Микроскопия Усилия Piezoresponse (PFM) - Введение, Принципы и Целесообразные Аспекты Микроскопии Усилия Piezoresponse NT-MDT

Покрытые Темы

Введение
Принципы и Целесообразные Аспекты Микроскопии Усилия Piezoresponse (PFM)
     Основные Принципы PFM
     История PFM
     Элементарная теория PFM
Механизм Контраста в Микроскопии Усилия Piezoresponse
Артефакты в Приеме PFM
Делать По Образцу и Собственн-Агрегат Поляризации через PFM
Piezoresponse и Pseudoferroelectricity в ZnO
Electromechanics Биологических Систем
Изучения Nanoscale Материалов Multiferroic
Заключения

Введение

Ferroelectrics subclass piezoelectrics, namely, материалов которые испытывают механически деформацию под подводимым напряжением или поручать под механически усилием. Экспонат Ferroelectrics широкий диапазон функциональных свойств, включая высокую и switchable электрическую поляризацию, сильное пьезоэлектричество, высокую нелинейную оптически деятельность, выдающий pyroelectricity, и знатное нелинейное диэлектрическое поведение. Эти свойства непременны для применений в многочисленних электронных устройствах как датчики, приводы, детекторы ИК, фильтры микроволны и, недавно, слаболетучие памяти, для того чтобы назвать несколько. Должно к исследователям и инженерам свойств этого уникально сочетание из фокусируйте на визуализировании ferroelectric доменов (зон с уникально направлением поляризации) на различных маштабах.

Недавние выдвижения в синтез и изготовление микро--и ferroelectrics nanoscale принесли к явлениям и приборам жизни новым физическим которым нужно быть изученным и понятым на этом маштабе. По Мере Того Как размеры структуры получают более малыми, экспонат ferroelectrics произнесенное влияние размера обнародуя в значительно отступлении свойств низк-габаритных структур от их навальных аналогов. В этом чувстве, ferroelectrics подобно к магнитным материалам в виду того что поверхностную энергию нельзя упустить в малых томах и длиннорейсовое взаимодействие диполя значительно доработано в уменьшенной геометрии. Оно также быть в зависимости от ограничено ли ferroelectric в одном, 2, или все трехмерные структуры.

После возможности миниатюризации, романные методы необходимы для оценки ferroelectric и пьезоэлектрических свойств с максимумом, в конечном счете разрешением nanoscale. Много коренных проблем имеют в наше время быть адресованным как влияние удерживания геометрии на ferroelectric и пьезоэлектрических свойствах, отношении между местный piezoresponse и макроскопическими свойствами, так же, как микроскопическими механизмами переключения поляризации, стабилности домена и ухудшения, включая явления поляризации на интерфейсе.

За романными применениями nanoscale, функциональность ferroelectric фильмов, поликристаллическая керамика, и даже одиночные кристаллы часто преобладаны дефектами которые действуют как нуклеация и центры прикалывать для moving границ доменов и таким образом определяют piezoresponse. В добавлении, уникально электро-механические свойства ferroelectrics relaxor (материалов с гигантским напряжением и диэлектрической константой) возникают от взаимодействия поляризации с химикатом и поручают разлад на маштабе нанометра. Окончательно, романный тип multiferroics где поляризация соединена к замагничиванию на частном масштабе.

Для того чтобы адресовать основную опору механизмов функциональность ferroelectric материалов и приборов, дискретные структуры промежуточного состояния и их развитие под смещением должна быть изучена на micro и маштабах нанометра. Быстрое развитие Микроскопии микроскопии зонда скеннирования и, специально, Усилия Piezoresponse (PFM) приводило к в фантастичном выдвижении в этой области как выделит ниже после короткого описания метода.

Принципы и Целесообразные Аспекты Piezoresponse Принуждают Микроскопию (PFM)

Основные Принципы PFM

Подход к PFM для зондировать piezo-и сегнетоэлектрических свойств на nanoscale основан на сильном соединении между поляризацией и механически dispacement. По-видимому, соединять может быть адресован путем прикладывать сильно локализованное электрическое поле к материалу и зондировать возникающие мельчайшие поверхностные смещения с точностью picometer (FIG. 1).

Диаграмма 1. Схема расположения Микроскопии Усилия Piezoresponse где и напряжения тока ac и dc прикладной к металлизированной подсказке и механически смещению измерена через обычный метод AFM.

