Microscopie de Force de Piezoresponse (PFM) - Introduction, Principes et Aspects Instrumentaux de la Microscopie de Force de Piezoresponse par NT-MDT

Sujets Couverts

Introduction
Principes et Aspects Instrumentaux de Microscopie de Force de Piezoresponse (PFM)
     Principes Fondamentaux de PFM
     Histoire de PFM
     Théorie Élémentaire de PFM
Mécanisme de Contraste dans la Microscopie de Force de Piezoresponse
Artefacts dans la Saisie de PFM
Polarisation Modelant et En kit par l'intermédiaire de PFM
Piezoresponse et Pseudoferroelectricity dans ZnO
Electromechanics des Systèmes Biologiques
Études de Nanoscale des Matériaux de Multiferroic
Conclusions

Introduction

Ferroelectrics sont une sous-classe de piezoelectrics, à savoir, les matériaux qui remarquent la déformation mécanique sous la tension appliquée ou le remplissage sous la force mécanique. Document de Ferroelectrics un large éventail de propriétés fonctionnelles, y compris la polarisation électrique élevée et permutable, la piézoélectricité intense, l'activité optique non linéaire élevée, la pyroélectricité en suspens, et le comportement diélectrique non linéaire notable. Ces propriétés sont indispensables pour les applications dans de nombreux appareils électroniques tels que des senseurs, déclencheurs, détecteurs d'IR, filtres d'hyperfréquences et, récent, souvenirs non-volatiles, pour nommer quelques uns. En Raison de cette combinaison unique de chercheurs et d'ingénieurs de propriétés s'étaient concentrés sur la visualisation des domaines ferroélectriques (zones avec le seul sens de polarisation) à différentes échelles.

Les Progrès récents dans la synthèse et la fabrication de micro-et le ferroelectrics de nanoscale ont porté aux phénomènes matériels et aux dispositifs neufs de durée de vie qui doivent être étudiés et compris à cette échelle. Comme les cotes de structure deviennent plus petites, document de ferroelectrics un effet de taille prononcé se manifestant dans un écart significatif des propriétés des structures faible-dimensionnelles de leurs analogues en vrac. Dans ce sens, le ferroelectrics sont assimilé aux matériaux magnétiques puisque de l'énergie extérieure ne peut pas être négligée en petits volumes et l'interaction à longue portée de doublet est sensiblement modifiée dans les géométries réduites. Il dépend également de si un ferroélectrique est logé dans un, deux, ou toutes les structures tridimensionnelles.

Après le défi de miniaturisation, des techniques nouvelles sont exigées pour le bilan des propriétés ferroélectriques et piézoélectriques avec le haut, éventuel définition de nanoscale. Beaucoup de délivrances principales ont de nos jours pour être abordées comme l'effet du confinement de la géométrie sur les propriétés ferroélectriques et piézoélectriques, relation entre le piezoresponse local et les propriétés macroscopiques, ainsi que les mécanismes microscopiques de la commutation de polarisation, de la stabilité de domaine et de la dégradation, y compris des phénomènes de polarisation à la surface adjacente.

Au Delà des applications nouvelles de nanoscale, la fonctionnalité des films ferroélectriques, la céramique polycristalline, et même les monocristaux est souvent dominée par les défauts qui agissent en tant que nucléation et des centres de goupiller pour les parois de Block mobiles et déterminent ainsi le piezoresponse. De plus, les seules propriétés électromécaniques du ferroelectrics de relaxor (matériaux avec la tension géante et la constante diélectrique) proviennent de l'effet de la polarisation avec le produit chimique et chargent le trouble sur l'échelle de nanomètre. En Conclusion, il y a une classe nouvelle de multiferroics où la polarisation est accouplée à la magnétisation à l'échelle locale.

Pour adresser les mécanismes principaux soutenant la fonctionnalité des matériaux et des dispositifs ferroélectriques, des structures de domaine et leur évolution sous la polarisation doivent être étudiées aux échelles de micro et de nanomètre. Le développement rapide de la Microscopie de microscopie de sonde de lecture et, particulièrement, de Force de Piezoresponse (PFM) a eu comme conséquence un avancement fabuleux dans cette zone comme sera mis en valeur ci-dessous après la description courte de la méthode.

