Piezoresponse의 힘 현미경 (PFM) - 소개, 원리 및 Piezoresponse의 힘 현미경의 경음악 측면 NT - 산악 서머 타임에 의해

다루는 주제

소개
원칙과 Piezoresponse의 힘 현미경의 경음악 측면 (PFM)
PFM의 기본 원칙
PFM의 역사
PFM의 기초 이론
Piezoresponse의 힘 현미경에 대비 메커니즘
PFM 취득의 유물
PFM을 통해 편광 Patterning과 자기 조립
ZnO의 Piezoresponse 및 Pseudoferroelectricity
생물 학적 시스템의 Electromechanics
Multiferroic 자료 Nanoscale 연구
결론

소개

강유은 즉 piezoelectrics의 하위 클래스, 적용 전압 또는 기계적 강제 이하 충전 아래의 기계적 변형을 경험 자료입니다. 강유이 높고 전환 전기 분극, 강한 피에조 전기, 높은 비선형 광학 활성, 뛰어난 초전기, 그리고 주목할만한 비선형 유전체 행동을 포함한 기능성 속성의 다양한 전시. 이러한 속성이 같은 센서, 액츄에이터, IR 감지기, 마이크로 웨이브 필터 및 몇 가지 이름을, 최근에, 비휘발성 메모리로 많은 전자 기기에서 애플 리케이션을위한 필수입니다. 속성 연구자와 엔지니어의 독특한 조합으로 인해 다양한 스케일에서 강유 전체 도메인의 시각화 (고유 편광 방향과 영역)에 초점을 맞추고있다.

- 마이크로 및 nanoscale 강유의 합성과 제조의 최근 발전은 생명 신체 새로운 현상이 규모에서 공부하고 이해해야하는 장치를 가져왔다. 구조의 크기는 작아지고 있으므로, 강유는 대량 analogs에서 낮은 차원 구조의 속성의 상당한 편차 스스로를 만들어 낸 발음 크기 효과를 나타냅니다. 표면 에너지가 작은 볼륨과 장거리 쌍극자 상호 작용에 소홀히 할 수 없기 때문에 이러한 의미에서, 강유이 자성 물질과 비슷한이 크게 감소 형상으로 수정됩니다. 또한 강유 전체는 한, 두, 또는 모든 threedimensional 구조에 국한되는지 여부에 따라 달라집니다.

소형화의 도전에 따라 새로운 기술은 높은, 궁극적으로 nanoscale 해상도 강유 전체 및 압전 특성의 평가를 위해 필요합니다. 많은 근본적인 문제는 이러한 강유 전체 및 압전 특성, 지역 piezoresponse 및 매크로 특성 사이의 관계뿐만 아니라 인터페이스의 분극 현상을 포함하여 편광 스위칭, 도메인 안정성과 열화의 미세 구조에있는 도형의 구속 효과로 해결하는 오늘날있다.

소설 nanoscale 응용 프로그램을 넘어, 강유 전체 필름, 다결정 세라믹, 심지어 단일 결정의 기능은 종종 핵 및 이동 도메인 벽에 대한 달아 센터 역할을하기 때문에 piezoresponse를 결정 결함에 의해 지배됩니다. 또한, relaxor 강유 (거대한 변형 및 유전체 상수와 재료)의 독특한 전기 속성은 나노미터 스케일 화학 및 충전 장애 분극의 상호 작용에서 발생한. 마지막으로, 편광는 지역 규모의 자화에 결합됩니다 multiferroics의 소설 클래스가 있습니다.

바이어스에 따라 강유 재료 및 장치, 도메인 구조와 그 진화의 기능을 underpinning 기본 메커니즘은 마이크로와 나노미터 스케일에서 공부해야 주소로. 특히, 프로브 현미경을 스캔과 신속한 개발, Piezoresponse의 힘 현미경 (PFM)이 방법의 간단한 설명 후 아래에 강조 표시됩니다로서이 지역의 멋진 발전시켜 왔습니다.

