Microscopia de la Fuerza de Piezoresponse (PFM) - Introducción, Principios y Aspectos Instrumentales de Microscopia de la Fuerza de Piezoresponse por NT-MDT

Temas Revestidos

Introducción
Principios y Aspectos Instrumentales de la Microscopia de la Fuerza de Piezoresponse (PFM)
     Principios De Base de PFM
     Historia de PFM
     Teoría Elemental de PFM
Mecanismo del Contraste en Microscopia de la Fuerza de Piezoresponse
Artefactos en la Adquisición de PFM
El Modelar y Uno mismo-Ensamblaje de la Polarización vía PFM
Piezoresponse y Pseudoferroelectricity en ZnO
Electromechanics de Sistemas Biológicos
Estudios de Nanoscale de los Materiales de Multiferroic
Conclusiones

Introducción

Ferroelectrics es una subclase del piezoelectrics, a saber, los materiales que experimentan la deformación mecánica bajo voltaje aplicado o cargar bajo fuerza mecánica. Pieza de convicción de Ferroelectrics una amplia gama de propiedades funcionales, incluyendo la polarización eléctrica alta y cambiable, la piezoelectricidad fuerte, la alta actividad óptica no lineal, la piroelectricidad excepcional, y el comportamiento dieléctrico no lineal notable. Estas propiedades son imprescindibles para las aplicaciones en dispositivos electrónicos numerosos tales como sensores, actuadores, detectores del IR, filtros de microonda y, recientemente, memorias no volátiles, nombrar algunos. Debido a esta combinación única de los investigadores y de los representantes técnicos de las propiedades se han estado centrando en la visualización de los dominios ferroeléctricos (áreas con la dirección única de la polarización) en diversas escalas.

Los avances Recientes en síntesis y la fabricación de micro-y el ferroelectrics del nanoscale trajeron a los nuevos fenómenos físicos y dispositivos de la vida que necesitan ser estudiados y ser entendidos en esta escala. Como las dimensiones de la estructura están consiguiendo más pequeñas, pieza de convicción del ferroelectrics un efecto de talla pronunciado que se manifiesta en una desviación importante de las propiedades de estructuras inferior-dimensionales de sus análogos a granel. En este sentido, el ferroelectrics es similar a los materiales magnéticos puesto que la energía superficial no se puede descuidar en pequeños volúmenes y la acción recíproca de largo alcance del dipolo se modifica importante en geometrías reducidas. También depende conectado si un ferroeléctrico está lindado en uno, dos, o todas las estructuras tridimensionales.

Después del reto de la miniaturización, las técnicas nuevas se requieren para la evaluación de propiedades ferroeléctricas y piezoeléctricas con el alto, final resolución del nanoscale. Muchas ediciones fundamentales tienen hoy en día ser abordadas por ejemplo el efecto del arresto de la geometría sobre las propiedades ferroeléctricas y piezoeléctricas, lazo entre el piezoresponse local y las propiedades macroscópicas, así como los mecanismos microscópicos de la transferencia de la polarización, de la estabilidad del dominio y de la degradación, incluyendo fenómenos de la polarización en el interfaz.

Más Allá de las aplicaciones nuevas del nanoscale, las funciones de películas ferroeléctricas, la cerámica policristalina, e incluso los únicos cristales son dominados a menudo por los defectos que actúan como nucleación y los centros de la fijación para las paredes de dominio móviles y determinan así el piezoresponse. Además, las propiedades electromecánicas únicas del ferroelectrics del relaxor (materiales con la deformación gigante y la constante dieléctrica) originan de la interacción de la polarización con la substancia química y cargan desorden en la escala del nanómetro. Finalmente, hay una clase nueva del multiferroics donde la polarización se acopla a la magnetización en la escala local.

Para dirigir los mecanismos fundamentales que apuntalan las funciones de materiales y de dispositivos ferroeléctricos, las estructuras de dominio y su evolución bajo polarizado tienen que ser estudiadas en el micrófono y las escalas del nanómetro. El revelado rápido de la Microscopia de la microscopia de la antena de la exploración y, especialmente, de la Fuerza de Piezoresponse (PFM) ha dado lugar a un adelanto fabuloso en esta área como será destacado abajo después de la breve descripción del método.

