Microscopia da Força de Piezoresponse (PFM) - Introdução, Princípios e Aspectos Instrumentais da Microscopia da Força de Piezoresponse por NT-MDT

Assuntos Cobertos

Introdução
Princípios e Aspectos Instrumentais da Microscopia da Força de Piezoresponse (PFM)
     Princípios Básicos de PFM
     História de PFM
     Teoria Elementar de PFM
Mecanismo do Contraste na Microscopia da Força de Piezoresponse
Produtos Manufacturados na Aquisição de PFM
Modelação e Auto-Conjunto da Polarização através de PFM
Piezoresponse e Pseudoferroelectricity em ZnO
Electromechanics de Sistemas Biológicos
Estudos de Nanoscale de Materiais de Multiferroic
Conclusões

Introdução

Ferroelectrics é uma subclasse do piezoelectrics, a saber, os materiais que experimentam a deformação mecânica sob tensão aplicada ou cobrar sob a força mecânica. Exibição de Ferroelectrics uma vasta gama de propriedades funcionais, incluindo a polarização elétrica alta e switchable, a pioelectricidade forte, a actividade óptica não-linear alta, o pyroelectricity proeminente, e o comportamento dieléctrico não-linear notável. Estas propriedades são indispensáveis para as aplicações em dispositivos electrónicos numerosos tais como sensores, actuadores, detectores do IR, filtros de microonda e, recentemente, memórias permanentes, nomear alguns. Devido a esta combinação original de pesquisadores e de coordenadores das propriedades têm-se centrado sobre o visualização dos domínios ferroelectric (áreas com sentido original da polarização) em escalas diferentes.

Os avanços Recentes na síntese e na fabricação de micro-e no ferroelectrics do nanoscale trouxeram aos fenômenos físicos e aos dispositivos novos da vida que precisam de ser estudados e compreendido nesta escala. Como as dimensões da estrutura estão obtendo menores, exibição do ferroelectrics um efeito de tamanho pronunciado que manifesta-se em um desvio significativo das propriedades de estruturas baixo-dimensionais de seus analogs maiorias. Neste sentido, o ferroelectrics é similar aos materiais magnéticos desde que a energia de superfície não pode ser negligenciada em volumes pequenos e a interacção de longo alcance do dipolo é alterada significativamente em geometria reduzidas. Igualmente depende sobre se um ferroelectric está limitado em uns, dois, ou todas as estruturas tridimensionais.

Depois do desafio da miniaturização, as técnicas novas são exigidas para a avaliação de propriedades ferroelectric e piezoeléctricas com a elevação, finalmente definição do nanoscale. Muitas edições fundamentais têm hoje em dia ser endereçadas como o efeito do confinamento da geometria nas propriedades ferroelectric e piezoeléctricas, relacionamento entre o piezoresponse local e propriedades macroscópicas, assim como mecanismos microscópicos do interruptor da polarização, da estabilidade do domínio e da degradação, incluindo fenômenos da polarização na relação.

Além das aplicações novas do nanoscale, a funcionalidade de filmes ferroelectric, a cerâmica policristalina, e mesmo os únicos cristais são dominados frequentemente pelos defeitos que actuam como a nucleação e centros fixar para paredes de domínio moventes e determinam assim o piezoresponse. Além, as propriedades electromecânicas originais do ferroelectrics do relaxor (materiais com tensão gigante e constante dieléctrica) originam da interacção da polarização com produto químico e cobram a desordem na escala do nanômetro. Finalmente, há uma classe nova de multiferroics onde a polarização é acoplada à magnetização na escala local.

Para endereçar os mecanismos fundamentais que sustentam a funcionalidade de materiais e de dispositivos ferroelectric, as estruturas de domínio e sua evolução sob a polarização têm que ser estudadas no micro e nas escalas do nanômetro. A revelação rápida da Microscopia da microscopia da ponta de prova da exploração e, especialmente, da Força de Piezoresponse (PFM) conduziu a um avanço fabuloso nesta área como será destacado abaixo após a descrição sucinta do método.

