Piezoresponse 力の顕微鏡検査 (PFM) - 導入、主義および NT-MDT による Piezoresponse 力の顕微鏡検査の器械の面

カバーされるトピック

導入
Piezoresponse 力の顕微鏡検査の原則そして器械の面 (PFM)
     PFM の基本原則
     PFM の歴史
     PFM の基本的な理論
Piezoresponse 力の顕微鏡検査の対照のメカニズム
PFM の獲得の人工物
PFM による分極模造および自己アセンブリ
ZnO の Piezoresponse そして Pseudoferroelectricity
生物系の Electromechanics
Multiferroic の文書の Nanoscale の調査
結論

導入

Ferroelectrics は piezoelectrics、応用電圧の下で機械変形か機械力の下で充満を経験する即ち、材料の目別細分です。 Ferroelectrics の展示品高く、切替可能な電気分極、強い圧電気、高い非線形光学活性、顕著な pyroelectricity および著しい非線形誘電性の動作を含む機能特性の広い範囲。 これらの特性はセンサー、アクチュエーター、 IR の探知器、マイクロウェーブフィルターおよび、不揮発性メモリのような多数の電子デバイスのアプリケーションのために最近不可欠、少数を指名するためにです。 特性研究者およびエンジニアのこの一義的な組合せが原因で異なったスケールで ferroelectric 領域 (ずっと一義的な分極の方向を用いる領域) の視覚化に焦点を合わせています。

統合および製造のマイクロおよび nanoscale の ferroelectrics の最近の前進はこのスケールで調査され、理解される必要がある装置および生命新しい物理的な現象に持って来ました。 構造次元がより小さくなっているように、 ferroelectrics の展示品バルクアナログからの低次元の構造の特性の重要な偏差のそれ自身を明示する顕著な寸法効果。 この意味では、 ferroelectrics は表面エネルギーが小さいボリュームで無視することができないし、長距離双極子の相互作用が減らされた幾何学でかなり修正されるので磁気材料に類似しています。 それはまた ferroelectric 1、 2 で制限される、またはすべての三次元構造に左右されますかどうか。

小型化の挑戦の後で、新しい技術は最高、最終的に nanoscale の解像度の ferroelectric および圧電気の特性の評価に必要となります。 多くの基本的な問題は ferroelectric および圧電気の特性、分極現象を含む分極の切換え、領域の安定性および劣化のローカル piezoresponse およびマクロスコピック特性、またインターフェイスで顕微鏡のメカニズム間の関係に対する幾何学の拘束の効果のような、扱われることをこの頃は持っています。

新しい nanoscale のアプリケーションを越えて、 ferroelectric フィルムの機能性、多結晶性製陶術および単結晶は頻繁に核形成として移動領域壁のためのピンで止める中心機能し、こうして piezoresponse を定める欠陥によって支配されます。 さらに、 relaxor の ferroelectrics (巨大な緊張および比誘電率の材料) の一義的な電気機械の特性は化学薬品との分極の相互作用から起き、ナノメーターのスケールで無秩序を満たします。 最後に、分極がローカルスケールの磁化につながれる multiferroics の新しいクラスがあります。

バイアスの下で ferroelectric 材料および装置の機能性を、ドメイン構造および改革はマイクロおよびナノメーターのスケールで支える基本的なメカニズムをアドレス指定するためには調査されなければなりません。 スキャンのプローブの顕微鏡検査および、特に、 Piezoresponse 力の顕微鏡検査の急速な開発は (PFM)この領域のすばらしい進歩で方法の短い記述の後で次強調されるように起因しました。

Piezoresponse の原則そして器械の面は顕微鏡検査を強制します (PFM)

PFM の基本原則

nanoscale の徹底的な piezo および ferroelectric 特性のための PFM のアプローチは分極と機械 dispacement 間の強いカップリングに基づいています。 おそらく、連結は非常に集中させた電界を材料に加えることおよび picometer の精密 (図 1) の結果として生じる微細な表面の変位を厳密に調べることによってアドレス指定することができます。

AC および両方 DC 電圧が金属で処理された先端および機械変位に適用される Piezoresponse 力の顕微鏡検査の整理の図 1. 設計図は慣習的な AFM 方法によって測定されます。

