Piezoresponse StyrkaMicroscopy (PFM) - Inledning, Principer och InstrumentalAspekter av Piezoresponse StyrkaMicroscopy vid NT-MDT

Täckte Ämnen

Inledning
Principer och InstrumentalAspekter av Piezoresponse StyrkaMicroscopy (PFM)
     Grundläggande Principer av PFM
     Historia av PFM
     Elementär teori av PFM
KontrastMekanism i Piezoresponse StyrkaMicroscopy
Kulturföremål i PFM-Förvärv
PolarizationMönstra och Själv-Enhet via PFM
Piezoresponse och Pseudoferroelectricity i ZnO
Electromechanics av Biologiska System
Nanoscale Studier av Multiferroic Material
Avslutningar

Inledning

Ferroelectrics är en subclass av piezoelectricsen, namely, material som erfar mekanisk deformering under applicerad spänning eller uppladdning under mekanisk styrka. Ferroelectrics utställning en lång räcka av funktionell rekvisita, inklusive kick och switchable elektrisk polarization, stark piezoelectricity, non-linjär optisk aktivitet för kick, utstående pyroelectricity och noterbart non-linjärt dielectric uppförande. Dessa rekvisita är oumbärlig för applikationerna i talrika elektroniska apparater liksom avkännare, utlösare, IR-avkännare, mikrovåg filtrerar och, för en tid sedan, beständiga minnen, för att namnge några. Tack vare iscensätter har denna unika kombination av rekvisitaforskare och fokuserat på visualization av ferroelectric områden (områden med unik polarizationriktning) på olika fjäll.

Nya framflyttningar i syntes och fabricering av mikro-och nanoscaleferroelectrics kom med till nya läkarundersökningfenomen och apparater för liv som behöver att vara utstuderade och förstod på detta fjäll. Som strukturerar dimensionerar får mindre, ferroelectricsutställningen som ett uttalat storleksanpassar verkställer att visa sig i ett viktigt avsteg av rekvisitan av låg-dimensionellt strukturerar från deras bulk motsvarigheter. I denna avkänning är ferroelectricsen liknande till magnetiska material, sedan ytbehandla energi inte kan försummas i lilla volymer, och lång-att spänna dipoleväxelverkan ändras markant i förminskande geometrier. Den beror också på ett ferroelectric begränsas huruvida i en, två, eller all tredimensionellt strukturerar.

Efter krävs miniatyriseringutmaningen, nya tekniker för utvärderingen av ferroelectric och piezoelectric rekvisita med kicken, ultimately nanoscaleupplösning. Många utfärdar grunden har nuförtiden att tilltalas liksom verkställer av geometrifångenskapen på ferroelectric och piezoelectric rekvisita, förhållande mellan lokalpiezoresponse och macroscopic rekvisita såväl som mikroskopisk mekanism av polarizationväxling, områdesstabilitet och degradering, inklusive polarizationfenomen på ha kontakt.

Det okända de nya nanoscaleapplikationerna, funktionsduglighet av ferroelectric filmar, polycrystalline keramik, och även domineras singelkristaller ofta by hoppar av som agerar, som det att bilda en kärna och att klämma fast centrerar för rörs områdesväggar och bestämmer thus piezoresponsen. I tillägg påbörjar den unika elektromekaniska rekvisitan av relaxorferroelectricsen (material med jätten anstränger och den dielectric konstanten), från samspelet av polarization med kemisk och laddningsoordning på nanometerfjäll. Slutligen finns det en roman klassificerar av multiferroics var polarization kopplas ihop till magnetizationen på lokalfjäll.

Att tilltala grundmekanismen som styrker funktionsdugligheten av ferroelectric material och apparater strukturerar området, och deras evolution under snedhet måste att vara utstuderad på microen och nanometerfjällen. Forutvecklingen av Microscopy för scanningsondmicroscopy och, speciellt, Piezoresponse Styrka (PFM)har resulterat i en sagolik befordran i detta område, som ska var markerad nedanför efter den kort beskrivningen av metoden.

