Piezoresponse 强制显微学 (PFM) - 简介、原则和有助方面 Piezoresponse 由 NT-MDT 的强制显微学

包括的事宜

简介
原则和 Piezoresponse 强制显微学的有助方面 (PFM)
     PFM 的基本原则
     PFM 的历史记录
     PFM 的基本原理
在 Piezoresponse 强制显微学的对比结构
在 PFM 购买的人工制品
极化仿造和自集合通过 PFM
Piezoresponse 和 Pseudoferroelectricity 在 ZnO
生物系统 Electromechanics
Multiferroic 材料的 Nanoscale 研究
结论

简介

Ferroelectrics 是 piezoelectrics,即,体验机械变形在应用的电压下或充电在机械强制下的材料子类。 Ferroelectrics 展览各种各样的功能属性,包括高和可转换的电极化、严格的压电、高非线性光学活性、未清焦热电和值得注意的非线性电介质工作情况。 这些属性为在许多电子设备的应用,最近,是不可缺少的例如传感器,致动器、红外线探测器、微波滤波器,并且固定存储器,命名一些。 由于属性研究员和工程师的此唯一组合着重铁电畴 (与唯一极化方向的区的) 形象化在不同的缩放比例。

在综合和制造微型和 nanoscale ferroelectrics 的最近预付款给需要被学习和了解在此缩放比例的生活新的物理现象和设备带来。 结构维数变得更小, ferroelectrics 展览表明的一个显著的尺寸效应在低尺寸结构属性的重大的偏差从他们的批量类似物的。 这样, ferroelectrics 类似于磁性材料,因为表面能在小的数量不可能被忽略,并且远程偶极交往在减少的几何显著被修改。 它也取决于铁电是否在一,二被限制,或者所有三维结构。

在小型化挑战之后,新颖的技术对于铁电和压电属性的评估与高,根本地 nanoscale 解决方法的是必需的。 许多重要问题现今有解决例如几何分娩的作用对铁电和压电属性,局部 piezoresponse 和宏观属性,以及极化切换、域稳定性和降低之间微观结构的关系,包括极化现象在这个界面。

在新颖的 nanoscale 应用之外,铁电的影片的功能,多晶的陶瓷和甚而单晶由作为生核和移动域墙壁固定中心和因而确定 piezoresponse 的缺陷经常控制。 另外, relaxor ferroelectrics (材料唯一机电属性以巨型张力和介电常数) 在毫微米等级起源于极化互相作用与化学制品的并且充电紊乱。 终于,有极化被耦合对在这个局部缩放比例的磁化 multiferroics 的新颖的选件类。

要解决加固铁电的材料和设备的功能的根本结构,域结构和他们的演变在偏心下必须被学习在微小和毫微米缩放比例。 扫描探测特别是显微学,并且, Piezoresponse 强制显微学的迅速发展 (PFM)在此区导致美妙的推进在这个方法的简短的描述以后下面将被显示。

原则和 Piezoresponse 的有助方面强制显微学 (PFM)

PFM 的基本原则

探通压力和铁电的属性的 PFM 途径在 nanoscale在极化和机械 dispacement 之间的严格的联结基础上。 表面上,耦合可以通过应用一个高度局限化的电场于材料和探查与微微米精确度 (图 1) 的产生的详细的表面位移解决。

Piezoresponse 强制显微学排列图 1. ac 和直流电压适用于这个金属化的技巧和机械位移的概要通过常规 AFM 方法被评定。

公用 AFM 为局部 piezoeffect 研究提供一个理想的平台由于高垂直分辨率和电场的高本地化在这个金属化的技巧和表面之间的连接点。 因此, PFM 是联络模式一个电子被偏心的导电性 AFM 技巧通过这个相反的压电效应使用的 AFM,因为局部机电联结探测。 卓越地,在 PFM 的基本的图象形成结构是补充基于强制的 AFM 方法 (强制是应用的,并且技巧偏折被评定) 和扫描挖洞显微学 (STM) (偏压是应用的,并且当前被评定)。

PFM 的历史记录

在 STM 和 AFM 的发明之后,在 1991年评定偏心诱发的变形的第一个示例由于与扫描探测的压电是使用扫描音响显微学和 STM 的地方, piezoresponse 被学习了。 稍后,在压电评定的第一份文件和由 AFM 的铁电畴形象化出现。 在此之后一系列的先驱结果由 Takata 等 (使用张力想象通过挖洞音响显微学), Franke 等, Kolosov 等和 Gruverman 等得到了。 工作在与共同执笔者的 Gruverman 旁边是特别重要的,因为它展示了想象和切换在公用 ferroelectrics 和形成现在变得标准的术语 ‘Piezoresponse’和 ‘PFM’。 在过去 15 年, PFM 成为为学习铁电的材料静态和动态属性的首要的工具,如见证由一定数量的最近书和复核。