Os Princípios e os Aspectos Instrumentais de Piezoresponse Forçam a Microscopia (PFM)

Princípios Básicos de PFM

A aproximação de PFM para a sondagem piezo-e propriedades ferroelectric no nanoscale é baseada no acoplamento forte entre a polarização e o dispacement mecânico. Aparentemente, acoplar-se pode ser endereçado aplicando um campo elétrico altamente localizado ao material e sondando os deslocamentos resultantes da superfície da acta com uma precisão do picometer (Fig. 1).

A Figura 1. Diagrama Esquemático do regime da Microscopia da Força de Piezoresponse onde as tensões da C.A. e de C.C. são aplicadas à ponta metalizada e ao deslocamento mecânico é medida através do método convencional do AFM.

O AFM Comum fornece uma plataforma ideal para o estudo local do piezoeffect devido à definição vertical alta e à localização alta do campo elétrico na junção entre a ponta metalizada e a superfície. Daqui, PFM é um contacto-modo AFM em que uma ponta condutora electricamente inclinada do AFM é usada porque uma ponta de prova do acoplamento electromecânico local através do efeito piezoeléctrico inverso. Notàvel, o mecanismo básico da formação da imagem em PFM é métodos força-baseados complementares do AFM (a força é aplicada e a deflexão da ponta é medida) e microscopia da escavação de um túnel da exploração (STM) (diagonal é aplicado e uma corrente é medida).

História de PFM

Depois da invenção de STM e do AFM, os primeiros exemplos de medir uma deformação polarização-induzida devido à pioelectricidade com uma ponta de prova da exploração eram em 1991 o lugar onde o piezoresponse foi estudado usando a microscopia acústica e o STM da exploração. Mais tarde, os primeiros papéis em medidas piezoeléctricas e o visualização do domínio ferroelectric pelo AFM apareceram. Depois disto uma série de resultados pioneiros foi obtida por Takata e outros (que usam a imagem lactente da tensão através de escavar um túnel a microscopia acústica), por Franke e outros, por Kolosov e outros e por Gruverman e outros. O trabalho por Gruverman com co-autores é particularmente importante porque demonstrou a imagem lactente e o interruptor no ferroelectrics comum e a cunhagem dos termos “Piezoresponse” e “PFM” que se têm tornado agora padrão. Nos 15 anos passados, PFM transformou-se a primeiro ferramenta para estudar propriedades estáticas e dinâmicas de materiais ferroelectric, como evidenciado por um número livros e de revisões recentes.

Teoria Elementar de PFM

Em PFM, uma tensão é aplicada à ponta condutora como

Vtip = V+DC VAC cos (ωt)

Aqui VDC é a polarização da C.C. (polarização do interruptor), VAC é a polarização da C.A. (que sonda de viés) e o ω é a freqüência da polarização da C.A. (que conduz a freqüência). Enquanto a amostra expande e os contratos devido ao efeito piezoeléctrico inverso, a deflexão da ponta está monitorada usando a fechamento-no amplificador de modo que a oscilação da ponta

A = A0 + Acos (ωt + φ)

onde A0 está o deslocamento e o φ de superfície estáticos são o deslocamento de fase entre a tensão de condução VAC e a deformação induzida tensão A = d33eff VAC + (∂C/∂z) (VDC - VV5)AC. O primeiro termo é a deformação piezoeléctrica local devida do piezoresponse verdadeiro descrita pelo d piezocoefficient eficaz33eff e o segundo termo é uma deformação electrostática local causada por local e Maxwell não-local stress.20 Contra suportes para o potencial e o C de superfície é o capaciatance total do sistema da modilhão-amostra.