원칙과 Piezoresponse의 힘 현미경의 경음악 측면 (PFM)

PFM의 기본 원칙

PFM nanoscale에서 압전 및 강유 전체 특성을 프로빙에 대한 접근 방식은 편광 및 기계적 dispacement 사이의 강한 커플링을 기반으로합니다. 분명히, 커플링은 자료 고도화된 전기장을 적용하고 picometer 정밀 (그림 1) 결과 분면 변위를 탐색하여 해결하실 수 있습니다.

그림 1. AC 및 DC 전압 모두 metallized 팁 및 기계적 변위에 적용되는 Piezoresponse의 힘 현미경 배열의 개략도는 기존의 AFM 방법을 통해 측정됩니다.

일반적인 AFM은 높은 수직 해상도와 metalized 팁과 표면 사이의 교차점에서 전기장의 높은 지방화로 인해 지역 piezoeffect 연구를위한 이상적인 플랫폼을 제공합니다. 따라서, PFM은 접촉 모드입니다 AFM 전기 편견 전도성있는 AFM 팁이 대화 압전 효과를 통해 지역의 전기 커플링의 프로브로 사용됩니다. 놀랍에서 기본 이미지 형성 메커니즘 PFM은 상호 보완적인 강요 기반으로 AFM의 방법 (강제 적용되고 팁 편향이 측정) 및 터널링 현미경 (STM)을 (편견이 적용되고 전류가 측정됩니다) 스캔.

PFM의 역사

STM과 발명 다음 AFM piezoresponse이 음향 현미경 및 STM을 사용하여 스캔 공부 어디에 있었는 스캐닝 프로브와 함께 피에조 전기에 의한 편견 유도된 변형을 측정하는 최초의 예는 1991 년에 있었다. 나중에 의해 압전 및 강유 전체 측정 도메인 시각화에 대한 최초의 논문 AFM가 나타났습니다. 개척자 결과의 일련의 다음 Takata 외 (터널링 현미경을 통해 음향 스트레인 이미징을 사용)에 의해 얻은되었습니다, Franke 외, Kolosov 외와 Gruverman 외. 이 영상을 시연 일반 강유의 스위칭 및 조건 'Piezoresponse'와 'coining 때문에 coauthors 함께 Gruverman에 의해이 작품은 특히 중요합니다 PFM 지금은 표준이되었습니다. 지난 15 년 동안, PFM는 최근 도서 및 리뷰 숫자로 입증으로 강유 전체 재료의 정적 및 동적 특성을 학습을위한 최고의 도구가되었습니다.

PFM의 기초 이론

에서 PFM , 전압으로 전도성 팁에 적용됩니다

V _팁 = V _DC + V _AC 왜냐하면 (ωt)

여기 V _DC는 DC 바이어스 (스위칭 바이어스)입니다, V _AC는 교류 바이어스입니다 (바이어스를 프로빙)과 ω는 (주파수 운전) AC 바이어스 주파수입니다. 예제 확장과 대화할 압전 효과에 의한 계약으로서, 팁 편향은 잠금 기능 증폭기 있도록을 사용하여 모니터링할 수있는 팁 진동

= A ₀ + A _1ω 왜냐하면 (ωt + φ)

₀ 정적 표면 변위이고 φ는 운전 전압 V _AC 및 전압 유도 변형 _1ω = D ₃₃ ^{EFF V _AC} + (∂ C / ∂ Z) (V _DC - V ₅₎ 사이의 위상 변화가 어디 V _AC . 첫 번째 기간은 효과 piezocoefficient D ₃₃ ^EFF에 의해 설명하는 진정한 piezoresponse 인해 지역 압전 변형이고 두 번째 임기 두 지역이 아닌 지역 맥스웰 stress.20 대에 의한 지역 정전 변형되는 표면 잠재적인 약자와 C가 캔틸레버 - 샘플 시스템의 총 capaciatance.

PFM의 동안 진폭은 현지 전자 커플링의 크기에 대한 정보를 제공합니다 PFM의 위상 이미지가 로컬 편광 방향을 제공합니다. 일반적으로의 이미지 해상도 PFM가 로 혼합의 도메인 벽 너비의 절반에서 결정 ~ 10-30 nm의보다 적습니다 PFM의 신호, 홍보 대부분은 특성화에 사용되는 = _1ω 왜냐하면 (φ) (φ은 에테르이다 ) 0 º 또는 180 º로 닫습니다. 이러한 정전기 상호 작용과 팁 - 표면 접합에서 액체 목의 형성으로 확대를위한 추가 메커니즘이 가능하지만 해상도는 팁 - 샘플 접촉 면적 (명목상 팁 꼭대기의 반경에 의해 결정)에 의해 제한됩니다.