Les Principes et les Aspects Instrumentaux de Piezoresponse Forcent la Microscopie (PFM)

Principes Fondamentaux de PFM

L'élan de PFM pour le sondage piézo-électrique-et les propriétés ferroélectriques au nanoscale est basé sur le couplage intense entre la polarisation et le dispacement mécanique. Apparemment, s'accoupler peut être adressé en appliquant un champ électrique fortement localisé au matériau et en sondant les déplacements extérieurs minutieux résultants avec une précision de picometer (Fig. 1).

Le Schéma 1. Schéma de l'arrangement de Microscopie de Force de Piezoresponse où des tensions CC à C.A. et sont appliquées à l'extrémité métallisée et au déplacement mécanique est mesuré par l'intermédiaire de la méthode conventionnelle d'AFM.

L'AFM Commun fournit une plate-forme idéale pour l'étude locale de piezoeffect due à la localisation élevée de définition verticale et de haut du champ électrique à la jonction entre l'extrémité métallisée et la surface. Par Conséquent, PFM est un contact-mode AFM dans lequel une extrémité conductrice électriquement partiale d'AFM est utilisée car une sonde du couplage électromécanique local par l'intermédiaire de l'effet piézoélectrique inverse. Remarquablement, le mécanisme de base de formation d'image dans PFM est complémentaire aux méthodes force-basées d'AFM (la force est appliquée et le fléchissement d'extrémité est mesuré) et à la microscopie de perçage d'un tunnel de lecture (STM) (oblique est appliqué et un courant est mesuré).

Histoire de PFM

Après l'invention du STM et de l'AFM, les premiers cas de mesurer une déformation polarisation-induite due à la piézoélectricité avec une sonde de lecture étaient en 1991 où le piezoresponse a été étudié utilisant la microscopie acoustique de lecture et le STM. Plus tard, les premiers papiers sur des mesures piézoélectriques et la visualisation de domaine ferroélectrique par l'AFM sont apparus. Après ceci une suite de résultats pionniers a été obtenue par Takata et autres (utilisant la représentation de tension par l'intermédiaire de percer un tunnel la microscopie acoustique), Franke et autres, Kolosov et autres et Gruverman et autres. Le travail à côté de Gruverman avec des co-auteurs est particulièrement important parce qu'il a expliqué la représentation et la commutation dans le ferroelectrics commun et inventer les termes « Piezoresponse » et « PFM » qui sont maintenant devenus normaux. Pendant les dernières 15 années, PFM est devenu l'outil premier pour étudier les propriétés statiques et dynamiques des matériaux ferroélectriques, comme démontré par un certain nombre de livres et de révisions récents.

Théorie Élémentaire de PFM

Dans PFM, une tension est appliquée à l'extrémité conductrice As

Vtip = V+DC VAC cos (ωt)

Ici VDC est la polarisation de C.C (polarisation de commutation), VAC est la polarisation à C.A. (sondant de biais) et le ω est la fréquence de polarisation À C.A. (pilotant la fréquence). Pendant Que l'échantillon augmente et des contrats dus à l'effet piézoélectrique inverse, le fléchissement d'extrémité est surveillé utilisant a verrou-dans l'amplificateur de sorte que la vibration d'extrémité

A = A0 + Acos (ωt + φ)

là où A0 est le déplacement et le φ extérieurs statiques est le déphasage entre la tension pilotante VAC et la déformation induite de tension A = d33eff VAC + (∂C/∂z) (VDC - VV5)AC. La première condition est la déformation piézoélectrique locale due de véritable piezoresponse décrite par le d piezocoefficient pertinent33eff et la deuxième condition est une déformation électrostatique locale provoquée par local et Maxwell stress.20 non-local Contre des gabarits pour le potentiel et le C extérieurs est tout le capaciatance du système d'en porte-à-faux-échantillon.

