Piezoresponse Force Microscopy (PFM) - Einführung, Grundlagen und instrumentelle Aspekte der Piezoresponse Force Microscopy von NT-MDT

Behandelte Themen

Einführung
Grundlagen und instrumentelle Aspekte der Piezoresponse Force Microscopy (PFM)
Grundlagen der PFM
Geschichte der PFM
Elementare Theorie der PFM
Kontrast Mechanism in Piezoresponse Force Microscopy
Artefakte in PFM Acquisition
Polarisation Strukturierung und Selbstorganisation über PFM
Piezoresponse und Pseudoferroelectricity in ZnO
Elektromechanik biologischer Systeme
Nanoscale Studies der Multiferroische Materialien
Schlussfolgerungen

Einführung

Ferroelectrics sind eine Unterklasse der Piezoelektrika, nämlich Materialien, die mechanische Verformung unter der angelegten Spannung oder Ladung unter mechanischer Kraft zu erleben. Ferroelectrics weisen ein breites Spektrum an funktionellen Eigenschaften, einschließlich Hoch-und schaltbare elektrische Polarisation, starke Piezoelektrizität, hohe nichtlineare optische Aktivität, herausragende Pyroelektrizität und bemerkenswerte nichtlinearen dielektrischen Verhalten. Diese Eigenschaften sind für die Anwendungen in einer Vielzahl elektronischer Geräte wie Sensoren, Aktoren, IR-Detektoren, Mikrowelle Filter und vor kurzem, nicht-flüchtige Speicher, um nur einige zu nennen unverzichtbar. Durch diese einzigartige Kombination von Eigenschaften Forscher und Ingenieure haben auf Visualisierung von ferroelektrischen Domänen (Bereiche mit einzigartigen Polarisationsrichtung) konzentriert in verschiedenen Maßstäben.

Jüngste Fortschritte in der Synthese und Herstellung von Mikro-und Nanobereich Ferroelektrika zum Leben erweckt neue physikalische Phänomene und Geräte, die studiert und in diesem Maßstab verstanden werden müssen. Als Struktur Dimensionen immer kleiner, weisen Ferroelektrika eine ausgeprägte Size-Effekt manifestiert sich in einer signifikanten Abweichung der Eigenschaften von niedrig-dimensionalen Strukturen aus ihrer Sperrigkeit Analoga. In diesem Sinne sind Ferroelektrika ähnlich magnetischen Materialien seit Oberflächenenergie kann nicht in kleinen Mengen und Langstrecken-Dipol-Wechselwirkung vernachlässigt werden deutlich reduziert in Geometrien modifiziert. Es hängt auch davon ab, ob eine ferroelektrische ist in ein-, zwei-oder dreidimensionale Strukturen all beschränkt.

Nach der Miniaturisierung Herausforderung werden neue Methoden für die Evaluierung von ferroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften mit den hohen, letztlich nanoskaliger Auflösung erforderlich. Viele grundsätzliche Fragen haben heutzutage wie die Effekt der Geometrie der Entbindung auf ferroelektrischen und piezoelektrischen Eigenschaften, Beziehungen zwischen den lokalen Piezoresponse und makroskopischen Eigenschaften, sowie mikroskopischen Mechanismen Polarisationsumschaltung, Domain-Stabilität und Abbau, einschließlich Polarisationserscheinungen an der Schnittstelle angesprochen werden.

Über die neuartige nanoskalige Anwendungen ist die Funktionalität von ferroelektrischen Filmen, polykristalline Keramik und sogar einzelne Kristalle oft Mängel, die Keimbildung und Haftzentren für bewegte Domänenwände handeln und bestimmen somit den Piezoresponse dominiert. Darüber hinaus die einzigartige elektromechanischen Eigenschaften von Relaxor Ferroelektrika (Materialien mit riesigen Belastung und Dielektrizitätskonstante) aus dem Zusammenspiel der Polarisation mit chemischen und laden Störung auf der Nanometerskala stammen. Schließlich gibt es eine neue Klasse von Multiferroika wo Polarisierung der Magnetisierung auf lokaler Ebene gekoppelt ist.

