Piezoresponse 強制顯微學 (PFM) - 簡介、原則和有助方面 Piezoresponse 由 NT-MDT 的強制顯微學

包括的事宜

簡介
原則和 Piezoresponse 強制顯微學的有助方面 (PFM)
     PFM 的基本原則
     PFM 的歷史記錄
     PFM 的基本原理
在 Piezoresponse 強制顯微學的對比結構
在 PFM 購買的人工製品
極化仿造和自集合通過 PFM
Piezoresponse 和 Pseudoferroelectricity 在 ZnO
生物系統 Electromechanics
Multiferroic 材料的 Nanoscale 研究
結論

簡介

Ferroelectrics 是 piezoelectrics,即,體驗機械變形在應用的電壓下或充電在機械強制下的材料子類。 Ferroelectrics 展覽各種各樣的功能屬性,包括高和可轉換的電極化、嚴格的壓電、高非線性光學活性、未清焦熱電和值得注意的非線性電介質工作情況。 這些屬性為在許多電子設備的應用,最近,是不可缺少的例如傳感器,致動器、紅外線探測器、微波濾波器,并且固定存儲器,命名一些。 由於屬性研究員和工程師的此唯一組合著重鐵電疇 (與唯一極化方向的區的) 形象化在不同的縮放比例。

在綜合和製造微型和 nanoscale ferroelectrics 的最近預付款給需要被學習和瞭解在此縮放比例的生活新的物理現象和設備帶來。 結構維數變得更小, ferroelectrics 展覽表明的一個顯著的尺寸效應在低尺寸結構屬性的重大的偏差從他們的批量類似物的。 這樣, ferroelectrics 類似於磁性材料,因為表面能在小的數量不可能被忽略,并且遠程偶極交往在減少的幾何顯著被修改。 它也取決於鐵電是否在一,二被限制,或者所有三維結構。

在小型化挑戰之後,新穎的技術對於鐵電和壓電屬性的評估與高,根本地 nanoscale 解決方法的是必需的。 許多重要問題現今有解決例如幾何分娩的作用對鐵電和壓電屬性,局部 piezoresponse 和宏觀屬性,以及極化切換、域穩定性和降低之間微觀結構的關係,包括極化現象在這個界面。

在新穎的 nanoscale 應用之外,鐵電的影片的功能,多晶的陶瓷和甚而單晶由作為生核和移動域牆壁固定中心和因而確定 piezoresponse 的缺陷經常控制。 另外, relaxor ferroelectrics (材料唯一機電屬性以巨型張力和介電常數) 在毫微米等級起源於極化互相作用與化學製品的并且充電紊亂。 終於,有極化被耦合對在這個局部縮放比例的磁化 multiferroics 的新穎的選件類。

要解決加固鐵電的材料和設備的功能的根本結構,域結構和他們的演變在偏心下必須被學習在微小和毫微米縮放比例。 掃描探測特別是顯微學,并且, Piezoresponse 強制顯微學的迅速發展 (PFM)在此區導致美妙的推進在這個方法的簡短的描述以後下面將被顯示。

原則和 Piezoresponse 的有助方面強制顯微學 (PFM)

PFM 的基本原則

探通壓力和鐵電的屬性的 PFM 途徑在 nanoscale在極化和機械 dispacement 之間的嚴格的聯結基礎上。 表面上,耦合可以通過應用一個高度局限化的電場於材料和探查與微微米精確度 (圖 1) 的產生的詳細的表面位移解決。

Piezoresponse 強制顯微學排列圖 1. ac 和直流電壓適用於這個金屬化的技巧和機械位移的概要通過常規 AFM 方法被評定。

公用 AFM 為局部 piezoeffect 研究提供一個理想的平臺由於高垂直分辨率和電場的高本地化在這個金屬化的技巧和表面之間的連接點。 因此, PFM 是聯絡模式一個電子被偏心的導電性 AFM 技巧通過這個相反的壓電效應使用的 AFM,因為局部機電聯結探測。 卓越地,在 PFM 的基本的圖像形成結構是補充基於強制的 AFM 方法 (強制是應用的,并且技巧偏折被評定) 和掃描挖洞顯微學 (STM) (偏壓是應用的,并且當前被評定)。

PFM 的歷史記錄

在 STM 和 AFM 的發明之後,在 1991年評定偏心誘發的變形的第一個示例由於與掃描探測的壓電是使用掃描音響顯微學和 STM 的地方, piezoresponse 被學習了。 稍後,在壓電評定的第一份文件和由 AFM 的鐵電疇形象化出現。 在此之後一系列的先驅結果由 Takata 等 (使用張力想像通過挖洞音響顯微學), Franke 等, Kolosov 等和 Gruverman 等得到了。 工作在與共同執筆者的 Gruverman 旁邊是特別重要的,因為它展示了想像和切換在公用 ferroelectrics 和形成現在變得標準的術語 『Piezoresponse』和 『PFM』。 在過去 15 年, PFM 成為為學習鐵電的材料靜態和動態屬性的首要的工具,如見證由一定數量的最近書和覆核。