L'amplitude de PFM fournit des informations sur l'importance du couplage électromécanique local, alors que l'image de phase de PFM donne l'orientation locale de polarisation. Type la définition de représentation de PFM est moins que le ~ 10-30 nanomètre comme déterminée à partir de la moitié de la largeur d'une paroi de Block dans le signe mélangé de PFM, P.R. = Acos (φ) qui est en grande partie utilisé pour la caractérisation (le φ est éther près de 0º ou à 180º). La définition est limitée par la zone de contact d'extrémité-échantillon (nominalement déterminée par le radius de l'apex d'extrémité), cependant mécanismes supplémentaires pour élargir tel que des interactions électrostatiques et la formation d'un collet liquide dans la jonction d'extrémité-surface sont possible.

Mécanisme de Contraste dans la Microscopie de Force de Piezoresponse

Le mécanisme de contraste et le dépistage des configurations de domaine ferroélectrique avec PFM est basé sur le fait que les matériaux ferroélectriques sont forcément piézoélectriques. Fondamentalement, l'encorbellement exécute trois genres de déplacements : (i) fléchissement vertical en raison de hors de la force plate due au coefficient33eff de d, (ii) torsion (provoquée par cisaillement d) piezocoefficient15eff , et (iii) bouclant de l'interaction avec la surface quand une force de dans-plan agit le long de l'axe en porte-à-faux. Le premier type de déformations désigné sous le nom des mesures d'à l'extérieur-de-plan (ou PFM vertical, ou VPFM).

Si la polarisation et champ électrique appliqué sont parallèle (Fig. 2a), la déformation est positive que (extension) et signe de piezoresponse a lieu dans la phase avec le V.AC Au Contraire, si le champ électrique appliqué est antiparallèle à la polarisation spontanée, ceci entraînera piézoélectrique pour se contracter avec abaisser conséquent de l'encorbellement (Fig. 2b). Le champ électrique et le signe de piezoresponse sont changés de vitesse dans la phase par 180°. De Même, le sens de la polarisation pour la texture ferroélectrique polarisée parplan peut être déduit par l'intermédiaire (cisaillement) d'un coefficient piézoélectrique approprié d15eff (Fig. 2c, d). Dans ce cas, le champ électrique appliqué entraîne une déformation de cisaillement de la texture, qui est transférée par l'intermédiaire des forces de friction au mouvement de torsion de l'encorbellement. Ces mesures seront encore indiquées comme mesures de dans-plan (ou PFM transversal, ou LPFM).

En Raison de l'asymétrie en porte-à-faux, polarisation en direction d'axe en porte-à-faux peut seulement être enregistré en tournant matériel l'échantillon de 90° le long de l'axe des z et en répétant la mesure de dans-plan. En saisissant chacun des trois composants du signe de piezoresponse, il est possible d'exécuter au moins la reconstruction semi-quantitative de l'orientation de polarisation. Cependant, l'orientation précise de la polarisation peut être prévue seulement si tous les composants du tenseur piézoélectrique sont connus. Le premier essai d'associer l'amplitude du signe de piezoresponse à l'orientation de la polarisation ferroélectrique a été entrepris par Harnagea et Pignolet et formalisme détaillé plus tard a été développé par Kalinin et autres. Une analyse attentive du mouvement de l'encorbellement doit être faite en ce qui concerne son orientation relativement aux haches cristallographiques de l'échantillon, permettant une attribution dégagée du contraste observé de domaine aux forces d'entraînement. Dans le cas des matériaux composites en tant que polymère ferroélectrique mélangé avec des particules ou des matériaux (organique-minéraux) hybrides ferroélectriques ce problème est traité en connaissant le comportement électromécanique de chaque composant.

Le Schéma 2. effet Piézoélectrique dans un ferroélectrique tétragonal vérifié par PFM. (a) Le champ Électrique a aligné le parallèle sur la polarisation spontanée mène à un levage de l'encorbellement dû à l'effet33 de d (signe d'à l'extérieur-de-plan). (b) Le cadrage antiparallèle du champ électrique et de la polarisation spontanée mène à une contraction verticale et à une extension horizontale du ferroélectrique. (c), (d) champ Électrique s'est appliqué orthogonal aux résultats de polarisation dans un mouvement de cisaillement dû au coefficient15 de d. Ce mouvement entraîne une déformation de torsion de l'encorbellement forçant la tache laser pour déménager horizontalement (signe de dans-plan).