Los Principios y los Aspectos Instrumentales de Piezoresponse Fuerzan Microscopia (PFM)

Principios De Base de PFM

La aproximación de PFM para sondar piezoeléctrico-y las propiedades ferroeléctricas en el nanoscale se basa en el acoplamiento fuerte entre la polarización y el dispacement mecánico. Al Parecer, el acoplar puede ser dirigido aplicando un campo eléctrico altamente localizado al material y sondando las dislocaciones superficiales minuciosas resultantes con una precisión del picometer (Fig. 1).

El Cuadro 1. Diagrama Esquemático de la ordenación de la Microscopia de la Fuerza de Piezoresponse donde los voltajes de la CA y de C.C. se aplican a la punta metalizada y a la dislocación mecánica se mide vía método convencional del AFM.

El AFM Común proporciona a una plataforma ideal para el estudio local del piezoeffect debido a la alta resolución vertical y a la alta localización del campo eléctrico en la unión entre la punta metalizada y la superficie. Por Lo Tanto, PFM es un contacto-modo AFM en el cual una punta conductora eléctricamente orientada del AFM se utiliza pues una antena del acoplamiento electromecánico local vía el efecto piezoeléctrico inverso. Notable, el mecanismo básico de la formación de la imagen en PFM es métodos fuerza-basados complementarios del AFM (la fuerza es aplicada y se mide la desviación de la punta) y microscopia el hacer un túnel de la exploración (STM) (diagonal es aplicado y se mide una corriente).

Historia de PFM

Después de la invención de STM y del AFM, los primeros ejemplos de medir una deformación polarizado-inducida debido a la piezoelectricidad con una antena de la exploración eran en 1991 donde el piezoresponse fue estudiado usando microscopia acústica y STM de la exploración. Después, los primeros papeles en mediciones piezoeléctricas y la visualización del dominio ferroeléctrico por el AFM han aparecido. Después de esto una serie de resultados pioneros ha sido obtenida por Takata y otros (usando proyección de imagen de la deformación vía hacer un túnel microscopia acústica), Franke y otros, Kolosov y otros y Gruverman y otros. El trabajo por Gruverman con los co-autores es determinado importante porque demostró proyección de imagen y la transferencia en ferroelectrics común y acuñar los términos “Piezoresponse” y “PFM” que han llegado a ser estándar ahora. En los últimos 15 años, PFM se ha convertido en la herramienta primera para estudiar las propiedades estáticas y dinámicas de materiales ferroeléctricos, según lo evidenciado por varios libros y revistas recientes.

Teoría Elemental de PFM

En PFM, un voltaje se aplica a la punta conductora como

Vtip = V+DC VAC lechuga romana (ωt)

Aquí VDC es el polarizado de la C.C. (polarizado de la transferencia), VAC es el polarizado de la CA (que sonda en diagonal) y el ω es la frecuencia el polarizado de la CA (que impulsa frecuencia). Mientras Que la muestra se despliega y los contratos debido al efecto piezoeléctrico inverso, vigilar la desviación de la punta usando a bloqueo-en el amplificador para la oscilación de la punta

A = A0 + Alechuga romana (ωt + φ)

donde está0 A la dislocación y el φ superficiales estáticos es el desplazamiento de fase entre el voltaje que impulsa VAC y la deformación inducida voltaje A = d33eff VAC + (∂C/∂z) (VDC - VV5)AC. El primer término es la deformación piezoeléctrica local debida del piezoresponse verdadero descrita por la d piezocoefficient efectiva33eff y el segundo término es una deformación electroestática local causada por local y el Maxwell no-local stress.20 Comparado Con los soportes para el potencial y la C superficiales es el capaciatance total del sistema de la voladizo-muestra.

La amplitud de PFM proporciona a la información en la magnitud del acoplamiento electromecánico local, mientras que la imagen de la fase de PFM da la orientación local de la polarización. La resolución de la proyección de imagen de PFM es Típicamente menos que el ~ 10-30 nanómetro según lo determinado de la mitad del ancho de una pared de dominio en la señal mezclada de PFM, BANDA = Alechuga romana (φ) que se utilice sobre todo para la caracterización (el φ es éter cerca de 0º o a 180º). La resolución es limitada por el área de contacto de la punta-muestra (determinada nominal por el radio del ápice de la punta), aunque mecanismos adicionales para ensanchar tal como acciones recíprocas electroestáticas y la formación de un cuello líquido en la unión de la punta-superficie es posible.