Piezoresponse의 힘 현미경에 대비 메커니즘

콘트라스트 메커니즘과 함께 강유 전체 도메인 패턴 감지 PFM은 강유 전체 물질은 반드시 압전있다는 사실을 기반으로합니다. D ₃₃ ^EFF로 인해 밖의 비행기 력의 결과로 (I) 수직 편향 : 기본적으로, 캔틸레버는 변위 세 종류의 수행 계수하고, (ii) 비틀림 (전단 piezocoefficient D ₁₅ ^EFF에 의한 ), 그리고 (iii) 표면과 상호 작용에서 좌굴 때 캔틸레버 축을 따라에서 - 평면 강제 역할을합니다. deformations의 첫 번째 유형은 밖에서 비행기 (또는 수직이라고합니다 PFM , 또는 VPFM) 측정.

편광 및 응용 전기 필드 (그림 2A) 평행하는 경우 변형은 긍정입니다 (확장) 및 piezoresponse 신호 V _AC와 단계에있다. 적용된 전기장의 자발 분극에 antiparallel있다면 반대로, 이것은 캔틸레버의 결과의 인하 (그림 2B)로 계약에 압전하게됩니다. 전기장과 piezoresponse 신호는 180 °에 의해 단계에 이동됩니다. 마찬가지로 - 비행기 편광 강유 전체 곡물에 대한 분극의 방향은 관련 (전단) 압전 계수를 통해 추론 수 있습니다 D ₁₅ ^EFF (그림 2C, D). 이 경우에는 적용 전기 필드는 캔틸레버의 비틀림 운동 마찰 세력을 통해 전송되는 곡식의 전단 변형을 발생합니다. 이러한 성능은 더 이상은 - 비행기 (또는 가로로 표시된 것입니다 PFM , 또는 LPFM) 측정.

캔틸레버로 인해 캔틸레버 축 방향으로 편광에만 실제로 Z - 축을 따라 90 °하여 샘플을 회전과에서 - 비행기 측정을 반복하여 기록할 수, 비대칭. piezoresponse 신호의 세 가지 구성 요소를 인수함으로써, 편광 방향 최소한 semiquantitative 재건을 수행할 수 있습니다. 압전 텐서의 모든 구성 요소가 알려진 경우에만 그러나, 편광의 정확한 방향을 계산하실 수 있습니다. 강유 편광의 방향에 piezoresponse 신호의 진폭을 관련 첫 번째 시도 Harnagea와 Pignolet에 의해 수행되었으며 자세한 형식주의는 나중에 Kalinin 외 의해 개발되었습니다. 캔틸레버의 움직임주의 분석 추진력으로 관찰 도메인 대비 명확한 속성을 허용, 샘플의 crystallographic 축의 상대의 방향과 관련하여 수행되어야합니다. 입자 또는 강유 하이브리드 (유기 - 무기) 물질이 문제는 각 구성 요소의 전기 동작을 아는하여 접근이다와 함께 혼합 강유 전체 고분자와 같은 복합 재료의 경우.

그림 2. 사각형의 강유의 압전 효과는 PFM으로 조사 하였다. (A) 자발 분극에 평행하게 정렬 전계로 인해 D ₃₃ 효과 (밖에서 비행기 신호)로 캔틸레버의 리프팅로 연결됩니다. (B) 전기장과 자발 분극의 antiparallel 정렬 세로 수축과 강유 전체의 수평 확장으로 연결됩니다. (C), (D) 전기 필드는 D ₁₅ 계수로 인해 전단 운동에 편광 결과에 직교 적용. 이 운동은 레이저 스폿이 (에 - 비행기 신호) 가로 이동 강제 캔틸레버의 비틀림 변형을 발생합니다.