Artefacts dans la Saisie de PFM

Malheureusement une séparation sans ambiguïté des tunnels d'à l'extérieur-de-plan et de saisie de dans-plan n'est pas toujours possible. Ceci a comme conséquence l'interférence entre les tunnels et le misinterpreatation des résultats indépendamment si l'interférence est de la raison mécanique ou électrique. Bien Que la plupart d'AFMs disponible dans le commerce soient fournis avec les programmes capables pour compenser les images pendant le traitement, la correction d'interférence de PFM n'est pas incluse. NT-MDT (en coopération avec l'Université de Bonn) a développé un circuit électronique simple où la compensation d'interférence est faite par le traitement du signal simple du dans-plan et les signes d'à l'extérieur-plan dans la situation où l'un ou l'autre de eux est présent. Les résultats affichés ci-dessous illustrent la situation où seulement le signe de dans-plan est présent. Le signe du l'à l'extérieur-de-plan PFM est entièrement compensé par le circuit compensateur.

Le Schéma 3. Topogaphy (a), l'à l'extérieur-de-plan PFM (b) et le dans-plan PFM (c) signale sans (bonne image) et avec compensateur d'interférence (d'image gauche) dans des nanotubes de peptide de FF où on devrait observer seulement le signe de dans-plan (accueil d'Images d'I. Bdikin et d'A. Kholkin, Université d'Aveiro, du Portugal).

Polarisation Modelant et En kit par l'intermédiaire de PFM

Actuel, la recherche est conduite pour découvrir les types neufs de matériaux qui peuvent se réunir dans les dispositifs seulement de fonctionnement. La pierre angulaire de tels étudie est un effort synthétique vigoureux qui permet à la liberté de concevoir, de sorte que des types structurels neufs puissent être produits. Une question sans réponse est comment concevoir des méthodes générales pour assembler et interconnecter les structures organiques et biologiques dans les dispositifs moléculaires de fonctionnement d'échelle. Pour atteindre ces interconnexions critiques, un type neuf d'assemblage doit être laisser développé fixer la substance moléculaire différente sur la surface dans les emplacements prédéterminés. L'élan Nouvel qui a été récent suggéré est basé de l'assemblage des nanostructures dirigés par la polarisation (ferroélectrique) atomique sur la surface. Ceci désigné souvent sous le nom de la lithographie ferroélectrique. La polarisation Ferroélectrique peut être en effet employée pour assembler la substance organique et minérale variée et pour produire des nanostructures avec les propriétés réglées. Comme exemple, nous affichons ici ce P (VDF-TrFE), les films ultra-minces déposés par la technique de Langmuir-Blodgett pouvons être utilisés comme descripteurs pour l'assemblage des phospholipides variés, qui sont les éléments essentiels des membranes cellulaires. La représentation et la structuration pourraient être faites par PFM, de sorte que les configurations de nanoscale puissent être produites. Celles-ci ont été indiquées par la formation de homogène et la gamme de produits a arrondi des gouttes avec des diamètres dans le domaine 0.5-3µm.

De cette façon, des films ferroélectriques de polymère se sont polarisés par l'application des tensions variées par l'intermédiaire d'une extrémité de conduite de PFM et des images de PFM ont été alors obtenues affichant la distribution réglée de polarisation. Après ceci, les molécules du phospholipide (1,2-di-O-hexadecyl- sn-glycero-3-phosphocholine) ont été déposées de la solution. Des expériences atomiques Conventionnelles de microscopie de force ont été alors effectuées pour évaluer la sélectivité du procédé de dépôt. On l'a observé que le procédé de dépôt est très sensible à la concentration de la solution. On a observé le dépôt sélecteur principalement aux bornes de polarisation où la sélectivité a atteint une valeur maximale environ de 20-40% (Fig. 4a). Les lignes de pospholipid pourraient être également directement déposées par l'extrémité de PFM comme un crayon lecteur de nanoscale (Fig. 4b) et la polarisation peut être également renversée dans une couche de phospholipide

Le Schéma 4. (a) assemblage Polarisation Polarisation des pospholipids sur la surface des films de P (VDF-TrFE) par l'intermédiaire de PFM, (b) Pospholipid raye écrit et conçu par PFM et (c) domaines ferroélectriques writeen sur la surface des films de bilayer du phospholipide P (VDF-TrFE). Accueil Alejandro Heredia, Igor Bdikin et Andrei Kholkin (Université d'Aveiro, du Portugal).

