AFM模式

开关光谱压电响应力显微镜(SS-PFM)

铁电滞回线定量测量,灵敏度高,精度高

基于SS-PFM模式的新一代铁电材料研究雷竞技网页版

开关光谱学压电响应力显微镜(SS-PFM)模式可以对铁电材料的性质进行高度精确的纳米级表征,雷竞技网页版扩展标准压响应力显微镜(PFM),大大提高了测量的灵敏度和准确性。这种模式:

  • 阐明了静电伪影可以影响传统PFM模式测量的信号,同时实现相对较高的灵敏度。
  • 提供铁电关键参数的高光谱图,揭示样品的XY异质性信息及其与其他性质的相关性,以其他无法达到的详细程度。
  • 可以量化铁电滞回线的关键参数,并在仪器、实验室和探针之间比较材料性能。

单独使用或与其他AFM操作模式结合使用,SS-PFM为材料微观结构/极化开关关系提供了新的见解。

具有正电致伸缩常数的样品如PZT的PFM响应。如果畴的极化平行于增加的电场,样品就会膨胀。
具有正电致伸缩常数的典型顺时针铁电滞回线。关键参数包括强制偏置(V0)、成核偏置(Vc)、饱和响应(Rs)和残余响应(R0)。每一种都有正负两种版本(即V0+)。

实现更高的灵敏度,最终低信号性能

PFM中的信号水平一般较小,典型的振幅<10 pm/V。这是AFM所能检测到的极限。要解决这个问题,通常有两种方法:

  1. 增加交流刺激电压,这将增加PFM信号,或
  2. 利用悬臂梁的接触共振机械放大小PFM信号。

对于许多样品来说,任意提高交流刺激电压并不是一种可行的方法。如果超过矫顽力偏置,样本域将翻转(极);测量的振幅不准确。对于强制偏压通常较低的薄膜来说尤其如此。

在扫频过程中测量悬臂振幅(上)和相位(下)。接近接触共振时,振幅明显大于非共振时,相位噪声较低。

为了在没有畴翻转的情况下表征低响应铁电体,SS-PFM:

  • 通过在悬臂梁接触谐振频率附近施加交流电压并测量响应,提高了信噪比。
  • 提供谐振振幅(A)和质量因子(Q)的精确测量,以实现响应(A/Q)的量化。请注意,准确量化CR振幅需要计算谐振形状因子(Balke,纳米技术, 27, 42, 2016).
  • 通过使用频率扫描和锁定放大器来测量响应,实现更精确的A, Q和相位测量,允许更长的积分时间以实现最终的低信号性能。

执行精确的磁滞回线测量

消除工件

标准PFM允许以纳米级分辨率测量铁电行为,但测量信号可能受到悬臂上的静电力以及铁电响应的影响。这可能会导致滞后回线定量误差,甚至可能将有色金属材料误认为铁电材料。雷竞技网页版在使用亚共振PFM时,将光束反射激光定位于杠杆的静电盲点(ESBS),可以显著降低静电伪影。Killgore,纳米尺度的进步, 4,8,2022).

SS-PFM模式提供:

上图:悬臂梁和样品之间的静电力通过影响PFM响应而产生伪影。底部:使用开关波形,称为SS-PFM探测波形,其中包含多个不同的读取电压,可以补偿静电伪影。

绘制铁电参数

通过收集和分析SS-PFM光谱阵列,可以生成关键压电参数的图,以纳米级分辨率展示在XY平面上铁电性质的变化。

SS-PFM交付:

  • 从磁滞回线高度敏感和可重复的关键铁电参数点测量。
  • 通过更简单的成像模式获取的定量信息——通过脚本数据的高光谱分析。
  • 铁电材料属性图,可以与其他图(压电图、化学图等)绘制的属性相关联。
顺时针,从上开始:PZT中的磁滞回线显示关键参数;通过收集10x10矩阵中各点的光谱创建Vc+图;V0+的地图显示之前的极化区域。

避免接触模式可重复的结果

标准PFM在接触模式下工作,这不适用于在扫描过程中AFM尖端在样品表面拖曳容易损坏或位移的样品。较软的探针可以部分缓解这个问题,但在PFM测量中更容易产生静电伪影。

力量的独特的DCUBE-PFM模式, SS-PFM避免了尖端在表面上的拖拽。这消除了困扰传统接触方式的有害横向力。当与PeakForce攻和MIROView进行预扫描和导航,可完全避免接触模式。

SS-PFM模式支持:

  • 低冲击扫描精细样品,如聚合物、纤维和纳米颗粒。
  • 当使用硬样品时,增强了尖端寿命。
  • 更一致的PFM图像,而不影响信号测量精度。
顺时针从左起:MIROView画布与SS-PFM RampScript阵列的PFM图像;聚合物薄片的DCUBE-PFM图像;在接触模式下使用后尖端磨损。

实验设计和分析的易用性和灵活性

创新与先进的软件和分析

布鲁克最先进的,易于访问的软件和分析工具提供了研究人员所需要的灵活性。

  • 我们易于使用的脚本生成器可以从七个关键参数创建开关波形脚本。高级用户还可以用XML创建独特的脚本。
  • 开源基于python的分析代码使研究人员能够准确地了解分析是如何工作的,并开发创新的方法来分析SS-PFM数据。
  • 对于开发自己的电子产品的研究人员来说,信号访问模块(SAM 6)允许硬件访问原始信号,也可以为具有较大强制偏差的样本提供高电压。
从左上顺时针:易于使用的脚本生成器;基于python的分析代码;信号接入模块6;脚本编辑器。

与新型NanoScope 6控制器无缝集成

pfm型实验对背景和串扰影响特别敏感。与新型NanoScope 6控制器的集成减少了这些影响,通过优化的锁定放大器和信号路由提供最高性能的背景和串扰。

这有利于许多AFM操作模式,但它为pfm类型模式(如SS-PFM)提供了独特的优势,包括:

  • 由于改善了信噪比,分析更简单。
  • 清洁、准确的测量;即使是高频的低电平信号。
NanoScope 6控制器显示