共通 AFM は金属で処理された先端と表面間の接続点で電界の高い縦解像度そして高いローカリゼーションによるローカル piezoeffect の調査に理想的なプラットホームを提供します。 それ故に、 PFM は電気で偏られた伝導性 AFM の先端が逆の圧電効果によってのでローカル電気機械のカップリングのプローブ使用される接触モード AFM です。 非常に、 PFM の基本的な画像の形成メカニズムは力ベースの AFM 方法 (力は応用であり、先端の偏向は測定されます) およびスキャンのトンネルを掘る顕微鏡検査に補足です (STM) (応用であり、バイアス流れは測定されます)。

PFM の歴史

STM および AFM の発明の後で、スキャンのプローブとの圧電気に 1991 年によるバイアス誘発の変形を測定する最初の例は piezoresponse がスキャンの音響の顕微鏡検査および STM を使用して調査されたところでした。 後で、圧電気の測定の最初のペーパーおよび AFM による ferroelectric 領域の視覚化は現われました。 このの後で一連の先駆的結果は Takata 等 (音響の顕微鏡検査にトンネルを掘ることによる緊張イメージ投射を使用して)、 Franke 等、 Kolosov 等および Gruverman によって等得られました。 共著者との Gruverman による作業は共通の ferroelectrics のイメージ投射および切換えおよび今標準になってしまったターム 「Piezoresponse」および 「PFM」を鋳造することを示したので特に重要です。 過去の 15 年では、 PFM はいくつかの最近の本および検討によって立証されるように ferroelectric 材料の静的で、ダイナミックな特性を調査するための首位のツールに、なりました。

PFM の基本的な理論

PFM では、電圧は伝導性の先端にように適用されます

Vtip = V+DC VAC Cos (ωt)

ここに V はDC dc バイアス (切換えバイアス)、 V ですAC AC バイアス (徹底的なバイアス) であり、ωは AC バイアス頻度です (頻度を運転する)。 サンプルがおよび逆の圧電効果による契約拡大すると同時に先端の偏向はロックインのアンプを使用してように先端の振動監視されます

A = A0 + ACos (ωt + φ)

A がある0 一方、静的な表面の変位およびφは運転の電圧 V と電圧によって誘導される変形AC 間の位相ずれ A = d +33eff VAC です (∂C/∂z) (VDC - VV5)AC。 最初のタームは有効な piezocoefficient d によって記述されている本当の piezoresponse の当然のローカル圧電気の変形であり、33eff 第 2 タームはローカル両方によって引き起こされるローカル静電気の変形であり、非ローカルなマックスウェル stress.20 は対表面の潜在性および C のための立場片持梁サンプルシステムの総 capaciatance です。

PFM の振幅はローカル電気機械のカップリングの大きさで PFM 段階の画像はローカル分極のオリエンテーションを与えるが、情報を提供します。 通常 PFM のイメージ投射解像度は混合された PFM のシグナルの領域壁の幅の半分、性格描写のために大抵使用される PR = A Cos (φ) から定められるように ~ 10-30 nm よりより少しです (φは 0º の近くのまたは 180º へのエーテルです)。 解像度は先端サンプル接触域 (名目上先端の頂点の半径定められる)、しかし静電気の相互作用のような広がることのための追加メカニズム限定され、先端表面の接続点の液体の首の形成は可能です。

Piezoresponse 力の顕微鏡検査の対照のメカニズム

PFM の ferroelectric 領域パターンの対照のメカニズムそして検出は ferroelectric 材料が必ずしも圧電気であるという事実に基づいています。 基本的には、片持梁は 3 種類の変位を行います: (i) d 係数による平らな力からのの結果として縦の33eff 偏向 (ii) ねじり (せん断 piezocoefficient d) および15eff (iii) によって引き起こされる内部平面力が片持梁軸線に沿って機能する場合の表面との相互作用から締めます。 最初のタイプの変形はの平面 (か縦 PFM、または VPFM) 測定と言われます。

分極がおよび加えられた電界平行 (図 2a) なら、変形は応用電界が自発の分極に antiparallel なら肯定的ですAC (拡張) および piezoresponse のシグナルこれに対してあります V. との段階に、これ片持梁 (図 2b) の必然的な低下と契約を結ぶことを引き起します圧電気。 電界および piezoresponse のシグナルは 180° によって段階に移ります。 同様に、内部平面によって分極される ferroelectric 穀物のための分極の方向は関連した (せん断) 圧電気係数 d (図 2c の15eff d) によって推論することができます。 この場合、応用電界により片持梁のねじり動きに摩擦力によって転送される穀物のせん断の変形を引き起こします。 これらの測定は内部平面 (か側面 PFM、または LPFM) 測定として更に表示されます。