Piezoresponse et Pseudoferroelectricity dans ZnO

L'Oxyde de zinc (ZnO) est un matériau de type n réputé de semi-conducteur ayant les propriétés électroniques et optiques remarquables avec le potentiel grand pour micro-et l'optoélectronique. Les films orientés c Hautement résistifs de ZnO sont également d'intérêt pour différentes applications piézoélectriques (par exemple comme senseurs, déclencheurs, transducteurs acoustiques à haute fréquence, etc.) dues à leurs propriétés piézoélectriques notables et stables. Récent, ZnO est devenu un matériau de choix pour les dispositifs de moisson piézoélectriques à cause de la facilité de l'accroissement des géométries de nanorod et de nanobelt. Cependant, les propriétés piézoélectriques de ZnO ne sont pas comprise bonne et caractérisé, particulièrement dans le cas des films polycristallins ayant mélangé l'orientation des textures et du faible (le cas échéant) unipolarity. L'exemple de l'enquête détaillée sur les propriétés piézoélectriques des films de ZnO est donné dans Fig. 5. Chaque texture est caractérisée par le contraste lié au coefficient piézoélectrique approprié, à l'orientation de texture, et à serrer l'effet d'autres textures. Utilisant PFM il était possible d'obtenir les plans piézoélectriques de la surface en mesurant la réaction dans la verticale et 2 sens transversaux orthogonaux (Fig. 5a.c.) et, basé sur le contraste piézoélectrique, au deconvolute l'orientation et la polarité de chaque texture individuelle (Fig. 5c). Pour la première fois, l'hystérésis comme ferroélectrique a été découverte dans ZnO (Fig. 5e) nominalement pur prouvant de ce fait ses propriétés pseudoferroelectric comme prévue récent par Tagantsev.

Le Schéma 5. Topographie (a) et plans piézoélectriques de nanoscale en films polycristallins de ZnO (bc) obtenus par dépôt de laser pulsé. Le plan de Polarité (c) représente la polarisation (avec le signe) et l'orientation de différentes textures tandis que (G) explique l'hystérésis comme ferroélectrique en films nominalement non dopés. Accueil Igor Bdikin et Andrei Kholkin (Université d'Aveiro, du Portugal).

Electromechanics des Systèmes Biologiques

La Piézoélectricité qui provient de la structure cristalline non-centrosymmetric est une propriété intrinsèque de la plupart des biopolymères, y compris des protéines et des polysaccharides. Le comportement Piézoélectrique a été observé dans un grand choix des systèmes biologiques, y compris calcifié et les tissus conjonctifs et les centrales, l'ivoire, les os Etc. Comprenant la relation entre les champs électriques et les propriétés mécaniques sur le moléculaire, cellulaire, et les niveaux du tissu physiologique produits est devenus la motivation principale d'étudier la piézoélectricité dans des systèmes biologiques. L'intérêt est également dû au fait que des biomatériaux pizoelectrically actifs peuvent être utilisés comme senseurs, déclencheurs et transducteurs de nanoscale entièrement compatibles avec l'environnement biologique. De plus, la dépendance intense d'orientation de l'effet piézoélectrique est extrêmement importante pour l'enquête sur la structure hiérarchisée complexe en matériaux biologiques. On l'a récent observé que les peptides aromatiques courts auto-ont assemblé dans les géométries tubulaires de nanscale avec un piezoeleffect très élevé (comparable à celui en LiNbO3, un des matériaux minéraux en grande partie utilisés de transducteur). Le Schéma 6 présente l'image de topographie du nanotube (a), schéma de l'arrangement de polarisation et de mesure par contraste de PFM (b) et de PFM pour des nanotubes à l'opposé installés où le coefficient33eff piézoélectrique de d (cisaillement) est seulement responsable du couplage électromécanique. L'avantage de PFM est une haute résolution et une possibilité pour mesurer l'effet piézoélectrique local dans les géométries complexes. L'activité piézoélectrique intense et robuste dans PNTs bioinspired (jamais non au delà vu dans) leur effectue les candidats prometteurs pour les générations futures de nanopiezoelectrics « vert » qui pourraient être considérable utilisées dans biomédical et des applications médicales. On le prévoit que ces nanotubes biocompatibles et rigides (ainsi qu'alignements de s'y rapportant) peuvent servir d'éléments clé à de futurs biocapteurs permettant le contact direct avec le tissu humain.