PFM 취득의 유물

밖에서 비행기 및 비행기 - 수집 채널 안타깝게도 모호하지 분리 항상 그렇지는 않습니다. irrespectively 교차 이야기는 기계적 또는 전기적인 이유인지 결과 모두 채널과 misinterpreatation 사이의 상호 대화에서이 결과를. 대부분의 상업적으로 사용할 수 있지만 AFMs가 처리하는 동안 이미지를 보상하기 위해 가능한 프로그램과 함께 제공되며, PFM 크로스 토크 보정은 포함되어 있지 않습니다. NT - 산악 서머 타임은 (본에서 대학교와 공동으로) 교차 이야기 간단한 전자 회로를 개발했습니다 보상은 그들 중 하나가 존재하는 상황에서 인 - 비행기와 밖에서 비행기 신호의 간단한 신호 처리에 의해 이루어집니다. 에서만 - 비행기 신호가 존재하는 위치를 아래의 결과는 상황을 보여줍니다. 밖에서 비행기 PFM의 신호가 완전히 보상 회로에 의해 보상됩니다.

그림 3. Topogaphy (A), 밖에서 비행기 PFM (B) 및 - 비행기 PFM (C) 신호없이 (오른쪽 이미지)와 전용 - 비행기 신호가되어야 FF의 펩티드 나노튜브에서 (왼쪽 이미지) 크로스 토크 보상과 함께 관찰 (I. Bdikin와 A. Kholkin, Aveiro 대학, 포르투갈의 이미지 예의).

PFM을 통해 편광 Patterning과 자기 조립

현재 연구는 고유 기능을 장치에 조립 있습니다 재료의 새로운 유형을 발견 실시됩니다. 이러한 연구의 초석이 새로운 구조 형식을 만들 수 있도록, 디자인에 자유를 허용하는 활발한 합성 노력입니다. 답이없는 질문은 분자 규모의 장치를 작동으로 유기 및 생물 학적 구조를 조립하고 상호 일반적인 방법을 고안하는 방법입니다. 이러한 중요한 interconnections을 달성하기 위해 어셈블리의 새로운 유형은 미리 위치에 표면에 다른 분자 종을 첨부할 수 있도록 개발해야합니다. 최근에 제안되었다 새로운 접근 방식은 표면에 원자 (강유 전체) 편광 감독 nanostructures의 조립에 따라 달라집니다. 이것은 종종 강유 리소그래피로 언급됩니다. 강유 편광은 참으로 다양한 유기 및 무기 종족을 조립하고 제어 특성을 가진 nanostructures을 만드는 데 사용할 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 P (VDF - TrFE)가 ultrathin 필름은 Langmuir - Blodgett 기술에 의해 입금 세포 점막의 필수 구성 요소 다양한 phospholipids의 조립을위한 템플릿으로 사용할 수있는 여기를 보여줍니다. 이미징 및 patterning 모두 nanoscale 패턴을 만들 수 있도록, PFM로 할 수 수 있습니다. 이러한 범위 0.5 - 3μm의 직경과 균질하고 안정적​​인 둥근 모양의 형성에 의해 공개되었다.

이러한 방법으로 강유 전체 폴리머 필름은 실시를 통해 다양한 전압의 응용 프로그램에 의해 편광되었습니다 PFM의 팁 및 PFM의 이미지를 다음 제어 분극 분포를 보여주는 취득했다. 이 후, 인지질 (1,2 - DI - O - hexadecyl - SN - glycero - 3 - phosphocholine)은 분자가 용액에서 침전했다. 기존의 원자 힘 현미경의 실험은 다음 증착 과정의 선택도를 평가하기 위해 수행되었다. 이것은 증착 과정이 솔루션의 농도가 매우 민감한 것을 관찰했다. 선택적 증착은 주로 선택도에 대해 20~40%의 최대 값 (그림 4A)에 도달 편광 경계에서 관찰되었다. pospholipid 라인도 직접 의해 침전 수 PFM nanoscale 펜 (그림 4B)와 편광으로 팁 것은 또한 인지질 층으로 되돌릴 수 있습니다

그림 4. PFM을 통해 P (VDF - TrFE) 영화, (B) Pospholipid 라인 작성 PFM에 의해 시각 그리고 (c) 강유 전체 도메인 인지질 / P의 표면에 writeen의 표면에 pospholipids의 (A) 편광 구동 조립체 (VDF - TrFE) 이중층 필름. 호의 알레한드로 Heredia, 이고르 Bdikin와 안드레이 Kholkin (Aveiro 대학, 포르투갈).