Mecanismo del Contraste en Microscopia de la Fuerza de Piezoresponse

El mecanismo del contraste y la detección de los modelos del dominio ferroeléctrico con PFM se basa en el hecho de que los materiales ferroeléctricos son necesariamente piezoeléctricos. Básicamente, el voladizo realiza tres clases de dislocaciones: (i) desviación vertical como resultado del fuera de la fuerza plano debido al coeficiente33eff de d, (ii) torsión (causada por la resistencia d) piezocoefficient15eff , y (iii) abrochando de la acción recíproca con la superficie cuando una fuerza del en-avión actúa a lo largo del eje voladizo. El primer tipo de deformaciones se refiere como mediciones del fuera-de-avión (o PFM vertical, o VPFM).

Si la polarización y campo eléctrico aplicado es paralela (Fig. 2a), la deformación es positiva que (extensión) y señal del piezoresponse es en fase con el V.AC Por el contrario, si el campo eléctrico aplicado es antiparalelo a la polarización espontánea, esto hará piezoeléctrico contratar con bajar consiguiente del voladizo (Fig. 2b). El campo eléctrico y la señal del piezoresponse son desviados en fase por 180°. Semejantemente, la dirección de la polarización para el grano ferroeléctrico polarizado en-avión se puede deducir vía (resistencia) un coeficiente piezoeléctrico relevante d15eff (Fig. 2c, d). En este caso, el campo eléctrico aplicado causa una deformación de la resistencia del grano, que se transfiere vía las fuerzas de fricción al movimiento torsional del voladizo. Estas mediciones serán denotadas más a fondo como mediciones del en-avión (o PFM lateral, o LPFM).

Debido a la asimetría voladiza, polarización en dirección del eje voladizo puede ser registrado solamente físicamente girando la muestra por el 90° a lo largo de z-AXIS y relanzando la medición del en-avión. Detectando los tres componentes de la señal del piezoresponse, es posible realizar por lo menos la reconstrucción semiquantitativa de la orientación de la polarización. Sin Embargo, la orientación exacta de la polarización puede ser calculada solamente si todos los componentes del tensor piezoeléctrico se saben. La primera tentativa de relacionarse la amplitud de la señal del piezoresponse con la orientación de la polarización ferroeléctrica ha sido emprendida por Harnagea y Pignolet y el formalismo detallado ha sido desarrollado más adelante por Kalinin y otros. Un análisis cuidadoso del movimiento del voladizo se debe hacer en cuanto a su orientación en relación con las hachas cristalográficas de la muestra, permitiendo una atribución sin obstrucción del contraste observado del dominio con las fuerzas impulsoras. En el caso de los materiales compuestos como polímero ferroeléctrico mezclado con las partículas o de los materiales (orgánico-inorgánicos) híbridos ferroeléctricos este problema es abordado conociendo el comportamiento electromecánico de cada componente.

Cuadro 2. efecto Piezoeléctrico en un ferroeléctrico tetrágono investigado por PFM. (a) El campo Eléctrico alineó paralelo con la polarización espontánea lleva a levantar del voladizo debido al efecto33 de d (señal del fuera-de-avión). (b) La alineación antiparalela del campo eléctrico y de la polarización espontánea lleva a una contracción vertical y a una extensión horizontal del ferroeléctrico. (c), (d) campo Eléctrico aplicó ortogonal a los resultados de la polarización en un movimiento de la resistencia debido al coeficiente15 de d. Este movimiento causa una deformación torsional del voladizo que fuerza la mancha de laser para moverse horizontalmente (señal del en-avión).