 

Le Schéma 6. Topographie (a), arrangement de mesure (b), et contraste piézoélectrique (c) dans des nanotubes de peptide de FF (accueil Igor Bdikin et Andrei Kholkin, Université d'Aveiro, du Portugal).

Études de Nanoscale des Matériaux de Multiferroic

Multiferroics - matériaux qui ont simultanément la commande magnétique et ferroélectrique - attirer maintenant un intérêt considérable à cause de la physique fascinante et des applications prometteuses. Un des dispositifs de conduite proposés pour la ferroélectricité est le cas de la charge passant commande (CO) en manganites mélangés combinés avec la dimérisation en esclavage afin de briser la symétrie d'inversion. Considérant que la polarisation en ces solides peut exister en volumes de nanoscale, la Microscopie de Force de Piezoresponse peut être utilisée pour étudier les propriétés ferroélectriques polarisation-induites ci-dessous et au-dessus du passage de phase de CO. Une Telle ferroélectricité polarisation-induite étudiée par l'intermédiaire de PFM peut également être importante pour produire les matériaux multiferroic artificiels et les cellules de mémoire. Ces expériences aident à l'undertand le rôle de la charge/de commande orbitale et magnétique sur la polarisation électrique et évaluent la nature de la source neuve du multiferroicity. Ces exeriments ont été récent exécutés sur (La, Sr) les manganites mélangés3 par MnO réputés et en effet une condition ferroélectrique a été trouvée aux températures ambiantes, c.-à-d., beaucoup plus haut que prévu pour des passages de phase de CO. Le Schéma 7 exemplifie l'île ferroélectrique zone-induite oblique dans le manganite centrosymmetric « mer ». Ceci confirme que le haut assez de champ électrique pourrait briser une symétrie et induire la condition polaire due au dopage « électrique » local du matériau.

Le Schéma 7. île ferroélectrique de Nanoscale induite par le PFM Tim dans le manganite0.890.113 de LaSrMnO (a) et les boucles d'hystérésis de piezoresponse affichant la réversibilité de polarisation. Accueil Igor Bdikin et Andrei Kholkin (Université d'Aveiro, du Portugal).

Conclusions

Tandis Que la première utilisation de PFM était principalement aux domaines ferroélectriques d'image significatifs en quelques matériaux ferroélectriques importants mais tout à fait rares, le PFM peut être actuel appliqué à une grande variété de matériaux comprenant des biomatériaux et des conducteurs ioniques. Les propriétés électromécaniques Accouplées sont inhérentes aux centaines de matériaux minéraux (même centrosymmetric à une échelle macroscopique) et assimilé en matériaux biologiques. L'évolution de PFM fournit un hublot neuf dans le comportement d'un large éventail de matériaux. Également important, les développements dans PFM font partie d'une plus grande tendance vers la résolution spatiale élevée extrême dans la quantification des propriétés électromagnétiques. Plusieurs classes des propriétés fonctionnelles sont maintenant sondées à la définition sous-nanomètre. Dans la plupart des cas les propriétés sont représentées par des nombres scalaires uniques comme la résistivité, la conductivité, le potentiel extérieur, la densité de charge, Etc. PFM est seule parce qu'il transporte cette stratégie dans le royaume des propriétés complexes de tenseur. Des Améliorations significatif de PFM (possible mais inconnu pourtant) sont prévues dans le royaume des matériaux neufs et des dispositifs basés sur eux.

Source : NT-MDT Cie. 
Auteur : M. Andrei Kholkin (Université d'Aveiro, du Portugal)

Pour plus d'informations sur cette source visitez s'il vous plaît NT-MDT Cie.

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

Last Update: 14. June 2013 04:06

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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