Principer och InstrumentalAspekter av Piezoresponse Tvingar Microscopy (PFM)

Grundläggande Principer av PFM

PFMNA att närma sig för att sondera, piezo-och den ferroelectric rekvisitan på nanoscalen baseras på starkt koppla ihop mellan polarization och den mekaniska dispacementen. Som synes kan att koppla ihop tilltalas, genom att applicera en högt lokaliserad elkraft, sätter in till det materiellt, och sondera det resulterande minimalt ytbehandla förskjutningar med en picometerprecision (Fig. 1).

Figurera 1. Schematiskt av ordningen för Piezoresponse StyrkaMicroscopy, var både ac- och dc-spänningar appliceras till den metallized spetsen och den mekaniska förskjutningen, mätas via konventionell AFM-metod.

Vanligt ger AFM en idealplattform för upplösning för lodlinje för kick för lokalpiezoeffectstudie tack vare, och kicklocalizationen av elkraften sätter in på föreningspunkten mellan den metalized spetsen och ytbehandla. Hence är PFM ettfunktionsläge AFM som en elektriskt tendentiös ledande AFM-spets används i, som en sond av elektromekanisk koppla ihop för lokal via det omvända piezoelectric verkställer. Remarkably avbildar det grundläggande bildandemekanismen i PFM är kompletterande till styrka-baserade AFM-metoder (styrka appliceras, och spetsavböjningen mätas) och scanningen som gräver bias (STM) microscopy (appliceras, och en ström mätas).

Historia av PFM

Efter var uppfinningen av STM och AFM, de första exemplen av att mäta enframkallad piezoelectricity för deformering tack vare med en scanningsond i 1991 var piezoresponse var utstuderad genom att använda akustisk microscopy för scanning och STM. Sedermera har den första legitimationshandlingar på piezoelectric mätningar och visualization för ferroelectric område vid AFM visas. Efter har detta en serie av banbrytande resultat erhållits av Takata, et al (som använder anstränga att avbilda via att gräva akustisk microscopy), Franke et al, Kolosov et al och Gruverman Arbetet vid Gruverman med coauthors är o.a. bestämt viktiga, därför att den visade att avbilda, och koppla, i den ferroelectricsen och att mynta för allmänning, benämner ”Piezoresponse” och ”PFM” som har nu blivit standard. I förflutnan har 15 år, PFM blivit premiärministern bearbetar för att studera statisk elektricitet och dynamisk rekvisita av ferroelectric material, som bevisat av ett nummer av nytt bokar och granskar.

Elementär teori av PFM

I PFM appliceras en spänning till den ledande spetsen som

Vtip = V+DC VAC cos (ωt)

Här ärDC V dc-snedheten (växlingsnedhet), VAC är ac-snedheten (som sonderar snedhet), och ω är AC-snedhetsfrekvensen (som kör frekvens). Som ta prov utvidgar och avtalar det omvända piezoelectric verkställer tack vare, övervakas spetsavböjningen genom att använda a låsa-i förstärkaren så att spetssvängningen

A = A0 + Acos (ωt + φ)

ytbehandla förskjutning, 0 var A är statisk elektricitet, och φ är arrangera gradvisförskjutningen mellan den körande spänningen VAC och den spänning framkallade deformeringen A = D33eff VAC + (∂C/∂z) (VDC - VV5)AC. Första benämner är den riktiga lokalen för piezoresponse rakt piezoelectric deformering som beskrivas av det effektiva piezocoefficient Det, 33eff och understödja benämner är en lokal elektrostatisk deformering som orsakas av både lokal, och non-lokalen Maxwellen stress.20 Vs stativ för den potentiella ytbehandla och C är den sammanlagda capaciatancen av detta prov systemet.

PFM-amplituden ger information på storleken av elektromekanisk koppla ihop för lokal, fördriver PFMEN arrangerar gradvis avbildar ger lokalpolarizationriktning. Typisk är den avbilda upplösningen av PFM mindre än ~ 10-30 nm, som beslutsamt från halvan av bredden av en områdesvägg i den blandade PFMEN signalera, PR = Acos (φ) som används mestadels för karakteriseringen (φ är eter nästan 0º eller till 180º). Upplösningen begränsas av detta prov kontaktområdet (nominellt som är beslutsamt vid radien av spetsapexen), though extra mekanism för att bredda liksom elektrostatiska växelverkan, och bildandet av en flytande hånglar i denytbehandla föreningspunkten är möjligheten.