Um die grundlegenden Mechanismen zugrunde liegen die Funktionalität von ferroelektrischen Materialien und Geräte, Domain-Strukturen und ihre Entwicklung unter Vorspannung müssen auf der Mikro-und Nanobereich untersucht werden. Die rasante Entwicklung der Rastersondenmikroskopie und vor allem Piezoresponse Force Microscopy (PFM) hat in einer fabelhaften Fortschritt in diesem Bereich geführt haben, wie unten nach der kurzen Beschreibung der Methode hervorgehoben.

Grundlagen und instrumentelle Aspekte der Piezoresponse Force Microscopy (PFM)

Grundlagen der PFM

Die PFM -Ansatz zur Untersuchung von piezo-und ferroelektrische Eigenschaften auf der Nanometerskala ist auf die starke Kopplung zwischen Polarisierung und mechanische dispacement basiert. Offenbar kann die Kopplung durch Anwendung einer stark lokalisierten elektrischen Feldes auf das Material und die Erforschung der resultierenden Minute Oberfläche Verschiebungen mit einem Pikometer Präzision (Abb. 1) zu richten.

Abbildung 1. Schematische Darstellung des Piezoresponse Force Microscopy Anordnung, bei der AC-und DC-Spannungen auf die metallisierte Spitze und mechanische Verschiebung aufgebracht wird, ist über herkömmliche AFM-Methode gemessen.

Gemeinsame AFM bietet eine ideale Plattform für lokale Piezoeffekt Studie aufgrund der hohen vertikalen Auflösung und hoher Lokalisierung des elektrischen Feldes an der Kreuzung zwischen der metallisierten Spitze und der Oberfläche. Daher PFM ist ein Kontakt-Modus AFM , in denen ein elektrisch leitendes voreingenommen AFM Spitze als Sonde der lokalen elektromechanischen Kopplung über die umgekehrte piezoelektrische Effekt genutzt wird. Bemerkenswert ist, dass die grundlegenden Bild Bildungsmechanismus in PFM ist eine Ergänzung zu Kraft-basierte AFM -Methoden (Kraft aufgebracht wird und die Spitze Auslenkung gemessen wird) und Rastertunnelmikroskopie (STM) (bias angewendet wird und ein Strom wird gemessen).

Geschichte der PFM

Nach der Erfindung des STM und AFM , waren die ersten Beispiele für die Messung einer Bias-induzierte Verformung durch Piezoelektrizität mit einem Raster-Sonden im Jahr 1991, wo Piezoresponse studierte mit war Ultraschallmikroskopie und STM. Später die ersten Papiere auf piezoelektrische Messungen und ferroelektrischen Domänen Visualisierung von AFM zu haben schien. Im Anschluss an diese eine Reihe von Pionier Ergebnisse wurden von Takata et al (mit Strain Imaging getunnelt akustische Mikroskopie) erhalten worden ist, Franke et al, Kolosov et al und Gruverman et al. Die Arbeit von Gruverman mit Koautoren ist besonders wichtig, weil es Bildgebung demonstriert und Switching in gemeinsamen Ferroelektrika und Prägen die Begriffe "Piezoresponse" und " PFM ", die mittlerweile haben Standard. In den vergangenen 15 Jahren, PFM hat sich zum führenden Werkzeug zur Untersuchung der statischen und dynamischen Eigenschaften von ferroelektrischen Materialien, wie durch eine Reihe neuerer Bücher und Zeitschriften belegt.