Artefactos en la Adquisición de PFM

Lamentablemente una separación inequívoca de los canales del fuera-de-avión y de la adquisición del en-avión no es siempre posible. Esto da lugar a la diafonía entre los canales y el misinterpreatation de los resultados independiente si la diafonía está de la razón mecánica o eléctrica. Aunque la mayoría del AFMs disponible en el comercio se suministre los programas capaces para compensar las imágenes durante el tramitación, la corrección de la diafonía de PFM no es incluida. NT-MDT (en cooperación con la Universidad de Bonn) ha desarrollado un circuito electrónico simple donde la remuneración de la diafonía es hecha por el tratamiento de señales simple del en-avión y de las señales del fuera-avión en la situación donde está presente cualquiera de ellas. Los resultados mostrados abajo ilustran la situación donde solamente está presente la señal del en-avión. La señal del fuera-de-avión PFM es compensada completo por el circuito que compensa.

El Cuadro 3. Topogaphy (a), el fuera-de-avión PFM (b) y el en-avión PFM (c) hace señales sin (imagen correcta) y con el compensador de la diafonía (de la imagen izquierda) en los nanotubes del péptido del FF donde solamente la señal del en-avión debe ser observada (cortesía de Imágenes de I. Bdikin y de A. Kholkin, Universidad de Aveiro, de Portugal).

El Modelar y Uno mismo-Ensamblaje de la Polarización vía PFM

Actualmente, la investigación conducto para descubrir nuevos tipos de materiales que puedan ensamblar en los dispositivos únicamente de funcionamiento. La piedra angular de tales estudia es un esfuerzo sintetizado vigoroso que permite que la libertad diseñe, para poder crear nuevos tipos estructurales. Una pregunta por contestar es cómo idear métodos generales para ensamblar y para interconectar las estructuras orgánicas y biológicas en los dispositivos moleculares de funcionamiento de la escala. Para lograr estas interconexiones críticas, un nuevo tipo de ensamblaje debe ser el permitir desarrollada asociar diversa especie molecular en la superficie en las ubicaciones predeterminadas. El Nuevo enfoque que fue sugerido recientemente se basa en el ensamblaje de los nanostructures dirigidos por la polarización (ferroeléctrica) atómica en la superficie. Esto se refiere a menudo como litografía ferroeléctrica. La polarización Ferroeléctrica se puede utilizar de hecho para ensamblar diversa especie orgánica e inorgánica y para crear nanostructures con las propiedades controladas. Como un ejemplo, mostramos aquí ese P (VDF-TrFE), las películas ultrafinas depositadas por la técnica de Langmuir-Blodgett podemos ser utilizados como modelos para el ensamblaje de los diversos fosfolípidos, que son los componentes esenciales de las membranas celulares. La proyección de imagen y el modelar se podrían hacer por PFM, para poder crear los modelos del nanoscale. Éstos fueron revelados por la formación de homogéneo y el establo redondeó gotas con los diámetros en el rango los 0.5-3µm.

De esta manera, las películas ferroeléctricas del polímero fueron polarizadas por la aplicación de diversos voltajes vía una punta de conducto de PFM y las imágenes de PFM entonces fueron obtenidas que mostraban la distribución controlada de la polarización. Después de esto, las moléculas del fosfolípido (1,2-di-O-hexadecyl- sn-glycero-3-phosphocholine) fueron depositadas de la solución. Los experimentos atómicos Convencionales de la microscopia de la fuerza entonces fueron realizados para evaluar la selectividad del proceso de la deposición. Fue observado que el proceso de la deposición es muy sensible a la concentración de la solución. La deposición selectiva fue observada principal en los límites de la polarización donde la selectividad alcanzó un valor máximo de cerca de 20-40% (Fig. 4a). Las líneas del pospholipid se podrían también depositar directamente por la punta de PFM como una pluma del nanoscale (Fig. 4b) y la polarización se puede también invertir en una capa del fosfolípido

El Cuadro 4. (a) ensamblaje Polarización-Impulsado de los pospholipids en la superficie de las películas de P (VDF-TrFE) vía PFM, (b) Pospholipid forra escrito y visualizado por PFM y (c) los dominios ferroeléctricos writeen en la superficie de las películas del bilayer del fosfolípido P (VDF-TrFE). Cortesía Alejandro Heredia, Igor Bdikin y Andrei Kholkin (Universidad de Aveiro, de Portugal).