A amplitude de PFM fornece a informação no valor do acoplamento electromecânico local, quando a imagem da fase de PFM der a orientação local da polarização. Tipicamente a definição da imagem lactente de PFM é menos do que o ~ 10-30 nanômetro como determinada da metade da largura de uma parede de domínio no sinal misturado de PFM, FOTORRECEPTOR = Acos (φ) que é usado na maior parte para a caracterização (o φ é éter perto de 0º ou a 180º). A definição é limitada pela área de contacto da ponta-amostra (determinada nominal pelo raio do vértice da ponta), embora mecanismos adicionais para alargar tal como interacções electrostáticas e a formação de um pescoço líquido na junção da ponta-superfície é possível.

Mecanismo do Contraste na Microscopia da Força de Piezoresponse

O mecanismo do contraste e a detecção de testes padrões do domínio ferroelectric com PFM são baseados no facto de que os materiais ferroelectric são necessariamente piezoeléctricos. Basicamente, o modilhão executa três tipos dos deslocamentos: (i) deflexão vertical em conseqüência do fora da força plana devido ao coeficiente33eff de d, (ii) torsão (causada pela tesoura d) piezocoefficient15eff , e (iii) curvando da interacção com a superfície quando uma força do em-plano actuar ao longo da linha central do modilhão. O primeiro tipo de deformações é referido como medidas do para fora--plano (ou PFM vertical, ou VPFM).

Se a polarização e campo elétrico aplicado está paralela (Fig. 2a), a deformação é positiva que (expansão) e sinal do piezoresponse realiza-se na fase com V.AC Pelo contrário, se o campo elétrico aplicado é antiparalelo à polarização espontânea, isto causará piezoeléctrico contratar com a redução conseqüente do modilhão (Fig. 2b). O campo elétrico e o sinal do piezoresponse são deslocados na fase por 180°. Similarmente, o sentido da polarização para a grão ferroelectric polarizada em-plano pode ser deduzido através (tesoura) de um coeficiente piezoeléctrico relevante d15eff (Fig. 2c, d). Neste caso, o campo elétrico aplicado causa uma deformação da tesoura da grão, que é transferida através das forças de fricção ao movimento de torção do modilhão. Estas medidas serão denotadas mais como medidas do em-plano (ou PFM lateral, ou LPFM).

Devido à assimetria do modilhão, polarização na direcção da linha central do modilhão pode somente ser gravado fisicamente girando a amostra por 90° ao longo da z-linha central e repetindo a medida do em-plano. Adquirindo todos os três componentes do sinal do piezoresponse, é possível executar pelo menos a reconstrução semiquantitativa da orientação da polarização. Contudo, a orientação precisa da polarização pode ser calculada somente se todos os componentes do tensor piezoeléctrico são sabidos. A primeira tentativa de relacionar a amplitude do sinal do piezoresponse à orientação da polarização ferroelectric foi empreendida por Harnagea e Pignolet e o formalismo detalhado foram desenvolvidos mais tarde por Kalinin e outros. Uma análise cuidadosa do movimento do modilhão deve ser feita no que diz respeito a sua orientação relativo aos machados crystallographic da amostra, permitindo uma atribuição clara do contraste observado do domínio às forças motrizes. No caso dos materiais compostos como o polímero ferroelectric misturado com as partículas ou dos materiais (orgânico-inorgánicos) híbridos ferroelectric este problema é aproximado conhecendo o comportamento electromecânico de cada componente.

Figura 2. efeito Piezoeléctrico em um ferroelectric tetragonal investigado por PFM. (a) O campo Elétrico alinhou a paralela à polarização espontânea conduz a um levantamento do modilhão devido ao efeito33 de d (sinal do para fora--plano). (b) O alinhamento antiparalelo do campo elétrico e da polarização espontânea conduz a uma contracção vertical e a uma expansão horizontal do ferroelectric. (c), (d) campo Elétrico aplicou ortogonal aos resultados da polarização em um movimento da tesoura devido ao coeficiente15 de d. Este movimento causa uma deformação de torção do modilhão que força o ponto de laser para mover-se horizontalmente (sinal do em-plano).