KontrastMekanism i Piezoresponse StyrkaMicroscopy

Kontrastmekanismen och upptäckten av det ferroelectric området mönstrar med PFM baseras på faktumet att ferroelectric material är nödvändigtvis piezoelectric. I stort utför cantileveren tre sorter av förskjutningar: avböjning för lodlinje (I) som ett resultat av ut ur samverka plan styrka tack vare33eff D, (ii) vridning (som orsakas av sax piezocoefficient D15eff ), och (iii) att spänna fast från växelverkan med ytbehandla, när enplan styrka agerar längs cantileveraxeln. Den första typen av deformeringar ses till som ut-av-plana (eller lodlinjen PFM eller VPFM) mätningar.

Om polarizationen och den applicerade elkraften sätter in är parallella (Fig. 2a), deformeringen är realiteten (utvidgning), och piezoresponse signalerar är arrangerar gradvis in med V.AC Tvärtom om den applicerade elkraften sätter in, är antiparallel till den spontana polarizationen, ska denna orsakar piezoelectric för att avtala med följande fälla ned av cantileveren (Fig. 2b). Elkraften sätter in, och piezoresponsen signalerar skiftas in arrangerar gradvis vid 180°. På motsvarande sätt kan riktningen av polarizationen för detplana polariserade ferroelectric kornet sluta sig till via ett relevant (sax) piezoelectric samverka D15eff (Fig. 2c, D). I detta fall sätter in den applicerade elkraften orsakar en saxdeformering av kornet, som överförs via friktionsstyrkorna till den torsional rörelsen av cantileveren. Dessa ska mätningar betecknas vidare som i-plan (eller sidoPFM eller LPFM) mätningar.

Tack vare kan cantileverasymmetrin, polarization i riktningen av cantileveraxeln endast antecknas, genom fysiskt att rotera ta prov vid 90° längs z-axeln och att upprepa denplana mätningen. Genom att få alla tre delarna av piezoresponsen, signalera, det är möjligheten som utför åtminstone semiquantitative rekonstruktion av polarizationriktningen. Precisera riktningen av polarization kan beräknas, om endast alla delar av den piezoelectric tensoren är bekant, Emellertid. Det första försök att förbinda amplituden av piezoresponsen signalerar till riktningen av den ferroelectric polarizationen har företa sig av Harnagea, och Pignolet och specificerad formalism har varit mer sistnämnd som o.a. framkallas av Kalinin A som, försiktig analys av rörelsen av cantileveren måste göras med hänsyn till dess riktningssläkting till de crystallographic yxorna av ta prov och att låta en klar tillskrivning av den observerade områdeskontrasten till drivkrafterna. I fallet av sammansatt material som den ferroelectric polymern som blandas med partiklar eller ferroelectric hybrid- (organisk-oorganiska) material att närma sig detta problem, genom att veta det elektromekaniska uppförandet av varje som är del-.

Figurera 2. Piezoelectric verkställa i ett tetragonal ferroelectric som utforskas av PFM. (a) Elkraften sätter in arrangera i rak linje parallell till den spontana polarizationblytaket till lyfta av cantileveren, tack vare som Det33 verkställer (ut-av-plant signalera). (b) Den antiparallel justeringen av elkraften sätter in och den spontana polarizationblytaket till en lodlinjecontraction och en horisontalutvidgning av det ferroelectric. (c), sätter in Elkraft (D) applicerat ortogonalt till polarizationresultaten i en saxrörelse tack vare det samverka15 Det. Denna rörelse orsakar en torsional deformering av cantileveren som horisontellt tvingar laser-fläcken till flyttningen (i-plant signalera).