Elementare Theorie der PFM

In PFM , wird eine Spannung an die leitende Spitze der angewandten

V _Spitze = V _DC + V _AC cos (wt)

Hier V _DC DC-Bias (Schalt-Bias) ist, ist V _AC AC bias (Probing bias) und ω ist die AC Bias-Frequenz (Ansteuerfrequenz). Da die Probe ausdehnt und zusammenzieht aufgrund der umgekehrte piezoelektrische Effekt ist die Spitze Ablenkung überwacht mit Hilfe eines Lock-In Verstärker so dass die Spitze Schwingung

A = A ₀ + A _1ω cos (omega t + φ)

wo A ₀ ist die statische Oberfläche Hubraum und φ ist die Phasenverschiebung zwischen der treibenden Spannung V _AC und die Spannung induzierte Verformung A _1ω = d ₃₃ ^{eff V _AC} + (∂ C / ∂ z) (V _DC - V ₅₎ V _AC . Der erste Begriff ist der wahre Piezoresponse durch lokale piezoelektrische Verformung durch die effektive piezocoefficient d ₃₃ ^eff beschrieben und der zweite Term ist eine lokale elektrostatische Verformung durch lokale und nicht lokale Maxwell stress.20 Vs verursacht steht für die Oberfläche Potenzial und C ist die Insgesamt capaciatance der Cantilever-Probe-System.

Die PFM Amplitude gibt Auskunft über die Größe der lokalen elektromechanischen Kopplung, während der PFM Phasenbild gibt lokale Polarisation Orientierung. Typischerweise ist die Bildauflösung von PFM weniger als ~ 10-30 nm ab der Hälfte der Breite eines Domain-Wand in der gemischten bestimmt wird PFM -Signal, PR = A _1ω cos (φ), die vor allem für die Charakterisierung verwendet wird (φ ist der Äther nahe 0 º oder 180 º). Die Auflösung wird durch die Spitzen-Proben-Kontaktfläche (nominell durch den Radius der Spitze Spitze bestimmt) begrenzt, wenn zusätzliche Mechanismen zur Verbreiterung wie elektrostatische Wechselwirkungen und die Bildung einer flüssigen Hals in die Spitze-Oberfläche Kreuzung möglich sind.

Kontrast Mechanism in Piezoresponse Force Microscopy

Der Kontrast-Mechanismus und den Nachweis von ferroelektrischen Domänen Muster mit PFM beruht auf der Tatsache, dass ferroelektrischen Materialien unbedingt piezoelektrischen beruhen. Grundsätzlich führt der Cantilever drei Arten von Verschiebungen: (i) vertikale Durchbiegung infolge der out-of-Ebene Kraft aufgrund d ₃₃ ^eff Koeffizient, (ii) Torsion (verursacht durch Scherung piezocoefficient d ₁₅ ^eff ) Und (iii) Knicken aus der Wechselwirkung mit der Oberfläche, wenn ein in-plane Kraft wirkt entlang der Cantilever-Achse. Die erste Art der Verformungen werden als out-of-Ebene (oder vertikale bezeichnet PFM oder VPFM) Messungen.

Wenn die Polarisation und angelegten elektrischen Feldes parallel (Abb. 2a), wird die Verformung positive (Expansion) und Piezoresponse Signal in Phase mit V _AC. Im Gegenteil, wenn das angelegte elektrische Feld ist antiparallel zur spontanen Polarisation, führt dies zu piezoelektrischen auf Vertrag mit der konsequenten Senkung der Cantilever (Abb. 2b). Das elektrische Feld und die Piezoresponse Signal in der Phase um 180 ° verschoben. Ebenso kann die Richtung der Polarisation für die in-plane polarisierten ferroelektrischen Getreide über einen entsprechenden (Scher-) piezoelektrischen Koeffizienten abgeleitet werden d ₁₅ ^eff (Abb. 2c, d). In diesem Fall bewirkt das angelegte elektrische Feld einer Scherverformung des Getreides, die über die Reibungskräfte, die Torsions-Bewegung des Cantilevers übertragen wird. Diese Messungen werden weiter als in der Ebene (oder lateral bezeichnet werden PFM oder LPFM) Messungen.