Produtos Manufacturados na Aquisição de PFM

Infelizmente uma separação inequívoca dos canais do para fora--plano e da aquisição do em-plano não é sempre possível. Isto conduz à interferência entre os canais e o misinterpreatation dos resultados independente se a interferência é da razão mecânica ou elétrica. Embora a maioria de AFMs disponível no comércio seja fornecido com os programas capazes para compensar as imagens durante o processamento, a correcção da interferência de PFM não é incluída. NT-MDT (em colaboração com a Universidade de Bona) desenvolveu um circuito eletrônico simples onde a compensação da interferência fosse feita pelo tratamento dos sinais simples do em-plano e dos sinais do para fora-plano na situação onde qualquer um deles esta presente. Os resultados mostrados abaixo ilustram a situação onde somente o sinal do em-plano esta presente. O sinal do para fora--plano PFM é compensado inteiramente pelo circuito de compesação.

A Figura 3. Topogaphy (a), o para fora--plano PFM (b) e o em-plano PFM (c) sinalizam sem (imagem direita) e com (o compensador da interferência da imagem esquerda) nos nanotubes do peptide do FF onde somente o sinal do em-plano deve ser observado (cortesia de Imagens de I. Bdikin e de A. Kholkin, Universidade de Aveiro, de Portugal).

Modelação e Auto-Conjunto da Polarização através de PFM

Actualmente, a pesquisa é conduzida para descobrir novos tipos de materiais que podem montar em dispositivos excepcionalmente de funcionamento. A pedra angular de tais estuda é um esforço sintético vigoroso que permita que a liberdade projecte, de modo que os tipos estruturais novos possam ser criados. Uma pergunta não respondida é como planejar métodos gerais para montar e interconectar estruturas orgânicas e biológicas em dispositivos moleculars de funcionamento da escala. Para alcançar estas interconexões críticas, um novo tipo de conjunto deve ser reservar desenvolvida anexar a espécie molecular diferente na superfície nos lugar predeterminados. A aproximação Nova que foi sugerida recentemente é baseada no conjunto dos nanostructures dirigidos pela polarização (ferroelectric) atômica na superfície. Isto é referido frequentemente como a litografia ferroelectric. A polarização Ferroelectric pode certamente ser usada para montar a vária espécie orgânica e inorgánica e para criar nanostructures com as propriedades controladas. Como um exemplo, nós mostramos aqui esse P (VDF-TrFE), os filmes ultrathin depositados pela técnica de Langmuir-Blodgett podemos ser usados como moldes para o conjunto dos vários phospholipids, que são os componentes essenciais das membranas de pilha. A imagem lactente e a modelação poderiam ser feitas por PFM, de modo que os testes padrões do nanoscale pudessem ser criados. Estes foram revelados pela formação de homogêneo e o estábulo arredondou gotas com diâmetros na escala 0.5-3µm.

Desta maneira, os filmes ferroelectric do polímero foram polarizados pela aplicação de várias tensões através de uma ponta de condução de PFM e as imagens de PFM foram obtidas então que mostram a distribuição controlada da polarização. Após isto, as moléculas do phospholipid (1,2-di-O-hexadecyl- sn-glycero-3-phosphocholine) foram depositadas da solução. As experiências atômicas Convencionais da microscopia da força foram executadas então para avaliar a selectividade do processo do depósito. Observou-se que o processo do depósito é muito sensível à concentração da solução. O depósito selectivo foi observado principalmente nos limites da polarização onde a selectividade alcançou um valor máximo de aproximadamente 20-40% (Fig. 4a). As linhas do pospholipid poderiam igualmente directamente ser depositadas pela ponta de PFM como uma pena do nanoscale (Fig. 4b) e a polarização pode igualmente ser invertida em uma camada do phospholipid

A Figura 4. (a) conjunto Polarização-Conduzido dos pospholipids na superfície de filmes de P (VDF-TrFE) através de PFM, (b) Pospholipid alinha escrito e visualizado por PFM e (c) domínios ferroelectric writeen na superfície de filmes do bilayer do phospholipid/P (VDF-TrFE). Cortesia Alejandro Heredia, Igor Bdikin e Andrei Kholkin (Universidade de Aveiro, de Portugal).