Kulturföremål i PFM-Förvärv

Tyvärr kanaliserar ett otvetydigt avskiljande av detplana och i-plana förvärvet är inte alltid möjligheten. Detta resulterar i snabb replikväxlning mellan båda kanaliserar, och misinterpreatationen av resultaten snabb replikväxlning är oavsett huruvida av det mekaniskt, eller elektriskt resonera. Även Om mest kommersiell - tillgängliga AFMs levereras med de kapabla programen för att kompensera avbildar under att bearbeta, PFM-snabb replikväxlningkorrigering är inte inklusive. NT-MDT (i samverkan med Universitetar av Bonn) har framkallat ett enkelt elektroniskt går runt var snabb replikväxlningkompensationen göras av enkelt signalerar att bearbeta av detplant och ut-plant signalerar i läget var endera av dem är närvarande. Resultaten som visas nedanfört, illustrerar läget, var endast i-plant, signalerar är närvarande. Deplana PFMNA signalerar kompenseras fullständigt av kompensationen går runt.

Figurera 3. Topogaphy (a), ut-av-plan PFM (b) och i-plan PFM (c) signalerar utan (rätten avbildar) och med (lämnat avbilda), snabb replikväxlningkompensatorn i FF-peptidenanotubes, var endast i-plant, signalerar bör observeras (Avbildar artighet av I. Bdikin och A. Kholkin, Universitetar av Aveiro, Portugal).

PolarizationMönstra och Själv-Enhet via PFM

För närvarande föras forskningen för att upptäcka nya typer av material som kan montera in i unikt att fungera apparater. Grundpelaren av sådan studier är ett kraftigt syntetmaterialförsök som låter frihet planlägga, så att nya strukturella typer kan skapas. Ett obesvarat ifrågasätter är hur man planerar allmänna metoder för att montera, och att interconnect organiskt och biologiskt strukturerar in i att fungera molekylära fjällapparater. Att nå fram till dessa kritiska sammankopplingar, måste en ny typ av enheten vara framkallat låta fästa olik molekylär art på ytbehandla i de förutbestämda lägena. Romanen att närma sig som föresloggs för en tid sedan baseras på enheten av nanostructures som riktades av atom- (ferroelectric) polarization på ytbehandla. Detta ses ofta till som ferroelectric lithography. Ferroelectric polarization kan vara sannerligen van vid monterar olik organisk och oorganisk art och skapa nanostructures med kontrollerad rekvisita. Som ett exempel visar vi här det P (VDF-TrFE) som är ultrathin filmar deponerat vid den Langmuir-Blodgett tekniken kan användas som mallar för enheten av olika phospholipids, som är de nödvändiga delarna av cellmembran. Både att avbilda och att mönstra kunde göras av PFM, så att nanoscalen mönstrar kan skapas. Dessa avslöjdes av bildandet av homogent, och stall rundade klickar med diametrar i spänna 0.5-3µm.

På så sätt filmar den ferroelectric polymern polariserades av applikationen av olika spänningar via en föra PFM-spets, och PFM avbildar var därefter erhållande visningen kontrollerad polarizationfördelning. Efter detta sattes in molekylarna för phospholipiden (1,2-di-O-hexadecyl- sn-glycero-3-phosphocholine) från lösningen. Konventionella atom- styrkamicroscopyexperiment utfördes därefter för att bedöma selectivityen av den processaa avlagringen. Det observerades att den processaa avlagringen är mycket känslig till koncentrationen av lösningen. Den selektiva avlagringen observerades främst på polarizationgränserna var selectivityen nedde ett maximum värderar av omkring 20-40% (Fig. 4a). Pospholipiden fodrar kunde också direkt sättas in av PFM-spetsen som en nanoscale skrivar (Fig. 4b) och polarization kan också vändas om i ett phospholipidlagrar

Figurera 4. och visualiserat av PFM och (c) (a) filmar denDrivande enheten av pospholipidsna på ytbehandla av P (VDF-TrFE) via PFM, (b) Pospholipid fodrar skriftligt, ferroelectric områden writeen på ytbehandla av bilayer för phospholipid/P (VDF-TrFE) filmar. Artighet Alejandro Heredia, Igor Bdikin och Andrei Kholkin (Universitetar av Aveiro, Portugal).

