbøjning som et resultat af den out-of flyet kraft på grund af D ₃₃ ^eff koefficient, (ii) torsion (forårsaget af forskydning piezocoefficient D ₁₅ ^eff ), Og (iii) buckling fra samspillet med den overflade, når en in-plane kraft virker langs cantilever aksen. Den første type af deformationer kaldes out-of-plane (eller lodret PFM , eller VPFM) målinger.

Hvis den polarisering og anvendt elektrisk felt er parallelle (Fig. 2a), deformation er positiv (ekspansion), og piezoresponse signalet er i fase med V _AC. Tværtimod, hvis den anvendte elektriske felt er antiparallelt med den spontane polarisering, vil dette medføre piezoelektriske at indgå kontrakt med den deraf følgende sænkning af cantilever (Fig. 2b). Det elektriske felt og piezoresponse signalet forskydes i fase ved 180 °. Tilsvarende kan retningen af polarisering for in-plane polariseret ferro korn udledes via en relevant (shear) piezoelektriske koefficient D ₁₅ ^EFF (Fig. 2c, d). I dette tilfælde medfører den anvendte elektriske felt en forskydningsstyrke deformation af kornet, som overføres via friktion kræfter til torsions bevægelse af cantilever. Disse målinger vil blive yderligere betegnet som in-plane (eller lateral PFM , eller LPFM) målinger.

På grund af cantilever asymmetri, polarisering i retning af cantilever akse kan kun optages ved fysisk at dreje prøven ved 90 ° langs z-aksen og gentage in-plane måling. Med købet af alle tre komponenter i piezoresponse signalet, er det muligt at udføre mindst semikvantitative genopbygningen af ​​polarisering orientering. Dog kan præcis orientering polarisering kun beregnes, hvis alle dele af den piezoelektriske tensor er kendt. Det første forsøg på at relatere amplituden af ​​piezoresponse signal til orientering af ferro polarisering er blevet udført af Harnagea og Pignolet og detaljeret formalisme har senere udviklet af Kalinin et al. En grundig analyse af bevægelsen af ​​cantilever skal ske med hensyn til sin orientering i forhold til den krystallografiske akser af prøven, hvilket giver en klar fordeling af de observerede domænet kontrast til de drivende kræfter. I tilfælde af kompositmaterialer som ferro polymer blandet med partikler eller ferro hybrid (organiske-uorganiske) materialer dette problem er kontaktet ved at kende elektromekaniske adfærd hver komponent.