片持梁非対称、片持梁軸線の方に分極が原因でしか物理的に z 軸に沿って 90° によるサンプルを回し、内部平面の測定を繰り返すことによって記録することができません。 piezoresponse のシグナルの 3 つのコンポーネントのすべて取得によって、分極のオリエンテーションの少なくとも半定量的な復元を行うことは可能です。 ただし、分極の精密なオリエンテーションは圧電気のテンソルのすべてのコンポーネントが知られているときだけ計算することができます。 ferroelectric 分極のオリエンテーションに piezoresponse のシグナルの振幅を関連付ける最初の試みは Harnagea によって引き受けられ、 Pignolet および詳しく述べられた形式主義は Kalinin によって後で等開発されました。 片持梁の動きの注意深い分析はサンプルの結晶学の斧に関連してオリエンテーションに関してされなければなり駆動力への観察された領域の対照の明確な属性を許可します。 粒子と混じる ferroelectric ポリマーとして複合材料または ferroelectric ハイブリッド (有機性無機) 材料の場合にはこの問題は各コンポーネントの電気機械の動作の知識によって近づかれます。

PFM によって調査される正方 ferroelectric の図 2. 圧電効果。 (a) 電界は d の効果 (の平面のシグナル) による片持梁の持ち上がることに自発の33 分極に平行を導きます一直線に並べました。 (b) 電界および自発の分極の antiparallel アラインメントは ferroelectric の縦の収縮そして水平の拡張の原因となります。 (c) は d 係数によるせん断の動きの分極の結果に、 (d) 電界直角を15 適用しました。 この動きにより水平に移動するためにレーザー点を強制する片持梁のねじり変形を引き起こします (内部平面のシグナル)。

PFM の獲得の人工物

残念ながらの平面および内部平面の獲得チャネルの明瞭な分離は可能常にではないです。 これは結果のチャネルと misinterpreatation 両方間の混線で混線が機械か電気理由であるかどうか無関係に起因します。 処理の間に画像を償うためにほとんどの商用化された AFMs が可能なプログラムと供給されるが PFM の混線訂正は含まれていません。 NT-MDT は (ボンの大学と協同して) 混線補償がそれらのどちらかがある状態の内部平面そして平面のシグナルの簡単な信号処理によって行われる簡単な電子回路を発達させました。 次示されている結果は内部平面のシグナルだけある状態を説明します。 の平面 PFM のシグナルは償い回路によって十分に償われます。

(a) 図 3. Topogaphy、 (b) の平面 PFM および (c) 内部平面 PFM は (内部平面のシグナルだけ観察されるべきである FF のペプチッド nanotubes の左の画像の) 混線補正器なしで (右の画像) そしてと信号を送ります (I. Bdikin および A. Kholkin のアベイロ、ポルトガルの大学の画像礼儀)。

PFM による分極模造および自己アセンブリ

現在、研究は一義的に作用装置にアセンブルするかもしれない材料の新型を検出するために行なわれます。 そのような物の礎石は新しい構造タイプが作成することができるようにです自由が設計するようにする活発で総合的な努力調査します。 未解答の質問は作用の分子スケール装置に有機性および生物的構造をアセンブルするために相互接続するために汎用方法を案出する方法をです。 これらの重大な相互接続を達成するためには、アセンブリの新型は前もって決定された位置の表面の異なった分子種を接続することを開発された割り当てるでなければなりません。 最近提案された目新しい取り組み方は表面の原子 (ferroelectric) 分極によって指示される nanostructures のアセンブリに基づいています。 これは頻繁に ferroelectric 石版印刷と言われます。 Ferroelectric 分極がさまざまな有機性および無機種をアセンブルし、制御された特性と nanostructures を作成するのに全く使用することができます。 一例として、私達は細胞膜の必要なコンポーネントであるさまざまなリン脂質のアセンブリのためにテンプレートとしてその P (VDF-TrFE) を、 Langmuir-Blodgett の技術によって沈殿する極めて薄いフィルム使用することができますここに示します。 nanoscale パターンが作成することができるようにイメージ投射および模造は両方 PFM によってすることができます。 これらは同質の形成によって明らかにされ、馬小屋は範囲 0.5-3µm の直径との塊を四捨五入しました。

