Force Microscopy Piezoresponse (GFP) - Introduction, principes et aspects instrumentaux de la microscopie à force Piezoresponse par NT-MDT

Thèmes abordés

Présentation
Principes et aspects instrumentaux de la microscopie à force Piezoresponse (GFP)
Principes de base de la GFP
Histoire de la GFP
Théorie élémentaire de la GFP
Mécanisme de contraste en microscopie à force Piezoresponse
Les artefacts dans l'acquisition de la GFP
Modélisation de polarisation et d'auto-assemblée par l'intermédiaire de la GFP
Piezoresponse et Pseudoferroelectricity de ZnO
Électromécanique des systèmes biologiques
Etudes échelle nanométrique de matériaux multiferroïques
Conclusions

Présentation

Ferroelectrics sont une sous-classe de la piézoélectricité, à savoir le matériel que l'expérience de la déformation mécanique sous tension appliquée ou le chargement en force mécanique. Ferroelectrics présentent une large gamme de propriétés fonctionnelles, notamment la polarisation électrique de haute et commutable, piézoélectricité forte, non-linéaire de haute activité optique, pyroélectricité en suspens, et remarquable comportement diélectrique non-linéaire. Ces propriétés sont indispensables pour les applications dans de nombreux appareils électroniques tels que des capteurs, des actionneurs, des détecteurs IR, filtres hyperfréquences et, récemment, mémoires non-volatiles, pour n'en nommer que quelques-uns. Grâce à cette combinaison unique de propriétés chercheurs et les ingénieurs ont mis l'accent sur la visualisation des domaines ferroélectriques (zones avec la direction de polarisation unique) à différentes échelles.

Les avancées récentes dans la synthèse et la fabrication de matériaux ferroélectriques micro et nanométriques apporté à la vie de nouveaux phénomènes physiques et des dispositifs qui doivent être étudiés et compris à cette échelle. Comme les dimensions sont plus petites structures, matériaux ferroélectriques présentent un effet de taille marquée qui se manifeste dans un écart significatif des propriétés de faible dimension des structures de leurs analogues en vrac. En ce sens, ferroélectriques sont similaires à des matériaux magnétiques, puisque l'énergie de surface ne peut être négligé dans de petits volumes et à long terme d'interaction dipôle est sensiblement modifiée dans les géométries réduite. Elle dépend aussi de savoir si un ferroélectrique est confiné dans un, deux, ou toutes les structures tridimensionnelles.

Après le défi de miniaturisation, de nouvelles techniques sont nécessaires pour l'évaluation des propriétés ferroélectriques et piézoélectriques avec la haute résolution définitive nanométrique. Beaucoup de questions fondamentales ont de nos jours pour être traités comme l'effet du confinement sur les propriétés géométriques ferroélectriques et piézoélectriques, la relation entre piezoresponse locales et les propriétés macroscopiques, ainsi que des mécanismes microscopiques de commutation de polarisation, la stabilité et la dégradation de domaine, y compris les phénomènes de polarisation à l'interface.

Au-delà des nouvelles applications nanométriques, la fonctionnalité des films ferroélectriques, céramiques polycristallins, et même des monocristaux est souvent dominée par des défauts qui agissent comme des centres de nucléation et épinglant pour les murs de domaine en mouvement et donc de déterminer l'piezoresponse. En outre, les propriétés uniques des électromécanique relaxeurs ferroélectriques (matériaux avec la souche géante et constante diélectrique) proviennent de l'interaction de polarisation avec des produits chimiques et des troubles de charge à l'échelle nanométrique. Enfin, il ya une nouvelle classe de multiferroïques où la polarisation est couplée à l'aimantation à l'échelle locale.

Pour faire face à des mécanismes fondamentaux qui sous-tend la fonctionnalité des matériaux ferroélectriques et des dispositifs, des structures de domaine et de leur évolution sous polarisation doivent être étudiés à l'échelle micro et nanométrique. Le développement rapide de microscopie à sonde locale et, surtout, la microscopie à force Piezoresponse (GFP) a abouti à une avancée fabuleuse dans ce domaine comme il sera mis en évidence ci-dessous après la courte description de la méthode.