Aufgrund der Cantilever-Asymmetrie, Polarisation in Richtung der Auslegerachse nur durch physikalisch Drehung der Probe um 90 ° entlang der z-Achse und Wiederholung der in-plane-Messung erfasst werden. Mit dem Erwerb aller drei Komponenten des Piezoresponse Signals ist es möglich, zumindest semiquantitative Rekonstruktion Polarisationsorientierung durchzuführen. Allerdings kann eine genaue Orientierung der Polarisation nur berechnet, wenn alle Komponenten des piezoelektrischen Tensors bekannt sind. Der erste Versuch, die Amplitude der Piezoresponse Signal an die Ausrichtung der ferroelektrischen Polarisation beziehen durch Harnagea und Pignolet durchgeführt und detaillierte Formalismus wurde später von Kalinin et al. Eine sorgfältige Analyse der Bewegung des Cantilevers muss im Hinblick auf seine Orientierung relativ zu den kristallographischen Achsen der Probe durchgeführt werden, so dass eine eindeutige Zuordnung der beobachteten Domain Gegensatz zu den treibenden Kräften. Im Falle von Verbundwerkstoffen wie ferroelektrischen Polymer mit Partikeln oder ferroelektrischen hybrid (organisch-anorganische) Stoffe wird dieses Problem durch die Kenntnis der elektromechanischen Verhalten der einzelnen Komponenten näherte gemischt.

Abbildung 2. Piezoelektrischen Effekt in einer tetragonalen ferroelektrischen von PFM untersucht. (A) Elektrisches Feld parallel zur spontanen Polarisation ausgerichtet führt zu einem Anheben des Auslegers durch die d _33-Effekt (out-of-plane-Signal). (B) Die antiparallele Ausrichtung des elektrischen Feldes und der spontanen Polarisation führt zu einer vertikalen Kontraktion und eine horizontale Erweiterung des ferroelektrischen. (C), (d) angelegten elektrischen Feldes senkrecht zur Polarisation führt zu einer Scherbewegung aufgrund der d _{15-Koeffizienten.} Diese Bewegung bewirkt eine Torsionsverformung des Cantilevers zwingt den Laserspot sich horizontal zu bewegen (in-plane-Signal).

Artefakte in PFM Acquisition

Leider eine eindeutige Trennung der out-of-plane und in-plane Erwerb Kanäle ist nicht immer möglich. Dies führt in der cross-talk zwischen den beiden Kanälen und misinterpreatation der Ergebnisse unabhängig, ob die Cross-Talk der mechanischen oder elektrischen Grund ist. Obwohl die meisten im Handel erhältlichen AFMs mit den Programmen in der Lage, die Bilder während der Verarbeitung zu kompensieren versorgt werden, PFM ist cross-talk-Korrektur nicht inbegriffen. NT-MDT (in Zusammenarbeit mit der Universität Bonn) entwickelt eine einfache elektronische Schaltung, wo die cross-talk Entschädigung wird durch einfache Signalverarbeitung der in-plane-und Out-plane-Signale in der Situation, wo einer von ihnen anwesend ist getan. Die Ergebnisse unten zeigen die Situation, in der nur in-plane-Signal vorhanden ist. Die Out-of-plane PFM -Signal wird vollständig durch die Kompensationsschaltung kompensiert.

Abbildung 3. Topogaphy (a), out-of-plane PFM (b) und in-plane PFM (c) Signale ohne (rechtes Bild) und mit (linkes Bild) cross-talk-Kompensator in FF-Peptid-Nanoröhrchen, wo nur in-plane-Signal sollte beobachtet werden (Bilder mit freundlicher Genehmigung von I. Bdikin und A. Kholkin, Universität Aveiro, Portugal).