Общий AFM обеспечивает идеально платформу для местного изучения piezoeffect должного к высокому разложению в вертикальном направлении и высокой локализации электрического поля на соединении между металлизированной подсказкой и поверхностью. Следовательно, PFM контакт-режим AFM в котором электрически пристрастная проводная подсказка AFM использована по мере того как зонд местного электро-механического соединения через наоборот пьезоэлектрическое влияние. Замечательн, основной механизм образования изображения в PFM комплементарные усили-основанные методы AFM (усилие прикладной и отклонение подсказки измерено) и микроскопия прокладывать тоннель скеннирования (STM) (косая прикладной и измерено течение).

История PFM

После вымысла STM и AFM, первые примеры измерять смещени-наведенную деформацию должную к пьезоэлектричеству с зондом скеннирования были в 1991 где piezoresponse было изучено используя микроскопию скеннирования акустические и STM. Более Поздно дальше, первые бумаги на пьезоэлектрических измерениях и визуализирование ferroelectric домена AFM появлялись. После этого серия пионерских результатов была получена Takata et al (используя воображение напряжения через прокладывать тоннель акустическая микроскопия), Franke et al, Kolosov et al и Gruverman et al. Работа Gruverman с соавторами в частности важны потому что он продемонстрировал воображение и переключение в общем ferroelectrics и чеканить термины «Piezoresponse» и «PFM» которые теперь были стандартными. В прошлых 15 летах, PFM стало премьер-министр инструментом для изучать статические и динамические свойства ferroelectric материалов, как проявлено несколькими недавних книгами и просмотрений.

Элементарная теория PFM

В PFM, напряжение тока прикладной к проводной подсказке как

Vtip = V+DC VAC cos (ωt)

Здесь VDC смещение dc (смещение переключения), VAC смещение ac (зондируя косо) и ω частота смещения AC (управляя частотой). По Мере Того Как образец расширяет и подряды должные к наоборот пьезоэлектрическому влиянию, отклонение подсказки будет проконтролировано используя a замк-в усилителе так, что колебание подсказки

A = A0 + Acos (ωt + φ)

где A0 статические поверхностные смещение и φ сдвиг фазы между управляя напряжением тока VAC и наведенной напряжением тока деформацией A = d33eff VAC + (∂C/∂z) (VDC - VV5)AC. Первая термина деформация истинного piezoresponse должная местная пьезоэлектрическая описанная эффективным piezocoefficient d33eff и вторая термина местная электростатическая деформация причиненная и местный и non-местный Максвелл stress.20 Против стоек для поверхностных потенциала и C полное capaciatance системы консольн-образца.

Амплитуда PFM обеспечивает информацию на величине местного электро-механического соединения, пока изображение участка PFM дает местную ориентацию поляризации. Типично разрешение воображения PFM чем ~ 10-30 nm как определено от половины ширины границ доменов в смешанном сигнале PFM, PR = Acos (φ) которое главным образом использовано для характеризации (φ эфир близко к 0º или к 180º). Разрешение ограничено площадью контакта подсказк-образца (номинально определенной радиусом вершины подсказки), однако дополнительными механизмами для расширять как электростатические взаимодействия и образование жидкостной шеи в соединении подсказк-поверхности возможно.

Механизм Контраста в Микроскопии Усилия Piezoresponse

Механизм контраста и обнаружение картин ferroelectric домена с PFM основаны на факте что ferroelectric материалы обязательно пьезоэлектрически. По-существу, cantilever выполняет 3 вида смещений: (I) вертикальное отклонение в результате из плоского усилия должного к коэффициенту33eff d, (ii) кручение (причиненное ножницами piezocoefficient d15eff ), и (III) buckling от взаимодействия с поверхностью когда усилие в-плоскости подействует вдоль консольной оси. Первый тип деформаций назван измерения вне--плоскости (или вертикального PFM, или VPFM).

Если поляризация и прикладное электрическое поле параллельна (FIG. 2a), то деформация положительна (расширение) и сигнал piezoresponse в участке с V.AC На противоположности, если прикладное электрическое поле antiparallel к самопроизвольно поляризации, то это причинит пьезоэлектрическо заключить контракт с последовательный понижать cantilever (FIG. 2b). Электрическое поле и сигнал piezoresponse перенесены в участок 180°. Подобно, направление поляризации для зерна поляризовыванного в-плоскостью ferroelectric можно дедуцировать через уместный (ножницы) пьезоэлектрический коэффициент d15eff (FIG. 2c, d). В этот случай, прикладное электрическое поле причиняет деформацию ножниц зерна, которое перенесено через усилия трением к крутящему движению cantilever. Эти измерения более добавочно будут обозначены как измерения в-плоскости (или бокового PFM, или LPFM).