Principes et aspects instrumentaux de la microscopie à force Piezoresponse (GFP)

Principes de base de la GFP

La GFP approche pour sonder les propriétés piézo-et ferroélectriques à l'échelle nanométrique est basée sur le couplage fort entre la polarisation et dispacement mécanique. Apparemment, l'accouplement peut être résolu en appliquant un champ électrique très localisée de la matière et de sonder les déplacements de surface résultante minute avec une précision picomètre (Fig. 1).

Figure 1. Schéma de l'arrangement Piezoresponse microscopie à force où les deux tensions AC et DC sont appliqués à la pointe métallisée et un déplacement mécanique est mesurée par l'AFM méthode conventionnelle.

Commune AFM fournit une plateforme idéale pour piezoeffect étude locale due à haute résolution verticale et la localisation élevé de champ électrique à la jonction entre la pointe et la surface métallisée. Ainsi, PFM est un contact en mode AFM dans laquelle un conducteur électrique biaisée AFM pointe est utilisée comme une sonde de couplage électromécanique locale via l'effet inverse piézoélectriques. Remarquablement, le mécanisme de base de l'image dans la formation de la GFP est complémentaire à la force basée sur l'AFM méthodes (la force est appliquée et la déviation pointe est mesurée) et microscopie à effet tunnel (STM) (polarisation est appliquée et un courant est mesuré).

Histoire de la GFP

Après l'invention de la STM et AFM , les premiers exemples de mesurer une déformation induite par un biais en raison de la piézoélectricité avec une sonde à balayage ont été en 1991 où piezoresponse a été étudiée par microscopie acoustique et la STM. Plus tard, les premiers documents sur les mesures piézoélectriques et la visualisation de domaines ferroélectriques par l'AFM sont apparus. Suite à cette série un des pionniers des résultats ont été obtenus par Takata et al (en utilisant l'imagerie par microscopie acoustique souche tunnel), Franke et al, Kolosov et al et Gruverman et al. Les travaux de Gruverman avec coauteurs est particulièrement importante car elle a démontré l'imagerie et de commutation dans les ferroélectriques commune et frappe 'Piezoresponse «les modalités et les« GFP »qui sont maintenant devenus la norme. Au cours des 15 dernières années, PFM est devenu le principal outil pour étudier les propriétés statiques et dynamiques des matériaux ferroélectriques, comme en témoignent un certain nombre de livres récents et des critiques.

Théorie élémentaire de la GFP

En PFM , une tension est appliquée à la pointe conductrice comme

V _pointe = V _DC + V _AC cos (cot)

Ici V _CC est la polarisation CC (commutation de polarisation), V _AC est le biais AC (sonder biais) et ω est la fréquence biais AC (conduite de fréquence). Comme l'échantillon dilate et se contracte en raison de l'effet inverse piézoélectriques, la déviation pointe est contrôlée en utilisant un amplificateur lock-in afin que l'oscillation la pointe

Une = A ₀ + A cos _1ω (cot φ +)

où A ₀ est le déplacement en surface statique et φ est le déphasage entre le moteur V _AC et la déformation de tension induite Une _1ω = D ₃₃ ^{V _AC eff} + (∂ C / ∂ z) (V _CC - V ₅₎ V _AC . Le premier terme est la vraie raison piezoresponse locales déformation piézo décrites par le D ₃₃ piezocoefficient effective ^eff et le second terme est une déformation locale électrostatiques provoquées par la fois locaux et non locaux Vs. Maxwell stress.20 représente le potentiel de surface et C est la capaciatance totale du système cantilever échantillon.