PFM 的基本原理

PFM,电压适用于导电性技巧

Vtip = V+DC VAC COS (ωt)

在这里 VDC dc 偏心 (切换偏心), VAC 是 ac 偏心 (探通的偏心),并且ω是 AC 偏心频率 (驱动频率)。 当这个范例扩展和合同由于这个相反的压电效应,技巧偏折被监控使用封锁行动放大器,以便技巧动摆

A = A0 + ACOS (ωt + φ)

那里 A0 静态表面位移和φ是在驱动的电压 V 和电压AC 导致的变形之间的移相 A = d33eff VAC + (∂C/∂z) (VDC - VV5)AC。 第一个术语是有效 piezocoefficient d 描述的真的 piezoresponse 由于局部压电变形33eff ,并且第二个术语是局部造成的局部静电变形,并且非本地的麦克斯韦 stress.20 与表面潜在和 C 的立场是悬臂式范例系统的总 capaciatance。

PFM 阶段图象产生局部极化取向, PFM 高度在这个局部机电联结的大小情报。 典型地 PFM 的想象解决方法比 ~ 10-30 毫微米是较少如被确定从域墙壁的宽度的一半在混杂的 PFM 信号的,为这个描述特性主要使用的 PR = A COS (φ) (φ是以太接近 0º 或对 180º)。 这个解决方法由技巧范例联系范围 (名义上取决于技巧尖顶的半径),虽则变宽的另外的结构限制例如静电交往,并且一个液体脖子的形成在技巧表面连接点的是可能的。

在 Piezoresponse 强制显微学的对比结构

铁电畴模式的对比结构和检测与 PFM 的在这个情况基础上铁电的材料必要压电。 基本上,悬臂执行三位移: (i) 由于的垂直的偏折出于平面强制由于 d33eff 系数, (ii) 扭力 (造成由剪 piezocoefficient d)15eff 和 (iii) 折从与表面的交往,当飞机强制沿这个悬臂式轴操作。 变形的第一种类型指外飞机 (或垂直的 PFM 或者 VPFM) 评定。

如果极化和被应用的电场是并行 (图 2a),变形是正的 (扩展) 和 piezoresponse 信号相反是在与 V. 的AC阶段,如果这个应用的电场是逆流的对自发极化,这将造成压电收缩与结果降低悬臂 (图 2b)。 这个电场和 piezoresponse 信号在阶段被转移由 180°。 同样,极化的方向这种飞机被对立的铁电的谷物的可以通过一个相关 (剪) 压电系数 d (15eff 图 2c, d) 推导。 在这种情况下,这个应用的电场导致谷物的剪变形,通过摩擦力调用到悬臂的扭转力移动。 这些评定进一步将表示作为飞机 (或侧向 PFM 或者 LPFM) 评定。

由于悬臂式非对称,朝悬臂式轴的方向极化能通过实际转动范例 90° 沿这个 Z轴和重复飞机评定只记录。 通过获取 piezoresponse 信号的全部三个要素,执行极化取向的至少半定量重建是可能的。 然而,只有当压电张量的所有要素知道,极化的准确的取向可以被计算。 第一个尝试与铁电的极化的取向涉及 piezoresponse 信号的高度由 Harnagea 执行,并且 Pignolet 和详述的形式主义由 Kalinin 等以后开发了。 对悬臂的移动的一个仔细分析必须完成关于其取向相对这个范例的晶体轴,允许被观察的域对比的清楚的归属对驱动力的。 一旦作为与微粒混和的铁电的聚合物的合成材料或铁电的杂种 (有机无机) 材料此问题通过认识每个要素机电工作情况处理。

图 2. 在 PFM 调查的一四边形铁电的压电效应。 (a) 电场对自发极化对齐并行导致增强悬臂由于 d33 作用 (外飞机信号)。 (b) 这个电场和自发极化的逆流的对准线导致垂直的收缩和水平的扩展铁电。 (c), (d) 电场适用正交于在剪移动的极化结果由于 d15 系数。 此移动导致强制激光地点的悬臂的扭转力变形水平地移动 (飞机信号)。