Piezoresponse och Pseudoferroelectricity i ZnO

Zincoxiden (ZnO) är välkänd en materiell n-typ halvledare ha anmärkningsvärd elektronisk och optisk rekvisita med utmärkt potentiellt för mikro-och optoelectronics. Högt som gör motstånd c-axel-orienterade ZnO filmar är också av intresserar för olika piezoelectric applikationer (e.g som avkännare, utlösare, kick-frekvens akustiska omformare, etc.) tack vare deras notabilitet och stabila piezoelectric rekvisita. För en tid sedan har ZnO blivit ett materiellt av primat för piezoelectric plockningapparater på grund av lindra av tillväxt i nanorod- och nanobeltgeometrierna. Emellertid är den piezoelectric rekvisitan av ZnO inte väl förstått, och karakteriserat, speciellt i fallet av polycrystalline filmar ha den blandade riktningen av kornen och den svaga (om några) unipolarityen. Exemplet av den specificerade utredningen av piezoelectric rekvisita av ZnO filmar ger sig i Fig. 5. Varje korn karakteriseras av kontrasten släkt till relevant piezoelectric samverka, kornriktning, och klämma fast verkställa av andra korn. Genom Att Använda PFM som det var möjligheten som erhåller piezoelectric, kartlägger av ytbehandla, genom att mäta svaret i lodlinjen och 2 ortogonala sidoriktningar (Fig. 5a.c.) och, baserat på den piezoelectric kontrasten, till deconvolute riktningen och polariteten av varje individkorn (Fig. 5c). För den första tiden upptäcktes ferroelectric-något liknande hysteresis i nominellt rena ZnO (Fig. 5e) som thus bevisar dess pseudoferroelectric rekvisita som förutsagd för en tid sedan av Tagantsev.

Figurera 5. Topografi (a) och piezoelectric nanoscale kartlägger i polycrystalline ZnO filmar (b-c) erhållande av pulserad laser-avlagring. Polaritet kartlägger (c) föreställer polarization (med undertecknar), och riktningen av individkorn som stund (G) visar ferroelectric-något liknande hysteresis i nominellt undoped, filmar. Artighet Igor Bdikin och Andrei Kholkin (Universitetar av Aveiro, Portugal).

Electromechanics av Biologiska System

Piezoelectricity, som stems från dencentrosymmetric kristallen, strukturerar är en inneboende egenskap av mest biopolymers, inklusive proteiner och polysaccharides. Piezoelectric uppförande har observerats i en variation av biologiska system, däribland calcified, och connectivesilkespapper och växter, dentinen, benEtc.-Överenskommelse som förhållandet mellan den physiologically frambragda elkraften sätter in, och den mekaniska rekvisitan på det molekylärt, cell-, och silkespapper jämnar har blivit den huvudsakliga motivationen av att studera piezoelectricity i biologiska system. Intressera är också tack vare faktumet, att pizoelectrically aktivbiomaterials kan användas som nanoscaleavkännare, utlösare och omformare fullständigt - som är kompatibelt med den biologiska miljön. I tillägg verkställer det starka riktningsberoendet av det piezoelectric är extremt viktigt för utredningen av komplext hierarkiskt strukturerar i biologiska material. Det har för en tid sedan observerats att aromatiska peptides för kort stavelse som själv-är församlade i de tubular geometrierna för nanscale med mycket en kickpiezoeleffect (som är jämförbar till det i LiNbO3, ett av de mestadels använda oorganiska omformarematerialen). Figurera 6 gåvor som topografi avbildar av nanotuben (a), schematiskt av polarization- och mätningsordningen vid kontrast för PFM (b) och PFM-för motsatt orienterade nanotubes var det piezoelectric33eff samverka för D (sax) är endast ansvariga för elektromekanisk koppla ihop. Fördelen av PFM är en kickupplösning, och möjligheten som mäter den piezoelectric lokalen, verkställer i komplexa geometrier. Den starka och robustt piezoelectric aktiviteten i bioinspired PNTs (som ses aldrig i förflutnan) gör dem som lovas kandidater för framtida utvecklingar av ”den gröna” nanopiezoelectricsen, som kan, används omfattande i biomedical- och läkarundersökningapplikationer. Det förutses att dessa biocompatible och styva nanotubes (såväl som samlingar av därav) kan serven som de nyckel- beståndsdelarna för framtida biosensors låta direktkontakten med människasilkespappret.