ZnO의 Piezoresponse 및 Pseudoferroelectricity

산화 아연 (ZnO)은 대한 마이크로 및 광전자 큰 잠재력을 지닌 뛰어난 전자 및 광학 특성을 가지고 잘 알려진 N - 형 반도체 재료이다. 높은 저항 C - 축 중심의 ZnO 영화는 유명한 안정 압전 특성으로 인해 다양한 압전 응용 프로그램 (센서, 액츄에이터, 고주파 음향 트랜스 듀서 등 등 등)에 대한 관심 또한 있습니다. 최근 ZnO 때문에 nanorod과 nanobelt 형상 성장의 용이성 압전 수확 장치를위한 선택의 소재가되었습니다. 그러나, ZnO의 압전 특성이 잘 특히 곡물과 약한의 혼합 방향 (있는 경우) unipolarity 데 다결정 필름의 경우, 이해하고 특징되지 않습니다. ZnO 압전 필름의 속성의 세부적인 조사의 예제는 그림에 있습니다. 5. 각 입자는 관련 압전 계수, 곡물 오리 엔테이션 및 기타 곡물의 클램핑 효과에 관한 대비가 특징이다. 사용 PFM를 그것은 각 개별 입자의 방향과 극성 (그림 deconvolute하기 위해, 압전 명암에 따라, 수직 2 수직 수평 방향으로 응답 (그림 5A - C)를 측정하고에 의해 표면의 압전지도를 얻는 가능 . 5c). 처음으로, 강유 같은 히스테리 시스는 Tagantsev 최근에 예측대로 따라서 그 pseudoferroelectric 속성을 증명하는 명목상 순수한 ZnO (그림 5E 호야)에서 발견되었습니다.

그림 5. 지형 (a)와 다결정 ZnO 필름 (BC)에 nanoscale 압전지도는 펄스 레이저 증착에 의한 취득​​. (G) 명목상 undoped 영화에서 강유 전체와 같은 히스테리 시스를 보여줍니다 동안 극성지도 (C)는 편광 (서명) 및 개별 곡물의 방향을 나타냅니다. 예의 이고르 Bdikin와 안드레이 Kholkin (Aveiro 대학, 포르투갈).

생물 학적 시스템의 Electromechanics

비 centrosymmetric 결정 구조에서 유래 피에조 전기는 단백질과 다당류를 포함한 대부분의 biopolymers의 본질적인 속성입니다. 압전 동작 calcified과 결합 조직과 식물, dentine, 뼈가 등 분자, 세포 및 조직 수준에서 생리학적으로 발생하는 전기 분야와 기계적 특성 간의 관계를 이해하는 주요 동기가되었다 포함한 생물 학적 시스템의 다양한에서 관찰되었습니다 생물 학적 시스템에 피에조 전기를 공부. 관심은 또한 pizoelectrically 활성 biomaterials가 nanoscale 센서, 액츄에이터 및 생물 학적 환경과 완벽하게 호환 트랜스 듀서로 사용할 수있다는 사실 때문입니다. 또한, 압전 효과의 강한 방향 의존성은 생물 학적 자료에 복잡한 계층 구조의 조사를 위해 매우 중요합니다. 그것은 최근에 관찰되었다는 짧은 아로마 펩티드 자기 조립은 매우 높은 piezoeleffect (LiNbO _3, 주로 사용하는 무기 변환기 자료 중 하나에 해당하는 비교)와 nanscale 관형 형상 인치 그림 6은 나노튜브 (A)에 의해 편광 및 측정 배열의 개략도의 지형 이미지 선물 PFM (B) 및 PFM의 D ₃₃ ^EFF (전단) 압전 계수는 전자 결합에 대해서만 책임이 있습니다 oppositely 지향 나노튜브에 대한 대비를. 의 장점 PFM는 높은 해상도와 복잡한 형상 지역 압전 효과를 측정하는 가능성이다. bioinspired PNTs에 강하고 견고한 압전 활동 (과거에 본 적이)은 광범위한 생물 의학 및 의료 애플 리케이션에 사용될 수 "녹색"nanopiezoelectrics의 미래 세대를위한 전도 유망한 후보 있습니다. 그것은 이러한 biocompatible과 엄격한 나노튜브가 (뿐만 아니라 그것의의 배열) 인간의 조직과 직접 접촉을 허용 biosensors 미래에 대한 핵심 요소의 역할을 수 예측이다.