在 PFM 购买的人工制品

不幸地外飞机和飞机购买通道的毫不含糊的分隔总是不是可能的。 这不考虑地导致在结果的通道和 misinterpreatation 的之间干扰干扰是否是机械或电子原因。 在处理期间,虽然多数商业可用的 AFMs 供应以能够的程序补偿图象, PFM 干扰更正不是包括的。 NT-MDT (在与波恩合作下大学) 发展了干扰报酬由简单信号处理飞机和外飞机信号完成在情形之一他们存在的一条简单的电子线路。 如下所示的结果说明仅飞机信号存在的情形。 外飞机 PFM 信号由补偿的电路充分地补偿。

图 3. Topogaphy (a),外飞机 PFM (b) 和飞机 PFM (c) 发信号,不用 (正确的图象) 和与 (左图象) 在 FF 应该观察仅飞机信号的肽 nanotubes 的干扰补偿器 (I. Bdikin 和 A. Kholkin,阿威罗,葡萄牙的大学镜象)。

极化仿造和自集合通过 PFM

目前,这个研究开展发现可能聚集到唯一地发挥作用的设备材料的新类型。 这样的基石学习是允许自由设计的一个苍劲的综合工作成绩,因此新的结构上的类型可以被创建。 一个未回答的问题是如何构想通用方法装配和互联有机和生物结构到发挥作用的分子缩放比例设备。 要获得这些重要互联,集合的一个新类型必须是被开发的准许附有在表面的另外分子种类在预先确定的地点。 最近被建议的新方法在表面的基本 (铁电的) 极化处理的 nanostructures 基础上装配。 这经常指铁电的石版印刷。 铁电的极化可以的确用于装配多种有机和无机种类和用受控属性创建 nanostructures。 为例,我们显示这里该 P (VDF-TrFE), Langmuir-Blodgett 技术存款的超薄的影片可以使用作为模板为多种磷脂装配,是细胞膜重要要素。 想象和仿造可能由 PFM 完成,因此 nanoscale 模式可以被创建。 这些由形成同类显示,并且稳定舍入了与直径的一滴在这个范围 0.5-3µm。

这样,铁电的聚合物影片由多种电压的应用对立通过一个执行的 PFM 技巧,并且然后得到了显示受控制极化配电器的 PFM 图象。 在此以后,磷脂 (1,2 二O HEXADECYL 锡glycero 3 phosphocholine) 分子从这个解决方法存款。 常规基本强制显微学实验然后执行估计证言进程的选择性。 注意到证言进程对这个解决方法的浓度是非常敏感的。 有选择性的证言被观察了主要在这种选择性到达最大值大约 20-40% 的极化限定范围 (图 4a)。 pospholipid 线路可能由 PFM 技巧直接地也存款, nanoscale 笔 (图 4b),并且极化在磷脂层可以也被撤消

在 P (VDF-TrFE) 影片表面的图 4. (a) 极化主导的集合 pospholipids 通过 PFM, (b) Pospholipid 排行写,并且形象化由 PFM 和 (c) 铁电畴 writeen 在磷脂 P (VDF-TrFE) bilayer 影片表面。 礼貌 Alejandro Heredia,伊戈尔 Bdikin 和 Andrei Kholkin (阿威罗,葡萄牙的大学)。

Piezoresponse 和 Pseudoferroelectricity 在 ZnO

氧化锌 (ZnO) 是有著名的 n 型的半导体的材料与巨大潜在为微型和光电子学的卓越的电子和光学性能。 高度抗拒 c 轴导向 ZnO 影片也是多种压电应用的利益 (即作为传感器、致动器、高频率音响变换装置等等) 由于他们值得注意和稳定的压电属性。 最近,由于增长方便在 nanorod 和 nanobelt 几何的 ZnO 成为选择材料压电收获的设备的。 然而, ZnO 压电属性不是好了解和分析,特别是一旦混合谷物和弱的 (若有) unipolarity 的取向的多晶的影片。 ZnO 影片压电属性的详细调查的例子在图 5. 举。 每种谷物描绘的是为这个对比与相关压电系数,谷物取向和夹紧其他谷物的作用有关。 使用 PFM 通过评定回应获得表面的压电映射是可能的在垂直和 2 个正交侧向方向 (图 5a.c。),并且,根据这个压电对比,对 deconvolute 取向和极性每种单个谷物 (图 5c)。 第一次,象铁电的迟滞现象在名义上因而证明其 pseudoferroelectric 属性的纯 ZnO (图 5e) 被发现了如最近预测由 Tagantsev。

图 5. 地势 (a) 和在脉冲激光器证言 (BC) 得到的多晶的 ZnO 影片的 nanoscale 压电映射。 极性映射 (c) 表示各自的谷物的极化 (与符号) 和取向,当 (g) 展示在名义上无掺杂的影片时的象铁电的迟滞现象。 礼貌伊戈尔 Bdikin 和 Andrei Kholkin (阿威罗,葡萄牙的大学)。