Piezoresponse y Pseudoferroelectricity en ZnO

El óxido de Cinc (ZnO) es un n-tipo bien conocido material del semiconductor que tiene propiedades electrónicas y ópticas notables con el gran potencial para micro-y la optoelectrónica. Las películas c-AXIS-orientadas Altamente resistentes de ZnO están también de interés para las diversas aplicaciones piezoeléctricas (e.g como los sensores, los actuadores, los transductores acústicos de alta frecuencia, etc) debido a sus propiedades piezoeléctricas notables y estables. Recientemente, ZnO se ha convertido en un material de la opción para los dispositivos de cosecha piezoeléctricos debido a la facilidad del incremento en las geometrías del nanorod y del nanobelt. Sin Embargo, las propiedades piezoeléctricas de ZnO no son haber entendido bien y caracterizado, especialmente en el caso de las películas policristalinas que mezclan la orientación de los granos y (eventualmente) del unipolarity débil. El ejemplo de la investigación detallada de propiedades piezoeléctricas de las películas de ZnO se da en Fig. 5. Cada grano es caracterizado por el contraste relacionado con el coeficiente piezoeléctrico relevante, la orientación del grano, y embridar el efecto de otros granos. Usando PFM era posible obtener las correspondencias piezoeléctricas de la superficie midiendo la reacción en la vertical y 2 direcciones laterales ortogonales (Fig. 5a.c.) y, sobre la base del contraste piezoeléctrico, al deconvolute la orientación y la polaridad de cada grano individual (Fig. 5c). Por primera vez, ferroeléctrico-como histéresis fue descubierto en ZnO nominal puro (Fig. 5e) que probaba así sus propiedades pseudoferroelectric según lo predicho recientemente por Tagantsev.

Cuadro 5. Topografía (a) y correspondencias piezoeléctricas del nanoscale en las películas policristalinas de ZnO (a.C.) obtenidas por la deposición del laser pulsado. La correspondencia de la Polaridad (c) representa la polarización (con el señal) y la orientación de granos individuales mientras que el (G) demuestra ferroeléctrico-como histéresis en películas nominal sin impurificar. Cortesía Igor Bdikin y Andrei Kholkin (Universidad de Aveiro, de Portugal).

Electromechanics de Sistemas Biológicos

La Piezoelectricidad que proviene la estructura cristalina no-centrosimétrica es una propiedad intrínseca de la mayoría de los biopolímeros, incluyendo las proteínas y los polisacáridos. El comportamiento Piezoeléctrico se ha observado en una variedad de sistemas biológicos, incluyendo calcificado y los tejidos conectivos y las instalaciones, el esmalte dental, los huesos Etc. Entendiendo el lazo entre los campos eléctricos y las propiedades mecánicas fisiológico generados en los niveles moleculares, celulares, y del tejido se han convertido en el estímulo principal de estudiar la piezoelectricidad en sistemas biológicos. El interés es también debido al hecho de que los biomateriales pizoelectrically activos se pueden utilizar como los sensores, los actuadores y transductores del nanoscale totalmente compatibles con el ambiente biológico. Además, la dependencia fuerte de la orientación del efecto piezoeléctrico es extremadamente importante para la investigación de la estructura jerárquica compleja en materiales biológicos. Se ha observado recientemente que los péptidos aromáticos cortos uno mismo-ensamblaron en las geometrías tubulares del nanscale con un piezoeleffect muy alto (comparable a ése en LiNbO3, uno de los materiales inorgánicos sobre todo usados del transductor). El Cuadro 6 presenta la imagen de la topografía del nanotube (a), diagrama esquemático de la ordenación de la polarización y de la medición por el contraste de PFM (b) y de PFM para los nanotubes opuesto orientados donde está33eff solamente responsable el coeficiente piezoeléctrico de d (resistencia) del acoplamiento electromecánico. La ventaja de PFM es una alta resolución y una posibilidad para medir efecto piezoeléctrico local en geometrías complejas. La actividad piezoeléctrica fuerte y robusta en PNTs bioinspired (nunca visto en el pasado) le hace a los candidatos prometedores a las futuras generaciones de nanopiezoelectrics “verde” que pudieron ser utilizadas extensivamente en aplicaciones biomédicas y médicas. Se preve que estos nanotubes biocompatibles y rígidos (así como las matrices de eso) pueden servir como los elementos claves para los biosensores futuros permitiendo el contacto directo con el tejido humano.