PFM 的基本原理

PFM,電壓適用於導電性技巧

Vtip = V+DC VAC COS (ωt)

在這裡 VDC dc 偏心 (切換偏心), VAC 是 ac 偏心 (探通的偏心),并且ω是 AC 偏心頻率 (驅動頻率)。 當這個範例擴展和合同由於這個相反的壓電效應,技巧偏折被監控使用封鎖行動放大器,以便技巧動擺

A = A0 + ACOS (ωt + φ)

那裡 A0 靜態表面位移和φ是在驅動的電壓 V 和電壓AC 導致的變形之間的移相 A = d33eff VAC + (∂C/∂z) (VDC - VV5)AC。 第一個術語是有效 piezocoefficient d 描述的真的 piezoresponse 由於局部壓電變形33eff ,并且第二個術語是局部造成的局部靜電變形,并且非本地的麥克斯韋 stress.20 與表面潛在和 C 的立場是懸臂式範例系統的總 capaciatance。

PFM 階段圖像產生局部極化取向, PFM 高度在這個局部機電聯結的大小情報。 典型地 PFM 的想像解決方法比 ~ 10-30 毫微米是較少如被確定從域牆壁的寬度的一半在混雜的 PFM 信號的,為這個描述特性主要使用的 PR = A COS (φ) (φ是以太接近 0º 或對 180º)。 這個解決方法由技巧範例聯繫範圍 (名義上取決於技巧尖頂的半徑),雖則變寬的另外的結構限制例如靜電交往,并且一個液體脖子的形成在技巧表面連接點的是可能的。

在 Piezoresponse 強制顯微學的對比結構

鐵電疇模式的對比結構和檢測與 PFM 的在這個情況基礎上鐵電的材料必要壓電。 基本上,懸臂執行三种位移: (i) 由於的垂直的偏折出於平面強制由於 d33eff 系數, (ii) 扭力 (造成由剪 piezocoefficient d)15eff 和 (iii) 折從與表面的交往,當飛機強制沿這個懸臂式軸操作。 變形的第一種類型指外飛機 (或垂直的 PFM 或者 VPFM) 評定。

如果極化和被應用的電場是並行 (圖 2a),變形是正的 (擴展) 和 piezoresponse 信號相反是在與 V. 的AC階段,如果這個應用的電場是逆流的對自發極化,這將造成壓電收縮與結果降低懸臂 (圖 2b)。 這個電場和 piezoresponse 信號在階段被轉移由 180°。 同樣,極化的方向這種飛機被對立的鐵電的穀物的可以通過一個相關 (剪) 壓電系數 d (15eff 圖 2c, d) 推導。 在這種情況下,這個應用的電場導致穀物的剪變形,通過摩擦力調用到懸臂的扭轉力移動。 這些評定進一步將表示作為飛機 (或側向 PFM 或者 LPFM) 評定。

由於懸臂式非對稱,朝懸臂式軸的方向極化能通過實際轉動範例 90° 沿這個 Z軸和重複飛機評定只記錄。 通過獲取 piezoresponse 信號的全部三個要素,執行極化取向的至少半定量重建是可能的。 然而,只有当壓電張量的所有要素知道,極化的準確的取向可以被計算。 第一個嘗試與鐵電的極化的取向涉及 piezoresponse 信號的高度由 Harnagea 執行,并且 Pignolet 和詳述的形式主義由 Kalinin 等以後開發了。 對懸臂的移動的一個仔細分析必須完成關於其取向相對這個範例的晶體軸,允許被觀察的域對比的清楚的歸屬對驅動力的。 一旦作為與微粒混和的鐵電的聚合物的合成材料或鐵電的雜種 (有機無機) 材料此問題通過認識每個要素機電工作情況處理。

圖 2. 在 PFM 調查的一四邊形鐵電的壓電效應。 (a) 電場對自發極化對齊並行導致增強懸臂由於 d33 作用 (外飛機信號)。 (b) 這個電場和自發極化的逆流的對準線導致垂直的收縮和水平的擴展鐵電。 (c), (d) 電場適用正交於在剪移動的極化結果由於 d15 系數。 此移動導致強制激光地點的懸臂的扭轉力變形水平地移動 (飛機信號)。