このように、 ferroelectric ポリマーフィルムは行なう PFM の先端によってさまざまな電圧のアプリケーションによって分極され、制御された分極の分布を示す PFM の画像はそれから得られました。 これの後で、リン脂質 (1,2 ディディミアムO HEXADECYL の snglycero 3 phosphocholine) の分子は解決から沈殿しました。 慣習的な原子力の顕微鏡検査の実験はそれから沈殿プロセスの選択率を査定するために行われました。 沈殿プロセスが解決の集中に非常に敏感であることが観察されました。 選択的な沈殿は選択率が約 20-40% の最大値に達した分極の境界で主に観察されました (図 4a)。 pospholipid ラインはまた PFM の先端によって nanoscale のペン (図 4b ように) 直接沈殿でき、分極はまたリン脂質の層で逆転させることができます

PFM による P (VDF-TrFE) のフィルムの表面の図 4. (a) pospholipids の分極主導のアセンブリは、 (b) Pospholipid 書かれていて並び、 PFM によって視覚化されておよび (c) ferroelectric 領域リン脂質 P (VDF-TrFE) の bilayer のフィルムの表面で writeen。 礼儀 Alejandro Heredia、イゴール Bdikin および Andrei Kholkin (アベイロ、ポルトガルの大学)。

ZnO の Piezoresponse そして Pseudoferroelectricity

酸化亜鉛 (ZnO) は大きい潜在性のためのマイクロおよび光電子工学を用いる驚くべき電子および光学的性質を持っている有名な n タイプの半導体材料です。 非常に ZnO の抵抗 c 軸線指向のフィルムは著しく、安定した圧電気の特性によるさまざまな圧電気アプリケーションのための興味 (例えばセンサー、アクチュエーター、高周波音響のトランスデューサー、等として) またです。 最近、 ZnO は nanorod および nanobelt の幾何学の成長の容易さのために圧電気の収穫装置のための選択の材料になりました。 ただし、 ZnO の圧電気の特性は健康ではない理解されて、特に穀物および弱い (もしあれば) unipolarity のオリエンテーションを混合する多結晶性フィルムの場合には特徴付けられてし。 ZnO のフィルムの圧電気の特性の詳しい調査の例は図 5. で与えられます。 各穀物は関連した圧電気係数、穀物のオリエンテーション、および他の穀物の効果を締め金で止めることと関連している対照によって特徴付けられます。 PFM を使用して、圧電気の対照に基づいて得ることは可能垂直および 2 つの直角側面方向 (図 5a.c。) のそして deconvolute への応答の測定によって表面の圧電気のマップを各々の個々の穀物 (図 5c) のオリエンテーションそして極性でした。 はじめて、 ferroelectric そっくりのヒステリシスはこうして Tagantsev によって最近予測されるように pseudoferroelectric 特性を証明する名目上純粋な ZnO (図 5e) で検出されました。

脈打ったレーザーの沈殿によって得られる ZnO の多結晶性フィルムの図 5. 地形 (a) および nanoscale の圧電気のマップ (BC)。 (g) が名目上 undoped フィルムの ferroelectric そっくりのヒステリシスを示す間、極性のマップ (c) は分極 (印と) および個々の穀物のオリエンテーションを表します。 礼儀イゴール Bdikin および Andrei Kholkin (アベイロ、ポルトガルの大学)。