그림 6. 지형 (A), 측정 배치 (B), 그리고 FF 펩티드 나노튜브 (예의 이고르 Bdikin와 안드레이 Kholkin, Aveiro 대학, 포르투갈)의 압전 대비 (C).

Multiferroic 자료 Nanoscale 연구

Multiferroics - 동시에 자성과 강유 주문이 자료는 - 이제 때문에 매력적인 물리학 유망한 응용 프로그램을 모두 상당한 관심을 끌. ferroelectricity에 대한 제안 운전 메커니즘 중 하나는 역전의 대칭을 깰 수 있도록 채권 dimerization과 함께 혼합 manganites 담당 주문 (CO)의 발생이다. 이러한 고체의 분극이 nanoscale 볼륨에 존재 수있는 고려 Piezoresponse의 힘 현미경은 모두 아래의 바이어스 유발 강유 전체 특성을 연구 및 CO 위상 천이 이상 사용할 수 있습니다. 공부를 통해 이와 같은 편견을 유발 ferroelectricity PFM은 또한 인공 multiferroic 자료 및 메모리 세포를 만드는 중요한 수 있습니다. 이러한 실험 충전 / 궤도와 자기는 전기 분극의 주문의 역할을 undertand 및 multiferroicity의 새로운 소스의 특성을 평가하는 데 도움이됩니다. 이러한 exeriments은 최근 잘 알려진 (라, 시니어) MNO _세 혼합 manganites에서 수행되었으며 실제로 강유 상태가 CO 위상 전환에 대해 예상보다 훨씬 높은 객실 온도, 즉,에서 발견되었다. 그림 7은 centrosymmetric 망가 나이트 "바다"의 편견 자계 유도된 강유 섬 exemplifies. 이것은 충분히 높지 전기장은 대칭을 깰 및 소재 지역 "전기"도핑으로 인해 북극 상태를 유발 수 확인합니다.

그림 7. 라 시니어 _{0.89 0.11} MNO _세 망가 나이트 (A)와 piezoresponse의 히스테리 시스에 의해 유도된 PFM 팀 Nanoscale 강유 섬 편광 안팎이 없게 짠 천성을 보여주는 루프. 예의 이고르 Bdikin와 안드레이 Kholkin (Aveiro 대학, 포르투갈).

결론

의 초기 응용 프로그램이 있지만 PFM은 몇 가지 중요하지만, 매우 드문 강유 전체 재료의 중요한 이미지 강유 전체 도메인에 주로 있었고, PFM은 현재 biomaterials와 이온 전도체를 포함하여 재료의 대형 다양한 적용할 수 있습니다. 결합 전기 특성은 무기 재료의 수백에 내재 (매크로 규모도 centrosymmetric)와 마찬가지로 생물 학적 자료에 있습니다. 의 진화 PFM은 재료의 다양한 동작에 새 창을 제공합니다. 마찬가지로 중요한의 개발 PFM은 전자기 특성 부량에 극단적인 높은 공간 해상도를 향해 큰 추세의 일부입니다. 기능 속성의 몇 가지 클래스는 현재 서브 나노미터 해상도 탐색할 수 있습니다. 대부분의 경우에는 속성 저항력, 전도성, 표면 전위, 충전 밀도 등과 같은 단일 스칼라 숫자로 표현된다 PFM은 그것이 복잡한 텐서 속성의 영역에이 전략을 수행한다는 점에서 고유합니다. 상당한 진보 PFM은 (가능하지만, 아직 알려지지 않은) 새로운 자료와 그들을 기반으로 장치의 영역에 예상된다.

출처 : NT - 산악 서머 타임 (주)
저자 : 안드레이 박사 Kholkin (Aveiro 대학, 포르투갈)

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