在 PFM 購買的人工製品

不幸地外飛機和飛機購買通道的毫不含糊的分隔總是不是可能的。 這不考慮地導致在結果的通道和 misinterpreatation 的之間干擾干擾是否是機械或電子原因。 在處理期間,雖然多數商業可用的 AFMs 供應以能够的程序補償圖像, PFM 干擾更正不是包括的。 NT-MDT (在與波恩合作下大學) 發展了干擾報酬由簡單信號處理飛機和外飛機信號完成在情形之一他們存在的一條簡單的電子線路。 如下所示的結果說明仅飛機信號存在的情形。 外飛機 PFM 信號由補償的電路充分地補償。

圖 3. Topogaphy (a),外飛機 PFM (b) 和飛機 PFM (c) 發信號,不用 (正確的圖像) 和與 (左圖像) 在 FF 應該觀察仅飛機信號的肽 nanotubes 的干擾補償器 (I. Bdikin 和 A. Kholkin,阿威羅,葡萄牙的大學鏡像)。

極化仿造和自集合通過 PFM

目前,這個研究開展發現可能聚集到唯一地發揮作用的設備材料的新類型。 這樣的基石學習是允許自由設計的一個蒼勁的綜合工作成績,因此新的結構上的類型可以被創建。 一個未回答的問題是如何構想通用方法裝配和互聯有機和生物結構到發揮作用的分子縮放比例設備。 要獲得這些重要互聯,集合的一個新類型必須是被開發的准許附有在表面的另外分子種類在預先確定的地點。 最近被建議的新方法在表面的基本 (鐵電的) 極化處理的 nanostructures 基礎上裝配。 這經常指鐵電的石版印刷。 鐵電的極化可以的確用於裝配多種有機和無機種類和用受控屬性創建 nanostructures。 为例,我們顯示這裡該 P (VDF-TrFE), Langmuir-Blodgett 技術存款的超薄的影片可以使用作為模板為多種磷脂裝配,是細胞膜重要要素。 想像和仿造可能由 PFM 完成,因此 nanoscale 模式可以被創建。 這些由形成同類顯示,并且穩定舍入了與直徑的一滴在這個範圍 0.5-3µm。

這樣,鐵電的聚合物影片由多種電壓的應用對立通過一個執行的 PFM 技巧,并且然後得到了顯示受控制極化配電器的 PFM 圖像。 在此以後,磷脂 (1,2 二O HEXADECYL 錫glycero 3 phosphocholine) 分子從這個解決方法存款。 常規基本強制顯微學實驗然後執行估計證言進程的選擇性。 注意到證言進程對這個解決方法的濃度是非常敏感的。 有選擇性的證言被觀察了主要在這種選擇性到達最大值大約 20-40% 的極化限定範圍 (圖 4a)。 pospholipid 線路可能由 PFM 技巧直接地也存款, nanoscale 筆 (圖 4b),并且極化在磷脂層可以也被撤消

在 P (VDF-TrFE) 影片表面的圖 4. (a) 極化主導的集合 pospholipids 通過 PFM, (b) Pospholipid 排行寫,并且形象化由 PFM 和 (c) 鐵電疇 writeen 在磷脂 P (VDF-TrFE) bilayer 影片表面。 禮貌 Alejandro Heredia,伊戈爾 Bdikin 和 Andrei Kholkin (阿威羅,葡萄牙的大學)。

Piezoresponse 和 Pseudoferroelectricity 在 ZnO

氧化鋅 (ZnO) 是有著名的 n 型的半導體的材料與巨大潛在為微型和光電子學的卓越的電子和光學性能。 高度抗拒 c 軸導向 ZnO 影片也是多種壓電應用的利益 (即作為傳感器、致動器、高頻率音響變換裝置等等) 由於他們值得注意和穩定的壓電屬性。 最近,由於增長方便在 nanorod 和 nanobelt 幾何的 ZnO 成為選擇材料壓電收穫的設備的。 然而, ZnO 壓電屬性不是好瞭解和分析,特別是一旦混合穀物和弱的 (若有) unipolarity 的取向的多晶的影片。 ZnO 影片壓電屬性的詳細調查的例子在圖 5. 舉。 每種穀物描繪的是為這個對比與相關壓電系數,穀物取向和夾緊其他穀物的作用有關。 使用 PFM 通過評定回應獲得表面的壓電映射是可能的在垂直和 2 個正交側向方向 (圖 5a.c。),并且,根據這個壓電對比,對 deconvolute 取向和極性每種單個穀物 (圖 5c)。 第一次,像鐵電的遲滯現象在名義上因而證明其 pseudoferroelectric 屬性的純 ZnO (圖 5e) 被發現了如最近預測由 Tagantsev。

圖 5. 地勢 (a) 和在脈衝激光器證言 (BC) 得到的多晶的 ZnO 影片的 nanoscale 壓電映射。 極性映射 (c) 表示各自的穀物的極化 (與符號) 和取向,當 (g) 展示在名義上無摻雜的影片時的像鐵電的遲滯現象。 禮貌伊戈爾 Bdikin 和 Andrei Kholkin (阿威羅,葡萄牙的大學)。