 

Cuadro 6. Topografía (a), ordenación de la medición (b), y contraste piezoeléctrico (c) en los nanotubes del péptido del FF (cortesía Igor Bdikin y Andrei Kholkin, Universidad de Aveiro, de Portugal).

Estudios de Nanoscale de los Materiales de Multiferroic

Multiferroics - materiales que tienen simultáneamente ordenar magnética y ferroeléctrica - ahora atraer un considerable interés debido a la física fascinadora y aplicaciones prometedoras. Uno de los mecanismos de arrastre propuestos para la ferroelectricidad es el acontecimiento de la carga que ordena (CO) en los manganites mezclados combinados con la dimerización en enlace para romper simetría de la inversión. Considerando que la polarización en estos macizo puede existir en volúmenes del nanoscale, la Microscopia de la Fuerza de Piezoresponse se puede utilizar para estudiar propiedades ferroeléctricas polarizado-inducidas debajo y encima de la transición de fase del CO. Tal ferroelectricidad polarizado-inducida estudiada vía PFM puede también ser importante para crear los materiales y las células de memoria multiferroic artificiales. Estos experimentos ayudan al undertand al papel de la carga/de ordenar orbital y magnética en la polarización eléctrica y evalúan la naturaleza de la nueva fuente del multiferroicity. Estos exeriments fueron realizados recientemente en (La, Sr) los manganites mezclados3 MnO bien conocidos y un estado ferroeléctrico fue encontrado de hecho en las temperaturas ambiente, es decir, mucho más arriba que preveído para las transiciones de fase del CO. El Cuadro 7 ejemplifica la isla ferroeléctrica campo-inducida polarizado en el manganite centrosimétrico “mar”. Esto confirma que arriba suficiente campo eléctrico podría romper una simetría e inducir el estado polar debido al doping “eléctrico” local del material.

Cuadro 7. isla ferroeléctrica de Nanoscale inducida por el PFM tim en el manganite0.890.113 de LaSrMnO (a) y los bucles de histéresis del piezoresponse que muestran reversibilidad de la polarización. Cortesía Igor Bdikin y Andrei Kholkin (Universidad de Aveiro, de Portugal).

Conclusiones

Mientras Que la aplicación inicial de PFM estaba principal a los dominios ferroeléctricos de la imagen importantes en algunos materiales ferroeléctricos importantes pero muy raros, el PFM se puede aplicar actualmente a una gran variedad de materiales incluyendo biomateriales y conductores iónicos. Las propiedades electromecánicas Acopladas son inherentes en centenares de materiales inorgánicos (incluso centrosimétricos en una escala macroscópica) y semejantemente en materiales biológicos. La evolución de PFM proporciona a una nueva ventana en el comportamiento de una amplia gama de materiales. Igualmente importante, los progresos en PFM son parte de una tendencia más grande hacia la alta resolución espacial extrema en la cuantificación de propiedades electromágneticas. Varias clases de propiedades funcionales ahora se sondan en la resolución sub-nanómetro. En la mayoría de los casos las propiedades son representadas por únicos números numéricos como la resistencia, la conductividad, el potencial superficial, la densidad de carga, Etc. PFM son únicas en que lleva esta estrategia en el reino de las propiedades complejas del tensor. Los avances Importantes de PFM (posible pero desconocido con todo) se preveen en el reino de nuevos materiales y de dispositivos basados en ellos.

Fuente: NT-MDT Co. 
Autor: El Dr. Andrei Kholkin (Universidad de Aveiro, de Portugal)

Para más información sobre esta fuente visite por favor NT-MDT Co.

Date Added: Sep 13, 2010 | Updated: Jun 11, 2013

Last Update: 14. June 2013 04:44

Comments
  1. Lakshmi Kola Lakshmi Kola India says:

    I am not clear what 71 degree domains and 180 degree domains are. Is the angle related to the phase of the piezoelectric response?

The opinions expressed here are the views of the writer and do not necessarily reflect the views and opinions of AZoNano.com.
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