La GFP d'amplitude fournit des informations sur l'ampleur du couplage électromécanique locales, tandis que la GFP image de phase donne orientation de la polarisation locale. Typiquement la résolution d'imagerie GFP est inférieure à ~ 10-30 nm tel que déterminé à partir de la moitié de la largeur d'une paroi de domaine dans le mélange de la GFP signal, PR = A cos _1ω (φ) qui est principalement utilisé pour la caractérisation (φ est l'éther proche de 0 ° ou à 180 º). La résolution est limitée par la surface de contact pointe-échantillon (nominalement déterminée par le rayon du sommet de la pointe), bien que des mécanismes supplémentaires pour élargir tels que les interactions électrostatiques et la formation d'un liquide dans le cou la jonction pointe-surface sont possibles.

Mécanisme de contraste en microscopie à force Piezoresponse

Le mécanisme de détection de contraste et de modèles de domaines ferroélectriques avec des GFP est basé sur le fait que les matériaux ferroélectriques sont nécessairement piézoélectriques. Fondamentalement, le cantilever effectue trois types de déplacements: (i) la déviation verticale en raison de la force avion hors de cause de d ₃₃ ^eff coefficient, (ii) de torsion (causée par cisaillement piezocoefficient d ₁₅ ^eff ), Et (iii) de flambage de l'interaction avec la surface quand une force agit dans le plan long de l'axe cantilever. Le premier type de déformations sont considérés comme hors-plan (ou à la verticale de la GFP mesures, ou VPFM).

Si la polarisation et de champ électrique appliqué sont parallèles (fig. 2a), la déformation est positive (dilatation) et le signal piezoresponse est en phase avec V _AC. Au contraire, si le champ électrique appliqué est antiparallèle à la polarisation spontanée, cela va provoquer piézoélectrique contrat avec l'abaissement consécutif du cantilever (fig. 2b). Le champ électrique et le signal piezoresponse sont déphasés de 180 °. De même, la direction de la polarisation pour le grain dans le plan ferroélectriques polarisée peut être déduite par une pertinents (cisaillement) coefficient piézoélectrique d ₁₅ ^EFF (Fig. 2c, d). Dans ce cas, le champ électrique appliqué provoque une déformation de cisaillement de la graine, qui est transféré via les forces de frottement au mouvement de torsion du cantilever. Ces mesures seront encore notée dans le plan (ou latéral de la GFP , ou FMFP) mesures.

En raison de l'asymétrie du cantilever, la polarisation dans la direction de l'axe en porte à faux ne peut être enregistré par rotation physique de l'échantillon de 90 ° le long de l'axe z et en répétant la mesure dans le plan. En acquérant les trois composantes du signal piezoresponse, il est possible d'effectuer au moins semi-quantitative de la reconstruction orientation de la polarisation. Toutefois, l'orientation précise de polarisation peut être calculé que si tous les composants du tenseur piézo-électriques sont connues. La première tentative de relier l'amplitude du signal piezoresponse à l'orientation de la polarisation ferroélectriques a été entrepris par Harnagea et Pignolet et le formalisme détaillé a été développé plus tard par Kalinine et al. Une analyse attentive du mouvement du cantilever doit être fait par rapport à son orientation par rapport aux axes cristallographiques de l'échantillon, ce qui permet une attribution claire de l'opposition de domaine observées aux forces motrices. Dans le cas de matériaux composites polymères ferroélectriques mélangé avec des particules ou ferroélectriques matériaux hybrides (organique-inorganique), ce problème est abordé par connaître le comportement électromécanique de chaque composant.

Figure 2. Effet piézoélectrique dans un ferroélectriques tétragonale une enquête par la GFP. (A) du champ électrique aligné parallèlement à la polarisation spontanée conduit à une levée du cantilever en raison de l'effet D ₃₃ (hors-plan du signal). (B) L'alignement antiparallèle du champ électrique et la polarisation spontanée conduit à une contraction verticale et une extension horizontale du ferroélectriques. (C), (d) du champ électrique appliqué orthogonale à la polarisation des résultats dans un mouvement de cisaillement due à la D ₁₅ de coefficient. Ce mouvement provoque une déformation de torsion du cantilever forçant le spot laser de se déplacer horizontalement (dans le plan du signal).