Должно к консольной асимметрии, поляризации в направлении консольной оси смогите только быть записано физически поворачивать образец 90° вдоль z-оси и повторять измерение в-плоскости. Путем приобретать все 3 компонента сигнала piezoresponse, возможно выполнить хотя бы полуколичественную реконструкцию ориентации поляризации. Однако, точную ориентацию поляризации можно высчитать только если знаны все компоненты пьезоэлектрического тензора. Первая попытка отнести амплитуда сигнала piezoresponse к ориентации ferroelectric поляризации была предпринята Harnagea и Pignolet и детализированный формализм более поздно были начаты Kalinin et анализ al. A тщательный движения cantilever необходимо сделать по отношению к своей ориентации по отношению к кристаллическим осям образца, позволяющ ясной атрибутике наблюдаемого контраста домена к движущим силам. В случае композиционных материалов как ferroelectric полимер смешанный с частицами или ferroelectric гибридными (органическ-неорганическими) материалами эта проблема причалена путем знать электро-механическое поведение каждого компонента.

Диаграмма 2. Пьезоэлектрическое влияние в тетрагональное ferroelectric расследованном PFM. (a) Параллельное выровнянное Электрическим полем к самопроизвольно поляризации водит к подниматься cantilever должного к влиянию33 d (сигналу вне--плоскости). (b) Antiparallel выравнивание электрического поля и самопроизвольно поляризации водит к вертикальному сужению и горизонтальному расширению ferroelectric. (c), ортогональное Электрического поля (d) прикладное к поляризации приводит к в движении ножниц должном к коэффициенту15 d. Это движение причиняет крутящую деформацию cantilever принуждая пятно лазера для того чтобы двинуть горизонтально (сигнал в-плоскости).

Артефакты в Приеме PFM

Несчастливо точно выраженное разъединение каналов вне--плоскости и приема в-плоскости всегда не возможно. Это приводит к в помехе между и каналами и misinterpreatation результатов irrespectively ли помеха механически или электрической причины. Хотя большинств имеющее на рынке AFMs поставлено с программами способными для того чтобы компенсировать изображения во время обрабатывать, коррекция помехи PFM не включенна. NT-MDT (в сотрудничестве с Университетом Бонн) развивало простую радиотехническую схему где компенсация помехи сделана простой обработкой сигнала в-плоскости и сигналами вне-плоскости в ситуации где то из их присутствовал. Результаты показанные ниже иллюстрируют ситуацию где только сигнал в-плоскости присутствовал. Сигнал вне--плоскости PFM полно компенсирован балансным контуром.

Диаграмма 3. сигналы Topogaphy (a), вне--плоскости PFM (b) и в-плоскости PFM (c) без (правое изображение) и с (компенсатора помехи левого изображения) в nanotubes пептида FF где только сигнал в-плоскости следует наблюдать (учтивость Изображений I. Bdikin и A. Kholkin, Университета Авейру, Португалии).

Делать По Образцу и Собственн-Агрегат Поляризации через PFM

В Настоящее Время, исследование дирижировано для того чтобы открыть новые Ны тип материалов которые могут собрать в уникально действуя приборы. Краеугольный камень таких изучает ядреное синтетическое усилие которое позволяет свободе конструировать, так, что новые структурные типы можно создаться. Неотвеченный вопрос как изобрести общие методы для того чтобы собрать и соединить органические и биологические структуры в действуя молекулярные приборы маштаба. Для того чтобы достигнуть этих критических соединений, новый Н тип агрегата должен быть начатый позволять прикрепить различный молекулярный вид на поверхности в предопределенных положениях. Романный подход который недавно был предложен основан на агрегате nanostructures сразу атомной (ferroelectric) поляризацией на поверхности. Это часто названо ferroelectric литографирование. Ferroelectric поляризацию можно деиствительно использовать для того чтобы собрать различный органический и неорганический вид и создать nanostructures с контролируемыми свойствами. Как пример, нас показываем здесь тот P (VDF-TrFE), ультратонкие фильмы депозированные методом Langmuir-Blodgett можно использовать как шаблоны для агрегата различных фосфолипидов, которые необходимые компоненты мембран клетки. И воображение и делать по образцу смогли быть сделаны PFM, так, что картины nanoscale можно создаться. Эти были показаны образованием однотипового и конюшня округлила шарики с диаметрами в границах 0.5-3µm.