 

Figurera 6. Topografi (a), mätningsordning (b) och piezoelectric kontrast (c) i FF-peptidenanotubes (artighet Igor Bdikin och Andrei Kholkin, Universitetar av Aveiro, Portugal).

Nanoscale Studier av Multiferroic Material

Multiferroics - material som har samtidigt magnetiskt och ferroelectric beställa - att tilldra nu ett betydligt intresserar båda på grund av fascinerande fysik och lovas applikationer. En av den föreslagna körningsmekanismen för ferroelectricity är händelsen av laddningen som beställer (CO) i blandade manganites som kombineras med förbindelsedimerization för att bryta inversionssymmetri. Betrakta, att polarizationen i dessa heltäckande kan finnas i nanoscalevolymer, kan arrangerar gradvis Piezoresponse StyrkaMicroscopy användas för att studera nedanför snedhet-framkallad ferroelectric rekvisita både och ovanför CO övergång. Sådan snedhet-framkallad ferroelectricity som är utstuderad via PFM, kan också vara viktig för att skapa konstgjorda multiferroic material och minnesceller. Dessa experiment hjälper till undertand rollen av laddningen/orbitalen och magnetiskt beställa på den elektriska polarizationen och bedömer naturen av den nya källan av multiferroicityen. Dessa exeriments utfördes för en tid sedan på de välkända (La, Sr) MnO3 blandade manganitesna, och sannerligen fanns ett ferroelectric statligt på rumstemperaturar, dvs., mycket higher, än förväntat för CO arrangera gradvis övergångar. Figurera 7 exemplifierar den snedhet sätta inframkallade ferroelectric ön i den centrosymmetric manganiten ”havet”. Detta bekräftar att kicken som nog elkraft sätter in kunde bryta en symmetri och att framkalla polart påstå tack vare elektriskt” dopa för lokal ”av det materiellt.

Figurera 7. Nanoscale kretsar den ferroelectric ön som framkallas av PFMEN tim i0.890.113 hysteresis för LaSrMnO manganite (a) och piezoresponsevisningpolarizationreversibility. Artighet Igor Bdikin och Andrei Kholkin (Universitetar av Aveiro, Portugal).

Avslutningar

Fördriva den initiala applikationen av PFM var främst att avbilda ferroelectric områden som är viktiga i några viktiga, men ganska sällsynta ferroelectric material, PFMEN kan för närvarande appliceras till en stor variation av inklusive biomaterials för material och ionic ledare. Den Förbundna elektromekaniska rekvisitan är naturlig i hundratals oorganiska material (som även är centrosymmetric på ett macroscopic fjäll) och på motsvarande sätt i biologiska material. Evolutionen av PFM ger ett nytt fönster in i uppförandet av en lång räcka av material. Lika viktigt, är utvecklingarna i PFM delen av en större trend in mot rumslig upplösning för ytterlighetkick i quantification av elektromagnetisk rekvisita. Flera klassificerar av funktionell rekvisita sonderas nu på upplösning under-nm. Ofta föreställs rekvisitan av singelscalar numrerar lik resistivity, conductivity, ytbehandlar potentiell, laddningstäthet, Etc. PFM är unik däri det bär denna strategi in i sfären av komplex tensorrekvisita. Viktiga framflyttningar av PFM (möjlighet men okända yet) förväntas i sfären av nya material och apparater som baseras på dem.

Källa: NT-MDT Co. 
Författare: Dr. Andrei Kholkin (Universitetar av Aveiro, Portugal)

För mer information på denna källa behaga besök NT-MDT Co.

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

Last Update: 14. June 2013 04:48

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