Les artefacts dans l'acquisition de la GFP

Malheureusement une séparation claire de l'out-of-avion et des canaux d'acquisition dans le plan n'est pas toujours possible. Il en résulte une diaphonie entre les deux canaux et misinterpreatation des résultats indépendamment si le cross-talk est de la raison mécanique ou électrique. Bien que la plupart disponibles commercialement AFM sont fournis avec des programmes capables de compenser les images en cours de traitement, PFM diaphonie correction n'est pas inclus. NT-MDT (en coopération avec l'Université de Bonn) a développé un circuit électronique simple où la diaphonie compensation est réalisée par traitement du signal simple des signaux dans le plan et hors plan dans la situation où l'un d'eux est présent. Les résultats présentés ci-dessous illustrent la situation où seulement dans le plan signal est présent. Le hors-plan de la GFP signal est entièrement compensée par le circuit de compensation.

Figure 3. Topogaphy (a), out-of-plane GFP (b) et dans le plan de la GFP (c) Les signaux sans (image de droite) et avec (image de gauche) diaphonie compensateur dans les nanotubes de peptide FF où seulement dans le plan de signal doit être observée (Images courtoisie de I. et A. Bdikin Kholkin, Université d'Aveiro, Portugal).

Modélisation de polarisation et d'auto-assemblée par l'intermédiaire de la GFP

Actuellement, les recherches sont menées pour découvrir de nouveaux types de matériaux qui peuvent s'assembler en des dispositifs uniques de fonctionnement. La pierre angulaire de ces études est un effort vigoureux de synthèse qui permet la liberté de concevoir, de sorte que de nouveaux types de structure peut être créée. Une question sans réponse est de savoir comment concevoir des méthodes générales d'assembler et d'interconnecter les structures organiques et biologiques dans le fonctionnement des dispositifs à l'échelle moléculaire. Pour atteindre ces interconnexions critique, un nouveau type d'assemblage doit être développé pour permettre d'attacher différentes espèces moléculaires à la surface dans les endroits prédéterminés. Approche novatrice qui a été récemment suggéré est basé sur l'assemblage de nanostructures dirigé par atomiques (ferroélectriques) de polarisation sur la surface. Ceci est souvent désigné comme la lithographie ferroélectriques. La polarisation ferroélectrique peut être effectivement utilisé pour assembler différentes espèces organiques et inorganiques et de créer des nanostructures à propriétés contrôlées. Comme exemple, nous montrons ici que P (VDF-TrFE), des films ultraminces déposées par la technique de Langmuir-Blodgett peuvent être utilisées comme modèles pour l'assemblage de divers phospholipides, qui sont les composants essentiels des membranes cellulaires. Tant d'imagerie et de structuration pourrait être fait par la GFP, de sorte que les motifs nanométriques peuvent être créés. Ils ont été révélés par la formation d'homogène et stable blobs arrondie avec un diamètre compris entre 0,5 et 3 um-.

De cette façon, les films polymères ferroélectriques ont été polarisée par l'application de différentes tensions par une réalisation de la GFP et de la pointe de la GFP images ont ensuite été obtenues montrant la distribution polarisation contrôlée. Après cela, le phospholipide (1,2-di-O-hexadécyl-sn-glycéro-3-phosphocholine) de molécules ont été déposés à partir de la solution. Conventionnel microscopie à force atomique expériences ont ensuite été effectuées pour évaluer la sélectivité du processus de dépôt. On a observé que le processus de dépôt est très sensible à la concentration de la solution. Le dépôt sélectif a été observée principalement à la polarisation des frontières où la sélectivité a atteint une valeur maximale de environ 20-40% (fig. 4a). Les lignes pospholipid pourrait également être déposés directement par le GFP pointe comme un stylo échelle nanométrique (figure 4b) et la polarisation peut aussi être inversée en une couche de phospholipides

Figure 4. (A) Polarisation axée assemblage de la pospholipids sur la surface de P (VDF-TrFE) films via la GFP, (b) les lignes Pospholipid écrite et visualisés par GFP et (c) domaines ferroélectriques writeen sur la surface des phospholipides / P (VDF -TrFE) films bicouche. Courtoisie Alejandro Heredia, Igor Bdikin et Andrei Kholkin (Université d'Aveiro, Portugal).

