Piezoresponse силовая микроскопия (ПФМ) - Введение, принципы и инструментальные аспекты силовой микроскопии Piezoresponse НТ-МДТ

Рассматриваемые вопросы

Введение
Принципы и инструментальные аспекты силовой микроскопии Piezoresponse (УГФ)
Основные принципы управления государственными финансами
История PFM
Элементарная теория ПФМ
Контрастность механизма в силовой микроскопии Piezoresponse
Артефакты в приобретении ПФМ
Структурирование поляризации и самосборки с помощью PFM
Piezoresponse и Pseudoferroelectricity в ZnO
Электромеханика биологических систем
Исследования наноразмерных материалов мультиферроика
Выводы

Введение

Сегнетоэлектрики являются подклассом пьезоэлектриков, а именно, материалы, опыт механической деформации при приложении напряжения или зарядка под действием механических сил. Сегнетоэлектрики обладают широким набором функциональных свойств, в том числе высокого и переключаемой электрической поляризации, сильный пьезоэлектричество, высокой нелинейной оптической активности, выдающиеся пироэлектричество и заметных нелинейных диэлектрических поведения. Эти свойства являются обязательными для применения в различных электронных устройствах, таких как датчики, исполнительные механизмы, ИК-детекторы, микроволновые фильтры и, недавно, энергонезависимой памяти, чтобы назвать несколько. Благодаря этому уникальному сочетанию свойств исследователи и инженеры сосредоточились на визуализации сегнетоэлектрических доменов (районы с уникальным направлением поляризации) в различных масштабах.

Последние достижения в области синтеза и изготовления микро-и наноразмерных сегнетоэлектриков вызвало к жизни новые физические явления и устройств, которые должны быть изучены и поняты на этой шкале. Как структура размеры становятся все меньше, сегнетоэлектрики обладают выраженным эффектом размера проявляется в значительном отклонении свойств низкоразмерных структур из их объемных аналогов. В этом смысле, сегнетоэлектриков аналогичны магнитным материалов с поверхностной энергии нельзя пренебрегать в небольших объемах и дальнего дипольного взаимодействия, значительно измененные в условиях ограниченной геометрии. Он также зависит от того, сегнетоэлектрических заключен в одно-, двух-или трехмерной всех структур.

После миниатюризации вызов, новые методы, необходимые для оценки сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических свойств с высокими, в конечном счете наноразмерных разрешения. Многие фундаментальные вопросы в настоящее время должны быть рассмотрены такие как влияние геометрии лишения свободы по сегнетоэлектрических и пьезоэлектрических свойств, отношения между местными piezoresponse и макроскопических свойств, а также микроскопические механизмы переключения поляризации, домен стабильности и деградации, в том числе поляризационные явления на границе раздела.

Помимо новых наноразмерных приложений, функциональность сегнетоэлектрических пленках, поликристаллические керамики, и даже монокристаллов часто доминируют дефекты, которые действуют как зарождение и центры пиннинга для перемещения доменных стенок и таким образом определить piezoresponse. Кроме того, уникальные электромеханические свойства релаксорного сегнетоэлектрика (материалы с гигантским напряжением и диэлектрической проницаемости) происходят в результате взаимодействия поляризации с химическим зарядом и беспорядка на нанометровом масштабе. Наконец, существует новый класс мультиферроиках где поляризация связана с намагниченностью на местном уровне.

Для решения фундаментальных механизмов, лежащих в основе функциональности сегнетоэлектрических материалов и устройств, доменные структуры и их эволюция под уклон должен быть изучен на микро-и нанометрового масштаба. Быстрое развитие сканирующей зондовой микроскопии и, особенно, Piezoresponse силовая микроскопия (ПФМ) привело к сказочным продвижения в этой области, будут выделены ниже, после краткого описания метода.

Принципы и инструментальные аспекты силовой микроскопии Piezoresponse (УГФ)

Основные принципы управления государственными финансами

ПФМ подход для исследования пьезо-и сегнетоэлектрических свойств на наноуровне основана на сильной связи между поляризацией и механических dispacement. Судя по всему, связь может быть решена путем применения сильно локализованы электрического поля к материалу и зондирования результирующая минуту смещения поверхности picometer точности (рис. 1).

Рисунок 1. Схема микроскопии Piezoresponse группе положение, при котором оба переменного и постоянного напряжения применяются для металлизированных наконечник и механическое смещение измеряется с помощью обычного метода АСМ.

Общие АСМ обеспечивает идеальную платформу для локального исследования пьезоэффекта из-за высокого вертикального разрешения и высокой локализации электрического поля на стыке металлизированный наконечник и поверхности. Таким образом, PFM является контактно-режиме АСМ , в которых электрически предвзятой проводящих АСМ наконечник используется в качестве датчика местных электромеханической связи через обратный пьезоэлектрический эффект. Примечательно, что основной механизм формирования изображений в ПФМ является дополнением к силовой АСМ методы (усилие при отклонении кончика измеряется) и сканирующей туннельной микроскопии (СТМ) (смещения применяется и ток измеряется).

История PFM

После изобретения СТМ и АСМ , первые примеры измерения смещения вызванные деформацией из-за пьезоэлектричество с помощью сканирующего зонда были в 1991 году, где piezoresponse изучали с помощью сканирующей акустической микроскопии и STM. Позже, первые работы по пьезоэлектрических измерений и визуализации сегнетоэлектрических домена АСМ появились. После этого ряд пионерских результатов были получены Таката и др. (с использованием штамма изображений с помощью туннельного акустической микроскопии), Франка и др., Колосов и др. и Gruverman и соавт. Работа Gruverman с соавторами особенно важно, поскольку оно продемонстрировало изображения и коммутации в общей сегнетоэлектриках и чеканку термины «Piezoresponse» и « ПФМ », который в настоящее время стали стандартом. В последние 15 лет, PFM стал премьером инструментом для изучения статических и динамических свойств сегнетоэлектрических материалов, о чем свидетельствует ряд недавних книгах и обзорах.

Элементарная теория ПФМ

В ПФМ , напряжение подается на проводящего зонда как

V _{наконечник} = V _DC + V _AC сов (wt)

Здесь V _{постоянного тока} смещения постоянного тока (переключение смещения), V _{переменного тока} смещения переменного тока (зондирование смещения) и ω-частота переменного тока смещения (вождение частоты). В качестве образца расширяется и сжимается из-за обратного пьезоэлектрического эффекта, кончик отклонения контролируется с помощью синхронный усилитель так, чтобы кончик колебаний

= ₀ + _1ω сов (wt + φ)

, где ₀ является статическое смещение поверхности и φ является сдвиг фаз между управляющего напряжения _{переменного тока} и напряжение, наведенное деформации _1ω = D ^эфф ₃₃ ^{В _{переменного тока}} + (∂ C / ∂ Z) (V _DC - V ₅₎ В _{переменного тока} . Первое слагаемое является истинным piezoresponse из-за местных пьезоэлектрических деформация описывается эффективным piezocoefficient г ₃₃ ^эфф и второй член местной электростатической деформации, вызванной как местных, так и нелокальных Максвелл stress.20 Против выступает за поверхностного потенциала и С общая capaciatance из консольно-образец.