Piezoresponse e Pseudoferroelectricity em ZnO

O óxido de Zinco (ZnO) é um n-tipo conhecido material do semicondutor que tem propriedades eletrônicas e ópticas notáveis com grande potencial para micro-e óptica electrónica. Os filmes c-linha-orientados Altamente resistive de ZnO são igualmente do interesse para as várias aplicações piezoeléctricas (por exemplo como sensores, actuadores, transdutores acústicos de alta freqüência, etc.) devido a suas propriedades piezoeléctricas notáveis e estáveis. Recentemente, ZnO transformou-se um material da escolha para dispositivos de colheita piezoeléctricos devido à facilidade do crescimento nas geometria do nanorod e do nanobelt. Contudo, as propriedades piezoeléctricas de ZnO não são compreendida boa e caracterizado, especialmente no caso dos filmes policristalinos que misturam a orientação das grões e (eventualmente) do unipolarity fraco. O exemplo da investigação detalhada de propriedades piezoeléctricas de filmes de ZnO é dado no Figo. 5. Cada grão é caracterizada pelo contraste relativo ao coeficiente piezoeléctrico relevante, à orientação da grão, e a apertar o efeito de outras grões. Usando PFM era possível obter mapas piezoeléctricos da superfície medindo a resposta no vertical e em 2 sentidos laterais ortogonais (Fig. 5a.c.) e, com base no contraste piezoeléctrico, ao deconvolute a orientação e a polaridade de cada grão individual (Fig. 5c). Pela primeira vez, ferroelectric-como a histerese foi descoberto em ZnO nominal puro (Fig. 5e) que prova assim suas propriedades pseudoferroelectric como previsto recentemente por Tagantsev.

Figura 5. Topografia (a) e mapas piezoeléctricos do nanoscale nos filmes policristalinos de ZnO (b-c) obtidos pelo depósito do laser pulsado. O mapa da Polaridade (c) representa a polarização (com sinal) e a orientação de grões individuais quando (g) demonstrar ferroelectric-como a histerese em filmes nominal undoped. Cortesia Igor Bdikin e Andrei Kholkin (Universidade de Aveiro, de Portugal).

Electromechanics de Sistemas Biológicos

A Pioelectricidade que provem da estrutura de cristal não-centrosimétrica é uma propriedade intrínseca da maioria de biopolymers, incluindo proteínas e polisacáridos. O comportamento Piezoeléctrico foi observado em uma variedade de sistemas biológicos, incluir calcificados e os tecidos conjuntivos e as plantas, a dentina, os ossos Etc. Compreendendo o relacionamento entre campos elétricos e propriedades mecânicas physiologically gerados nos níveis moleculars, celulares, e do tecido transformaram-se a motivação principal de estudar a pioelectricidade em sistemas biológicos. O interesse é igualmente devido ao facto de que os matérias biológicos pizoelectrically activos podem ser usados como sensores, actuadores e transdutores do nanoscale inteiramente - compatível com o ambiente biológico. Além, a dependência forte da orientação do efeito piezoeléctrico é extremamente importante para a investigação da estrutura hierárquica complexa em materiais biológicos. Tem-se observado recentemente que os peptides aromáticos curtos auto-montaram nas geometria tubulares do nanscale com um piezoeleffect muito alto (comparável àquele em LiNbO3, um dos materiais inorgánicos na maior parte usados do transdutor). Figura 6 apresenta a imagem da topografia do nanotube (a), diagrama esquemático do regime da polarização e da medida pelo contraste de PFM (b) e de PFM para os nanotubes oposta orientados onde o coeficiente33eff piezoeléctrico de d (tesoura) é somente responsável para o acoplamento electromecânico. A vantagem de PFM é uma alta resolução e uma possibilidade para medir o efeito piezoeléctrico local em geometria complexas. A actividade piezoeléctrica forte e robusta em PNTs bioinspired (nunca visto no perto) faz-lhe candidatos prometedores para as futuras gerações de nanopiezoelectrics “verde” que puderam extensivamente ser usadas em aplicações biomedicáveis e médicas. Prevê-se que estes nanotubes biocompatible e rígidos (assim como as disposições de disso) podem servir como os elementos chaves para os biosensors futuros permitindo o contacto directo com o tecido humano.