Piezoresponse et Pseudoferroelectricity de ZnO

L'oxyde de zinc (ZnO) est un matériau bien connu des semi-conducteurs de type n ayant de remarquables propriétés électroniques et optiques avec un grand potentiel pour la micro-et optoélectronique. Très résistant axe c films orientés de ZnO sont également d'intérêt pour diverses applications piézoélectriques (par exemple les capteurs, les actionneurs, les capteurs acoustiques à haute fréquence, etc) en raison de leur remarquable et stable des propriétés piézoélectriques. Récemment, le ZnO est devenu un matériau de choix pour les appareils de récolte piézoélectriques raison de la facilité de la croissance dans les géométries et les nanotige nanobelt. Cependant, les propriétés piézoélectriques de ZnO sont pas bien compris et se caractérise, en particulier dans le cas des films polycristallins ayant orientation mixte des grains et faible (le cas échéant) unipolarité. L'exemple de l'enquête détaillée des propriétés piézoélectriques des films de ZnO est donné dans la Fig. 5. Chaque grain est caractérisée par le contraste liés à coefficient piézoélectrique pertinent, l'orientation des grains, et l'effet de serrage des autres céréales. L'utilisation de la GFP , il était possible d'obtenir des cartes de la surface piézo-électriques en mesurant la réponse dans la verticale et 2 directions orthogonales latérale (Fig. 5a-c) et, basé sur le contraste piézoélectriques, à déconvoluer l'orientation et la polarité de chaque grain individuel (Fig . 5c). Pour la première fois, ferroélectriques de type hystérésis a été découvert en nominalement pur ZnO (fig. 5e) prouvant ainsi ses propriétés pseudoferroelectric comme prédit récemment par Tagantsev.

Figure 5. Topographie (a) et nanométriques cartes piézoélectrique polycristalline ZnO films (C.-B.) obtenus par dépôt laser pulsé. Plan de polarité (c) représente la polarisation (avec signe) et l'orientation des grains individuels tout en (g) montre ferroélectriques de type hystérésis dans les films nominalement non dopé. Courtoisie Igor Bdikin et Andrei Kholkin (Université d'Aveiro, Portugal).

Électromécanique des systèmes biologiques

Piézoélectricité qui découle de la structure cristalline non centrosymétrique est une propriété intrinsèque de la plupart des biopolymères, y compris les protéines et les polysaccharides. Le comportement piézoélectrique a été observé dans une variété de systèmes biologiques, y compris les tissus calcifiés et conjonctif et des plantes, la dentine, os etc Comprendre la relation entre les champs électriques générés physiologiquement et les propriétés mécaniques à l'échelle moléculaire, cellulaire et tissulaire est devenu la principale motivation d'étudier la piézoélectricité dans les systèmes biologiques. L'intérêt est également dû au fait que les biomatériaux actifs pizoelectrically peuvent être utilisées comme capteurs nanométriques, les actionneurs et capteurs entièrement compatible avec l'environnement biologique. En outre, la dépendance forte orientation de l'effet piézo-électrique est extrêmement important pour l'enquête sur la structure hiérarchique complexe dans les matières biologiques. Il a été récemment observé que les peptides courts aromatiques auto-assemblés dans les géométries nanscale tubulaire avec une très haute piezoeleffect (comparable à celle de LiNbO _3, l'un des matériaux principalement utilisés capteur inorganiques). La figure 6 présente l'image la topographie du nanotube (a), schéma de la polarisation et l'agencement de mesure en GFP (b) et GFP de contraste pour les nanotubes orientés en sens opposé où la D ₃₃ ^EFF (cisaillement) Coefficient piézoélectrique est seul responsable pour le couplage électromécanique. L'avantage de la GFP est une haute résolution et possibilité de mesurer l'effet piézoélectrique locales dans des géométries complexes. L'activité solide et robuste piézoélectrique VCN bioinspirés (jamais vu dans le passé) en fait des candidats prometteurs pour les générations futures du "vert" nanopiezoelectrics qui pourraient être largement utilisés dans des applications biomédicales et médicales. Il est prévu que ces nanotubes biocompatible et rigide (ainsi que des tableaux de celle-ci) peut servir comme éléments clés pour l'avenir des biocapteurs permettant un contact direct avec les tissus humains.