В этом путе, ferroelectric фильмы полимера были поляризовываны применением различных напряжений тока через дирижируя подсказку PFM и изображения PFM было после этого полученным контролируемым показом распределением поляризации. После этого, молекулы фосфолипида (1,2-di-O-hexadecyl- sn-glycero-3-phosphocholine) были депозированы от разрешения. Обычные атомные эксперименты по микроскопии усилия после этого были выполнены для того чтобы определить селективность процесса низложения. Наблюдалось что процесс низложения очень чувствительн к концентрации разрешения. Селективное низложение наблюдалось главным образом на границах поляризации куда селективность достигла максимальное значение около 20-40% (FIG. 4a). Линии pospholipid смогли также сразу быть депозированы подсказкой PFM по мере того как ручка nanoscale (FIG. 4b) и поляризацию можно также обратить в слое фосфолипида

Диаграмма 4. (a) Поляризаци-Управляемый агрегат pospholipids на поверхности фильмов P (VDF-TrFE) через PFM, (b) Pospholipid выравнивается написано и визуализировано PFM и (c) ferroelectric доменами writeen на поверхности фильмов bilayer P фосфолипида (VDF-TrFE). Учтивость Alejandro Heredia, Игорь Bdikin и Andrei Kholkin (Университет Авейру, Португалии).

Piezoresponse и Pseudoferroelectricity в ZnO

Окись Цинка (ZnO) известный n-тип материал полупроводника имея замечательные электронные и оптически свойства с большим потенциалом для микро--и оптической электроникой. Сильно сопротивляющие c-ос-ориентированные фильмы ZnO также интереса для различных пьезоэлектрических применений (например как датчики, приводы, высокочастотные акустические датчики, etc) должных к их знатным и стабилизированным пьезоэлектрическим свойствам. Недавно, ZnO стало материалом выбора для пьезоэлектрических приборов из-за легкости роста в геометрии nanorod и nanobelt. Однако, пьезоэлектрические свойства ZnO нет хороше поняты и охарактеризовано, специально в случае поликристаллических фильмов смешивая ориентацию зерен и слабого (если любой), то unipolarity. Пример детального исследования пьезоэлектрических свойств фильмов ZnO уступан FIG. 5. Каждое зерно охарактеризовано контрастом отнесенным к уместному пьезоэлектрическому коэффициенту, ориентации зерна, и зажимать влияние других зерен. Используя PFM было возможно получить пьезоэлектрические карты поверхности путем измерять реакцию в вертикали и 2 ортогональных боковых направлениях (FIG. 5a.c.) и, основано на пьезоэлектрическом контрасте, к deconvolute ориентация и полярность каждого индивидуального зерна (FIG. 5c). Для the first time, ferroelectric-как гистерезис открыл в номинально чисто ZnO (FIG. 5e) таким образом доказывая свои pseudoferroelectric свойства как предсказано недавно Tagantsev.

Диаграмма 5. карты Топографии (a) и nanoscale пьезоэлектрические в поликристаллических фильмах ZnO (b-c) полученных низложением пульсированного лазера. Карта Полярности (c) представляет поляризацию (с знаком) и ориентацию индивидуальных зерен пока (g) демонстрирует ferroelectric-как гистерезис в номинально undoped фильмах. Учтивость Игорь Bdikin и Andrei Kholkin (Университет Авейру, Португалии).