生物系統 Electromechanics

源於這種非中心對稱的晶體結構的壓電是多數生物聚合物一個固有特性,包括蛋白質和多聚糖。 壓電工作情況在各種各樣的生物系統被觀察了,包括鈣化,并且結締組織和工廠、瞭解生理地被生成的電場和機械性能之間的牙質,骨頭等關係在分子,蜂窩電話和組織級別上成為學習在生物系統的壓電的主要刺激。 這個利息也歸結於這個情況 pizoelectrically 有效的生物材料可以使用作為 nanoscale 傳感器、致動器和變換裝置完全兼容與這個生物環境。 另外,這個壓電效應的嚴格的取向依賴性為複雜階式結構的調查是非常重要的在生物材料的。 最近注意到短的芳香肽在與一非常高 piezoeleffect 的 nanscale 筒形幾何自彙編了 (可比較與那在 LiNbO3,其中一主要使用的無機變換裝置材料)。 圖 6 存在 nanotube (a),極化和評定排列的概要的地勢圖像由 PFM (b) 和 PFM 對比的相反 d 的針對的 nanotubes 的33eff (剪) 壓電系數對這個機電聯結只負責。 PFM 的好處是評定在複雜幾何的局部壓電效應的高分辨率和可能性。 在 bioinspired PNTs 的嚴格和穩健壓電活動 (從未看見從前) 做他們也許廣泛地用於生物醫學和醫療應用 「綠色」 nanopiezoelectrics 的下一代的有為的候選人。 預見這些生物適合和嚴格的 nanotubes (以及列陣因此) 可能起關鍵字元作用對於將來的生理傳感器允許與人力組織的直接聯繫。


 

圖 6. 地勢 (a),評定排列 (b) 和在 FF 肽 nanotubes (禮貌伊戈爾 Bdikin 和 Andrei Kholkin,阿威羅,葡萄牙的大學的壓電對比 (c))。

Multiferroic 材料的 Nanoscale 研究

Multiferroics - 材料由於引人入勝的物理和有為的應用的同時有磁性和鐵電預定 - 現在吸引一個嚴重的利息。 其中一個鐵電性的提出的傳動機構是充電出現時間預定 (CO)在混雜的水錳礦結合以政券二聚作用為了中斷反向對稱。 考慮在這些固體的極化可能存在於 nanoscale 數量, Piezoresponse 強制顯微學可以為學習偏心誘發的鐵電的屬性使用在和在 CO 相變上下。 通過 PFM 被學習的這樣偏心誘發的鐵電性可能也是重要對創建人為 multiferroic 材料和存儲單元。 這些實驗幫助對 undertand 充電/軌道和磁性預定的角色在電子極化并且估計 multiferroicity 的新的來源的本質。 這些 exeriments 在著名的 (La, Sr) MnO 混合的水錳礦3 最近執行,并且一個鐵電的狀態的確被找到在室溫,即,高於預期為 CO 相變。 圖 7 舉例證明中心對稱的水錳礦的 「海運」偏壓域誘發的鐵電的海島。 這確認高足够的電場可能中斷對稱和導致極性狀態由於局部 「電」摻雜材料。

圖 7. 在 LaSrMnO 水錳礦 (a) 和 piezoresponse 顯示極化反演性的0.890.113 滯後回線的 PFM 導致的 Nanoscale 鐵電的海島蒂姆。 禮貌伊戈爾 Bdikin 和 Andrei Kholkin (阿威羅,葡萄牙的大學)。

結論

PFM 的最初的應用是主要對圖像鐵電疇重大在一些重要,但是相當少見鐵電的材料時, PFM 可以當前適用於材料一個大種類包括生物材料和離子導體。 耦合的機電屬性是內在的在數百無機材料 (甚而中心對稱在一個宏觀縮放比例) 和類似在生物材料。 PFM 的演變提供一個新建窗口到各種各樣的材料工作情況。 同樣重要,在 PFM 的發展是一個更大的趨勢的一部分往在電磁式屬性的量化的極其高空間分辨率。 功能屬性幾選件類現在被探查在子 nm 解決方法。 在許多情況下屬性由像抵抗力、傳導性、表面潛在、電荷密度等等 PFM 的唯一標量編號表示是唯一的因為它運載此方法到複雜張量屬性域。 PFM 重大的預付款 (可能,但是未知)在他們基礎上的新的材料和設備域預計。

來源: NT-MDT Co。 
作者: Andrei Kholkin (阿威羅,葡萄牙的大學博士)

關於此來源的更多信息请請參觀 NT-MDT Co。

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

Last Update: 14. June 2013 03:58

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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