Figure 6. Topographie (a), dispositif de mesure (b), et le contraste piézoélectrique (c) dans les nanotubes de peptide FF (courtoisie Igor Bdikin et Andrei Kholkin, Université d'Aveiro, Portugal).

Etudes échelle nanométrique de matériaux multiferroïques

Multiferroïques - matériaux qui présentent simultanément ordre magnétique et ferroélectrique - attirent aujourd'hui un intérêt considérable tant en raison de la physique fascinant et applications prometteuses. Un des mécanismes proposés pour les conduire ferroélectricité est la survenue de la commande de charge (CO) dans les manganites mixtes combinée avec la dimérisation obligataire afin de briser la symétrie d'inversion. Considérant que la polarisation dans ces solides peuvent exister dans des volumes échelle nanométrique, la microscopie à force Piezoresponse peut être utilisé pour l'étude de biais induits par les propriétés ferroélectriques ci-dessous et au-dessus de transition de phase du CO. Ces biais induit par la ferroélectricité étudiée via GFP peut aussi être important pour la création artificielle matériaux multiferroïques et les cellules de la mémoire. Ces expériences aident à undertand le rôle de charge / orbital et ordre magnétique sur la polarisation électrique et d'évaluer la nature de la nouvelle source de multiferroicity. Ces exeriments ont été récemment effectuées sur le bien connus (La, Sr) MnO ₃ manganites mixtes et en effet un état ​​ferroélectrique a été trouvé à température ambiante, c'est à dire, beaucoup plus élevé que prévu pour les transitions de phase CO. La figure 7 illustre le biais de terrain induits par l'île dans les ferroélectriques centrosymétriques manganite «mer». Cela confirme que haut champ électrique suffisant pourrait casser une symétrie et d'induire l'état polaires en raison de locaux "électrique" de dopage du matériau.

Figure 7. Nanoscale île ferroélectriques induite par le Tim GFP dans La _0,89 Sr _0,11 MnO ₃ manganite (a) et l'hystérésis piezoresponse boucles montrant la réversibilité de polarisation. Courtoisie Igor Bdikin et Andrei Kholkin (Université d'Aveiro, Portugal).

Conclusions

Alors que la demande initiale de la GFP a été principalement à des domaines ferroélectriques images significatives dans quelques importantes mais assez rares matériaux ferroélectriques, la GFP peut être appliquée actuellement à une grande variété de matériaux, y compris les biomatériaux et les conducteurs ioniques. Couplé propriétés électromécaniques sont inhérents à des centaines de matériaux inorganiques (même centrosymétriques à l'échelle macroscopique) et de même dans les matières biologiques. L'évolution de la GFP propose une nouvelle fenêtre dans le comportement d'un large éventail de matériaux. Tout aussi important, l'évolution de la GFP font partie d'une plus grande tendance vers une extrême haute résolution spatiale dans la quantification des propriétés électromagnétiques. Plusieurs classes de propriétés fonctionnelles sont maintenant sondée au niveau sous-nm de résolution. Dans la plupart des cas, les propriétés sont représentées par des nombres scalaire unique, comme la résistivité, la conductivité, le potentiel de surface, la densité de charge, etc GFP est unique en ce qu'il porte cette stratégie dans le domaine des propriétés de tenseur complexe. Des avancées significatives de la GFP (possible, mais encore inconnus) sont attendus dans le domaine des nouveaux matériaux et dispositifs basés sur eux.

Source: NT-MDT Co.
Auteur: Dr Andrei Kholkin (Université d'Aveiro, Portugal)

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