生物系统 Electromechanics

源于这种非中心对称的晶体结构的压电是多数生物聚合物一个固有特性,包括蛋白质和多聚糖。 压电工作情况在各种各样的生物系统被观察了,包括钙化,并且结缔组织和工厂、了解生理地被生成的电场和机械性能之间的牙质,骨头等关系在分子,蜂窝电话和组织级别上成为学习在生物系统的压电的主要刺激。 这个利息也归结于这个情况 pizoelectrically 有效的生物材料可以使用作为 nanoscale 传感器、致动器和变换装置完全兼容与这个生物环境。 另外,这个压电效应的严格的取向依赖性为复杂阶式结构的调查是非常重要的在生物材料的。 最近注意到短的芳香肽在与一非常高 piezoeleffect 的 nanscale 筒形几何自汇编了 (可比较与那在 LiNbO3,其中一主要使用的无机变换装置材料)。 图 6 存在 nanotube (a),极化和评定排列的概要的地势图象由 PFM (b) 和 PFM 对比的相反 d 的针对的 nanotubes 的33eff (剪) 压电系数对这个机电联结只负责。 PFM 的好处是评定在复杂几何的局部压电效应的高分辨率和可能性。 在 bioinspired PNTs 的严格和稳健压电活动 (从未看见从前) 做他们也许广泛地用于生物医学和医疗应用 “绿色” nanopiezoelectrics 的下一代的有为的候选人。 预见这些生物适合和严格的 nanotubes (以及列阵因此) 可能起关键字元作用对于将来的生理传感器允许与人力组织的直接联系。


 

图 6. 地势 (a),评定排列 (b) 和在 FF 肽 nanotubes (礼貌伊戈尔 Bdikin 和 Andrei Kholkin,阿威罗,葡萄牙的大学的压电对比 (c))。

Multiferroic 材料的 Nanoscale 研究

Multiferroics - 材料由于引人入胜的物理和有为的应用的同时有磁性和铁电预定 - 现在吸引一个严重的利息。 其中一个铁电性的提出的传动机构是充电出现时间预定 (CO)在混杂的水锰矿结合以政券二聚作用为了中断反向对称。 考虑在这些固体的极化可能存在于 nanoscale 数量, Piezoresponse 强制显微学可以为学习偏心诱发的铁电的属性使用在和在 CO 相变上下。 通过 PFM 被学习的这样偏心诱发的铁电性可能也是重要对创建人为 multiferroic 材料和存储单元。 这些实验帮助对 undertand 充电/轨道和磁性预定的角色在电子极化并且估计 multiferroicity 的新的来源的本质。 这些 exeriments 在著名的 (La, Sr) MnO 混合的水锰矿3 最近执行,并且一个铁电的状态的确被找到在室温,即,高于预期为 CO 相变。 图 7 举例证明中心对称的水锰矿的 “海运”偏压域诱发的铁电的海岛。 这确认高足够的电场可能中断对称和导致极性状态由于局部 “电”掺杂材料。

图 7. 在 LaSrMnO 水锰矿 (a) 和 piezoresponse 显示极化反演性的0.890.113 滞后回线的 PFM 导致的 Nanoscale 铁电的海岛蒂姆。 礼貌伊戈尔 Bdikin 和 Andrei Kholkin (阿威罗,葡萄牙的大学)。

结论

PFM 的最初的应用是主要对图象铁电畴重大在一些重要,但是相当少见铁电的材料时, PFM 可以当前适用于材料一个大种类包括生物材料和离子导体。 耦合的机电属性是内在的在数百无机材料 (甚而中心对称在一个宏观缩放比例) 和类似在生物材料。 PFM 的演变提供一个新建窗口到各种各样的材料工作情况。 同样重要,在 PFM 的发展是一个更大的趋势的一部分往在电磁式属性的量化的极其高空间分辨率。 功能属性几选件类现在被探查在子 nm 解决方法。 在许多情况下属性由象抵抗力、传导性、表面潜在、电荷密度等等 PFM 的唯一标量编号表示是唯一的因为它运载此方法到复杂张量属性域。 PFM 重大的预付款 (可能,但是未知)在他们基础上的新的材料和设备域预计。

来源: NT-MDT Co。 
作者: Andrei Kholkin (阿威罗,葡萄牙的大学博士)

关于此来源的更多信息请参观 NT-MDT Co。

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

Last Update: 14. June 2013 03:54

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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