Polarisation Strukturierung und Selbstorganisation über PFM

Derzeit ist die Forschung durchgeführt, um neue Arten von Materialien, die in einzigartiger funktionierende Geräte zusammenbauen kann entdecken. Der Grundstein für solche Studien ist eine kräftige synthetische Anstrengungen, die Freiheit erlaubt, um Design, so dass neue strukturelle Typen erstellt werden können. Eine unbeantwortete Frage ist, wie allgemeine Methoden zu entwickeln, um zu versammeln und miteinander verbinden organischen und biologischen Strukturen in Funktion molekularer Ebene Geräten. Zur Erreichung dieser kritischen Verbindungen, muss eine neue Art der Montage entwickelt erlauben, verschiedene molekulare Spezies auf der Oberfläche in den vorgegebenen Stellen angebracht werden. Neuartiger Ansatz, die vor kurzem vorgeschlagen wurde, ist auf die Montage von Nanostrukturen durch atomare (ferroelektrische) Polarisation auf der Oberfläche gerichtet sind. Dies wird oft als ferroelektrischen Lithographie bezeichnet. Ferroelektrischen Polarisation kann in der Tat verwendet werden, um verschiedene organische und anorganische Spezies zu sammeln und Nanostrukturen mit kontrollierten Eigenschaften zu schaffen. Als Beispiel zeigen wir hier, dass P (VDF-TrFE), ultradünne Schichten durch die Langmuir-Blodgett-Technik abgeschieden werden können als Vorlagen für die Montage von verschiedenen Phospholipiden, die die wesentlichen Bestandteile von Zellmembranen verwendet werden. Beide Bildgebung und Strukturierung könnte durch PFM getan werden, so dass die nanoskaligen Strukturen geschaffen werden können. Diese wurden durch die Bildung von homogenen und stabilen runden Blobs mit Durchmessern im Bereich von 0,5-3 um ergab.

Auf diese Weise wurden ferroelektrische Polymerfilme polarisiert durch die Anwendung der verschiedenen Spannungen über eine leitende PFM Spitze und PFM Bilder wurden dann erhalten äußern Polarisationsverteilung. Danach wird der Phospholipid (1,2-di-O-Hexadecyl-sn-glycero-3-phosphocholin)-Moleküle wurden aus der Lösung abgeschieden. Konventionelle Rasterkraftmikroskopie -Experimente wurden durchgeführt, um die Selektivität der Abscheidung zu beurteilen. Es wurde beobachtet, dass die Abscheidung sehr empfindlich auf die Konzentration der Lösung ist. Die selektive Abscheidung wurde vor allem auf die Polarisation Grenzen, wo die Selektivität erreicht einen maximalen Wert von etwa 20-40% (Abb. 4a) beobachtet. Die Phospholipiden bestehenden Linien konnten auch direkt durch die deponiert werden PFM Spitze als nanoskalige Stift (Abb. 4b) und Polarisation kann auch in einem Phospholipidschicht rückgängig gemacht werden

Abbildung 4. (A) Polarisation-driven Montage der pospholipids auf der Oberfläche des P (VDF-TrFE) Filme über PFM, (b) aus Phospholipiden bestehenden Zeilen geschrieben und visualisiert PFM und (c) ferroelektrischen Domänen auf der Oberfläche der Phospholipid / P writeen (VDF -TrFE) Doppelschicht-Filme. Courtesy Alejandro Heredia, Igor Bdikin und Andrei Kholkin (Universität Aveiro, Portugal).

Piezoresponse und Pseudoferroelectricity in ZnO

Zinkoxid (ZnO) ist ein bekannter n-Typ-Halbleitermaterial mit bemerkenswerten elektronischen und optischen Eigenschaften mit großem Potenzial für Mikro-und Optoelektronik. Hochbeständiger c-Achse orientierten ZnO-Filme sind auch von Interesse für verschiedene piezoelektrische Anwendungen (zB als Sensoren, Aktoren, hochfrequente akustische Wandler, etc) aufgrund ihrer bemerkenswerten und stabilen piezoelektrischen Eigenschaften. Vor kurzem hat ZnO zu einem Material der Wahl für piezoelektrische Harvesting-Geräte wegen der Leichtigkeit, des Wachstums in der Nanostäbchen und nanobelt Geometrien. Allerdings sind die piezoelektrischen Eigenschaften von ZnO nicht gut verstanden und charakterisiert, insbesondere im Fall von polykristallinen Schichten mit gemischten Orientierung der Körner und schwach (wenn überhaupt) Unipolarität. Das Beispiel der detaillierten Untersuchung von piezoelektrischen Eigenschaften von ZnO-Filmen ist in Abb.. 5. Jedes Korn wird durch den Kontrast zu relevanten piezoelektrischen Koeffizienten, Faserverlauf und Klemmwirkung andere Getreidearten aus. Mit PFM war es möglich, piezoelektrische Karten der Oberfläche durch Messung der Reaktion in vertikale und 2 orthogonal Querrichtung (Abb. 5a-c) und, basierend auf dem piezoelektrischen Gegensatz zu erhalten, um die Orientierung und die Polarität der einzelnen Körner (Abb. Dekonvolution . 5c). Zum ersten Mal wurde ferroelektrischen-wie Hysterese in nominell reinem ZnO (Abb. 5e) um dessen pseudoferroelectric Eigenschaften wie kürzlich von Taganzew vorhergesagt entdeckt.