Electromechanics Биологических Систем

Пьезоэлектричество которое запруживает от non-centrosymmetric кристаллической структуры внутреннеприсущее свойство большинств биополимеров, включая протеины и полисахариды. Пьезоэлектрическое поведение наблюдалось в разнообразие биологических системах, включая обызвествляно и соединительные ткани и заводы, дентин, косточки Etc. Понимая отношение между физиологопсихологически произведенными электрическими полями и механически свойствами на уровнях молекулярных, клетчатых, и ткани были главным образом мотивировкой изучать пьезоэлектричество в биологических системах. Интерес также должн к факту что pizoelectrically активные биоматериалы можно использовать как датчики, приводы и датчики nanoscale полно - совместимому с биологической окружающей средой. В добавлении, сильная зависимость ориентации пьезоэлектрического влияния весьма важна для исследования сложного иерархическаяа структура в биологических материалах. Недавно наблюдалось что короткие ароматичные пептиды собственн-собрали в геометрии nanscale трубчатой с очень высоким piezoeleffect (соответствующим к тому в LiNbO3, одному из главным образом используемых неорганических материалов датчика). На Диаграмму 6 представлено изображение топографии nanotube (a), схему поляризации и расположение измерения контрастом PFM (b) и PFM для противоположно ориентированных nanotubes где коэффициент33eff d (ножниц) пьезоэлектрический только ответствен для электро-механического соединения. Преимущество PFM высокие разрешение и возможность измерить местное пьезоэлектрическое влияние в сложной геометрии. Сильная и робастная пьезоэлектрическая работа в bioinspired PNTs (никогда не увиденном в в прошлом) делает ими перспективнейшие выбранные для будущих поколений «зеленого» nanopiezoelectrics которые могли обширно быть использованы в биомедицинских и медицинских применениях. Обеспечено что эти biocompatible и твердые nanotubes (так же, как блоки из этого) могут служить как ключевые положения для будущих биосенсоров позволяющ непосредственному контакту с людской тканью.


 

Диаграмма 6. Топография (a), расположение измерения (b), и пьезоэлектрический контраст (c) в nanotubes пептида FF (учтивости Игоре Bdikin и Andrei Kholkin, Университете Авейру, Португалии).

Изучения Nanoscale Материалов Multiferroic

Multiferroics - материалы которые одновременно имеют магнитный и ferroelectric приказывать - привлечь теперь значительный интерес и из-за завораживающей физики и перспективнейших применений. Один из предложенных управляя механизмов для сегнетоэлектрика возникновение обязанности приказывая (CO) в смешанных манганитах совмещенных с скрепленной димеризацией для того чтобы сломать симметрию заворота. В виду того, что поляризация в этих твердых телах может существовать в томах nanoscale, Микроскопию Усилия Piezoresponse можно использовать для изучать смещени-наведенные сегнетоэлектрические свойства и под и над переходом участка CO. Такой смещени-наведенный сегнетоэлектрик изученный через PFM может также иметь значение для создающ искусственние multiferroic материалы и ячейки памяти. Эти эксперименты помогают к undertand роли обязанности/орбитального и магнитного приказывать на электрической поляризации и определяют природу нового источника multiferroicity. Эти exeriments недавно были выполнены на известных (Ла, Старший) манганитах3 смешанных MnO и деиствительно ferroelectric положение было найдено на комнатных температурах, т.е., очень более высоко чем предположено для переходов участка CO. Диаграмма 7 приводит остров в пример пол-наведенный смещением ferroelectric в centrosymmetric манганите «море». Это подтверждает что достаточн высокий электрическое поле смогло сломать симметрию и навести приполюсное положение должное к местный «электрический» давать допинг материала.

Диаграмма 7. остров Nanoscale ferroelectric наведенный PFM tim в петлях0.890.113 гистерезиса манганита (a) и piezoresponse LaSrMnO показывая реверсивность поляризации. Учтивость Игорь Bdikin и Andrei Kholkin (Университет Авейру, Португалии).

Заключения

Пока начальное применение PFM было главным образом к доменам изображения ferroelectric значительно в немного важных но довольно редких ferroelectric материалов, PFM может быть в настоящее время прикладной к большому разнообразию материалов включая биоматериалы и ионные проводники. Соединенные электро-механические свойства своиственны в сотниах неорганических материалов (даже centrosymmetric на макроскопическом маштабе) и подобно в биологических материалах. Развитие PFM обеспечивает новое окно в поведение широкого диапазона материалов. Поровну важно, развития в PFM направлял к часть более большой тенденции к весьма высокому пространственному разрешению в квантификации электромагнитных свойств. Несколько типов функциональных свойств теперь зондируются на разрешении sub-nm. В большинств случаи свойства представлены одиночными скалярными номерами как резистивность, проводимость, поверхностный потенциал, плотность обязанности, Etc. PFM уникально в что оно носит эту стратегию в область сложных свойств тензора. Значительно выдвижения PFM (возможного но неисвестня но) предположены в области новых материалов и приборов основанных на их.

Источник: CO. NT-MDT. 
Автор: Др. Andrei Kholkin (Университет Авейру, Португалии)

Для больше информации на этом источнике пожалуйста посетите CO. NT-MDT.

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

Last Update: 14. June 2013 04:40

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.
Ask A Question

Do you have a question you'd like to ask regarding this article?

Leave your feedback
Submit