生物系の Electromechanics

非 centrosymmetric 結晶構造から生じる圧電気は蛋白質および多糖類を含むほとんどの生物高分子物質の本質的な特性、です。 圧電気の動作は石灰化させるを含むいろいろ生物系で、観察され、分子、細胞の、とティッシュのレベルの生理学的に生成された電界と機械特性間の関係を理解する結合組織およびプラント、象牙質、骨等は生物系の圧電気の調査の主要な刺激になりました。 興味は pizoelectrically 実行中の生体材料が生物的環境と完全に対応する nanoscale のセンサー、アクチュエーターおよびトランスデューサーとして使用することができるという事実がまた原因です。 さらに、圧電効果の強いオリエンテーションの依存は生物的材料の複雑な階層構造の調査のために非常に重要です。 短い芳香のペプチッドが非常に高い piezoeleffect との nanscale の管状の幾何学で自己組み立てたことが最近観察されてしまいました (LiNbO のそれ、3大抵使用された無機トランスデューサー材料の 1 と対等な)。 図 6 は nanotube (a) の d (せん断) 圧電気係数が電気機械のカップリングにだけ責任がある反対側に方向づけられた nanotubes のための PFM (b) および PFM の対照33eff による分極および測定の整理の設計図の地形の画像を示します。 PFM の利点は複雑な幾何学のローカル圧電効果を測定する高リゾリューションおよび可能性です。 bioinspired PNTs の強く、強い圧電気の作業は (決して以前見られる) それらに生物医学的な、医学アプリケーションで広く使用されるかもしれない 「緑の」 nanopiezoelectrics の次世代のための有望な候補者をします。 予知されこれらの biocompatible および堅い nanotubes (、またそれからのアレイ未来のバイオセンサーのためのキーエレメントとして) 役立つかもしれないことが人間のティッシュが付いている直接接触を許可します。


 

(a) 図 6. 地形、測定の整理 (b)、および FF のペプチッド nanotubes (礼儀イゴール Bdikin および Andrei Kholkin のアベイロ、ポルトガルの大学) の圧電気の対照 (c)。

Multiferroic の文書の Nanoscale の調査

Multiferroics - 材料同時に磁気および ferroelectric 命令がある - 魅惑的な物理学および有望なアプリケーションのために両方今引き付けるためかなりの興味を。 強誘電体のための提案された駆動装置の 1 つは逆転の対称を壊すためにとらわれの二量化と (CO)結合される混合された manganites で命令する料金の発生です。 これらの固体の分極が nanoscale ボリュームにあることができると考慮して Piezoresponse 力の顕微鏡検査は CO のフェーズ遷移の下のそしての上のバイアス誘発の ferroelectric 特性の調査に使用することができます。 PFM によって調査されるそのようなバイアス誘発の強誘電体はまた人工的な multiferroic 材料およびメモリセルを作成するために重要かもしれません。 これらの実験は undertand に電気分極の料金/軌道および磁気命令の役割を助け、 multiferroicity の新しいソースの性質を査定します。 これらの exeriments は有名な (La、ストロンチウム) MnO によって混合された manganites で3 最近行われ、全く ferroelectric 状態は CO のフェーズ遷移のために予想を越えた室温で、すなわち、大いに見つけられました。 図 7 は centrosymmetric manganite 「海」のバイアスフィールド誘発の ferroelectric 島を例証します。 これは高く十分な電界が対称を壊し、材料のローカル 「電気」添加による北極の状態を誘導できることを確認します。

LaSrMnO の manganite (a) および分極の可逆性を示す piezoresponse のヒステリシスループの0.890.113 PFM ティムによって誘導される図 7. Nanoscale の ferroelectric 島。 礼儀イゴール Bdikin および Andrei Kholkin (アベイロ、ポルトガルの大学)。

結論

PFM の最初のアプリケーションが少数の重要でしかしかなりまれな ferroelectric 材料で重要な画像の ferroelectric 領域に主にある間、 PFM は生体材料およびイオンのコンダクターを含む材料の大きい変化に現在適用することができます。 つながれた電気機械の特性は何百もの無機材料 (マクロスコピックスケールで centrosymmetric) と同様に生物的材料に装備されています。 PFM の改革は材料の広い範囲の動作にニュー・ウィンドウを提供します。 同じように大切、 PFM の開発は電磁石の特性の定量化の極度で高い空間分解能の方により大きい傾向の部分です。 機能特性の複数のクラスは副 nm 解像度で今厳密に調べられます。 ほとんどの場合特性は抵抗、伝導性、表面の潜在性、電荷密度、等 PFM のような単一のスカラー番号によって複雑なテンソル特性の王国にこの作戦を運ぶことです一義的表されます。 PFM の重要な前進は (けれども可能なしかし未知数) それらに基づいて新しい材料および装置の王国で期待されます。

ソース: NT-MDT Co。 
著者: Andrei Kholkin (アベイロ、ポルトガルの大学) 先生

このソースのより多くの情報のために NT-MDT Co. を訪問して下さい

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

Last Update: 14. June 2013 04:20

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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