Abbildung 5. Topographie (a) und nanoskalige piezoelektrischen Karten in polykristallinem ZnO-Filme (bc) durch Pulsed Laser Deposition erhalten. Polarity Karte (c) stellt Polarisation (mit Schild) und die Orientierung der einzelnen Körner while (g) zeigt ferroelektrischen-wie Hysterese in nominell undotierten Filmen. Courtesy Igor Bdikin und Andrei Kholkin (Universität Aveiro, Portugal).

Elektromechanik biologischer Systeme

Piezoelektrizität, die aus der nicht-zentrosymmetrischen Kristallstruktur ergibt, ist eine intrinsische Eigenschaft der meisten Biopolymere, wie Proteine ​​und Polysaccharide. Piezoelektrische Verhalten hat in einer Vielzahl von biologischen Systemen, einschließlich verkalkt und Bindegewebe und Pflanzen, Dentin, Knochen etc. Das Verständnis der Beziehung zwischen physiologisch erzeugten elektrischen Feldern und mechanischen Eigenschaften über die molekulare, zelluläre und Gewebe Ebenen hat sich die Hauptmotivation beobachtet des Studiums Piezoelektrizität in biologischen Systemen. Das Interesse ist auch aufgrund der Tatsache, dass pizoelectrically aktive Biomaterialien als nanoskalige Sensoren, Aktoren und Sensoren voll kompatibel mit der biologischen Umgebung verwendet werden kann. Darüber hinaus ist die starke Orientierung der Abhängigkeit von den piezoelektrischen Effekt extrem wichtig für die Untersuchung von komplexen hierarchischen Struktur in biologischen Materialien. Es wurde kürzlich festgestellt, dass kurze Peptide aromatischen selbstorganisierten in der nanscale Rohrgeometrien mit einem sehr hohen piezoeleffect (vergleichbar mit dem in LiNbO _3, einer der meist verwendeten anorganischen Materialien Wandler). Abbildung 6 zeigt Topographie der Nanoröhre (a), schematische Darstellung der Polarisations-und Messanordnung durch PFM (b) und PFM Kontrast entgegengesetzt orientierten Nanoröhrchen, wo die d ₃₃ ^eff (Scher-) piezoelektrische Koeffizient ist nur verantwortlich für die elektromechanische Kopplung. Der Vorteil der PFM ist eine hohe Auflösung und die Möglichkeit, lokale piezoelektrische Effekt in komplexen Geometrien zu messen. Die starke und robuste piezoelektrische Aktivität in bioinspirierter PNTS (in der Vergangenheit nie gesehen) macht sie vielversprechende Kandidaten für künftige Generationen von "grünen" nanopiezoelectrics, die ausführlich in der biomedizinischen und medizinischen Anwendungen eingesetzt werden könnten. Es ist vorgesehen, dass diese biokompatibel und starren Nanoröhren (sowie Arrays von derselben) können als Schlüsselelemente für die zukünftige Biosensoren, die direkten Kontakt mit menschlichem Gewebe dienen.