 

Figura 6. Topografia (a), regime da medida (b), e contraste piezoeléctrico (c) em nanotubes do peptide do FF (cortesia Igor Bdikin e Andrei Kholkin, Universidade de Aveiro, de Portugal).

Estudos de Nanoscale de Materiais de Multiferroic

Multiferroics - materiais que têm simultaneamente pedir magnético e ferroelectric - para atrair agora um interesse considerável devido a física fascinante e às aplicações prometedoras. Um dos mecanismos de condução propor para o ferroelectricity é a ocorrência da carga que pede (CO) nos manganites misturados combinados com o dimerization bond a fim quebrar a simetria da inversão. Considerando que a polarização nestes sólidos pode existir em volumes do nanoscale, a Microscopia da Força de Piezoresponse pode ser usada estudando propriedades ferroelectric polarização-induzidas abaixo e acima da transição de fase do CO. Tal ferroelectricity polarização-induzido estudado através de PFM pode igualmente ser importante para criar materiais e pilhas de memória multiferroic artificiais. Estas experiências ajudam ao undertand o papel da carga/pedir orbital e magnético na polarização elétrica e avaliam a natureza da fonte nova de multiferroicity. Estes exeriments foram executados recentemente (La, Sénior) nos manganites misturados3 MnO conhecidos e um estado ferroelectric foi encontrado certamente nas temperaturas ambientes, isto é, muito superiores ao esperado para transições de fase do CO. Figura 7 exemplifica a ilha ferroelectric campo-induzida polarização no manganite centrosimétrico “mar”. Isto confirma que altamente bastante campo elétrico poderia quebrar uma simetria e induzir o estado polar devido à lubrificação “elétrica” local do material.

Figura 7. ilha ferroelectric de Nanoscale induzida pelo PFM tim no manganite0.890.113 de LaSrMnO (a) e nos laços de histerese do piezoresponse que mostram o reversibility da polarização. Cortesia Igor Bdikin e Andrei Kholkin (Universidade de Aveiro, de Portugal).

Conclusões

Quando a aplicação inicial de PFM era principalmente aos domínios ferroelectric da imagem significativos em alguns materiais ferroelectric importantes mas bastante raros, o PFM pode actualmente ser aplicado a uma grande variedade de materiais que incluem matérias biológicos e condutores iónicos. As propriedades electromecânicas Acopladas são inerentes nas centenas de materiais inorgánicos (mesmo centrosimétricos em uma escala macroscópica) e similarmente em materiais biológicos. A evolução de PFM fornece uma nova janela no comportamento de uma vasta gama de materiais. Igualmente importante, as revelações em PFM são parte de uma tendência maior para a definição espacial alta extrema na quantificação de propriedades eletromagnéticas. Diversas classes de propriedades funcionais são sondadas agora na definição secundário-nanômetro. As propriedades são representadas Na maioria dos casos por únicos números escalares como a resistividade, a condutibilidade, o potencial de superfície, a densidade de carga, Etc. PFM são originais que leva esta estratégia no reino de propriedades complexas do tensor. Os avanços Significativos de PFM (possível mas desconhecido contudo) são esperados no reino de materiais novos e dos dispositivos baseados neles.

Source: NT-MDT Co. 
Autor: Dr. Andrei Kholkin (Universidade de Aveiro, de Portugal)

Para obter mais informações sobre desta fonte visite por favor NT-MDT Co.

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

Last Update: 14. June 2013 04:37

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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