Abbildung 6. Topographie (a), Mess-Anordnung (b) und Piezo-Kontrast (c) in FF-Peptid-Nanoröhrchen (mit freundlicher Genehmigung Igor Bdikin und Andrei Kholkin, Universität Aveiro, Portugal).

Nanoscale Studies der Multiferroische Materialien

Multiferroika - Materialien, die gleichzeitig magnetische und ferroelektrische Ordnung - jetzt locken ein großes Interesse sowohl wegen der faszinierenden Physik und viel versprechende Anwendungen. Eines der vorgeschlagenen Antriebsmechanismen für Ferroelektrizität ist das Auftreten von Ladungsordnung (CO) in gemischten Manganiten mit Bindung Dimerisierung kombiniert, um Inversionssymmetrie brechen. Man bedenkt, dass die Polarisierung in dieser Feststoffe kann in nanoskaligen Bände existieren, Piezoresponse Force Microscopy kann für das Studium Bias-induzierten ferroelektrischen Eigenschaften sowohl unterhalb als auch oberhalb CO Phasenübergang verwendet werden. Solche Verzerrungen induzierte Ferroelektrizität via studierte PFM kann auch für die Erstellung von künstlichen multiferroischen Materialien und Speicherzellen wichtig. Diese Experimente helfen, die Rolle der Ladung / Orbital-und magnetische Ordnung auf die elektrische Polarisation undertand und Beurteilung der Natur der neuen Quelle der multiferroicity. Diese exeriments wurden kürzlich auf dem bekannten (La, Sr) MnO ₃ gemischt Manganiten durchgeführt und in der Tat einem ferroelektrischen Zustand wurde bei Raumtemperatur, also viel höher als für CO Phasenübergänge erwartet gefunden. Abbildung 7 zeigt beispielhaft die Bias-Feld-induzierten ferroelektrischen Insel in der zentrosymmetrischen Manganit "Meer". Dies bestätigt, dass hoch genug elektrische Feld kann eine Symmetrie zu brechen und induzieren polaren Zustand aufgrund der örtlichen "electric" Dotierung des Materials.

Abbildung 7. Nanoscale ferroelektrischen Insel durch die PFM tim in La _0,89 Sr _0,11 MnO ₃ Manganit (a) und Piezoresponse Hysterese induzierten Schleifen zeigen Polarisation Reversibilität. Courtesy Igor Bdikin und Andrei Kholkin (Universität Aveiro, Portugal).

Schlussfolgerungen

Während die erstmalige Anwendung der PFM war hauptsächlich auf Bild ferroelektrischen Domänen signifikant in ein paar wichtige, aber sehr selten ferroelektrischen Materialien, die PFM kann derzeit auf eine Vielzahl von Materialien einschließlich Biomaterialien und Ionenleiter angewendet werden. Gekoppelt elektromechanischen Eigenschaften sind inhärent in Hunderten von anorganischen Materialien (auch zentrosymmetrischen auf einer makroskopischen Skala) und ähnlich in biologischen Materialien. Die Entwicklung der PFM bietet einen neuen Einblick in das Verhalten einer Vielzahl von Materialien. Ebenso wichtig ist, die Entwicklungen in PFM sind Teil eines größeren Trend zu extrem hohen räumlichen Auflösung in Quantifizierung der elektromagnetischen Eigenschaften. Mehrere Klassen von funktionellen Eigenschaften sind nun erstmals gelungen, bei sub-nm Auflösung. In den meisten Fällen werden die Eigenschaften von einzelnen skalaren Zahlen wie Widerstand, Leitfähigkeit, Oberfläche Potential, Ladungsdichte, etc. vertreten PFM ist einzigartig, denn es trägt diese Strategie in den Bereich der komplexen Tensor Eigenschaften. Bedeutende Fortschritte der PFM (möglich, aber noch unbekannt) sind im Bereich der neuen Materialien und Geräte auf ihnen basierenden erwartet.

Quelle: NT-MDT Co.
Autor: Dr. Andrei Kholkin (Universität Aveiro, Portugal)

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