AFM模式

开关光谱压响应力显微镜(SS-PFM)

定量铁电磁滞回线测量具有最高的灵敏度和精度

基于SS-PFM模式的下一代铁电材料研究雷竞技网页版

开关光谱压电响应力显微镜(SS-PFM)模式能够对铁电材料的特性进行高精度的纳米级表征。雷竞技网页版通过大大提高测量的灵敏度和准确性,扩展了标准的压电响应力显微镜(PFM)。这种模式:

  • 阐明了在获得相对较高灵敏度的同时,传统PFM模式测量的信号会受到静电伪影的影响。
  • 提供铁电关键参数的高光谱图,揭示样品的XY非均质性及其与其他性质的相关性,以其他方式无法获得的细节水平。
  • 能够量化铁电磁滞回线的关键参数,并在仪器,实验室和探头之间比较材料性能。

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大的电场,则样品膨胀。
具有正电伸缩常数的样品的典型顺时针铁电磁滞回线。关键参数包括矫顽力偏置(V0)、成核偏置(Vc)、饱和响应(Rs)和残余响应(R0)。每个都有一个正的和负的版本(即V0+)。

实现更高灵敏度的终极低信号性能

PFM中的信号电平通常很小,典型的振幅<10 pm/V。这是原子力显微镜所能检测到的极限。为了解决这个问题,通常采取以下两种方法之一:

  1. 增加交流刺激电压,这会增加PFM信号,或者
  2. 利用悬臂的接触共振机械放大小PFM信号。

对于许多样品,任意提高交流刺激电压并不是一种实用的方法。如果超过矫顽力偏压,样品畴将翻转(极);测量的振幅将不准确。这对于薄膜来说尤其如此,因为薄膜的矫顽力偏压通常较低。

悬臂幅值(上)和相位(下)测量频率扫描。与非共振相比,近接触共振的幅值更大,相位噪声更低。

为了表征无畴翻转的低响应铁电体,SS-PFM:

  • 通过在悬臂梁的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。
  • 提供共振振幅(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,精确量化CR振幅需要计算谐振形状因子(Balke,纳米技术、27、42、2016).
  • 通过使用扫频和锁相放大器来测量响应,实现更精确的A、Q和相位测量,从而实现更长的集成时间,从而实现最终的低信号性能。

执行精确的滞回线测量

消除工件

标准PFM允许以纳米级分辨率测量铁电行为,但测量的信号可能受到悬臂上的静电力以及铁电响应的影响。这可能会导致迟滞回线定量错误,甚至可能将有色材料误认为铁电材料。雷竞技网页版在使用亚共振PFM (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。下图:使用一个开关波形,称为SS-PFM探测波形,它包含多个不同的读取电压,可以补偿静电伪像。

铁电参数

通过收集和分析一系列SS-PFM光谱,可以生成关键压电参数的图,以纳米级分辨率展示XY平面上铁电性能的变化。

SS-PFM交付:

  • 利用磁滞回线对关键铁电参数进行高灵敏度和可重复性的点测量。
  • 定量信息——通过对脚本数据的高光谱分析,通过更简单的成像模式无法获得。
  • 铁电材料性质图,可以与其他性质图(压电图、化学图等)相关联。
顺时针方向,自上:PZT中的磁滞回线显示关键参数;通过收集10x10矩阵中各点的光谱而生成的Vc+图;V0+的地图显示了先前的极化区域。

避免接触模式以获得可重复的结果

标准PFM在接触模式下工作,不适合在扫描过程中由于AFM尖端在样品表面上拖动而容易损坏或位移的样品。较软的探头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避免在表面上拖动尖端。这消除了有害的横向力,困扰传统的基于接触模式的方法。当与PeakForce攻和MIROView进行预扫描和导航,完全可以避免接触模式。

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。
  • 在处理硬样品时,提高了针尖的使用寿命。
  • 更一致的PFM图像,而不影响信号测量精度。
左起顺时针:在PFM图像上带有SS-PFM RampScript数组的MIROView画布;聚合物薄片的DCUBE-PFM图像;接触模式下使用后刀尖磨损。

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、易于访问的软件和分析工具为研究人员提供了所需的灵活性。

  • 我们易于使用的脚本生成器可以从七个关键参数创建切换波形脚本。高级用户还可以用XML创建唯一的脚本。
  • 基于python的开源分析代码使研究人员能够准确地看到分析是如何工作的,并开发出分析SS-PFM数据的创新方法。
  • 对于开发自己的电子设备的研究人员来说,信号访问模块(SAM 6)允许硬件访问原始信号,还可以为具有大强制偏差的样品提供高电压。
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。

无缝集成与新的NanoScope 6控制器

pfm型实验对背景和相声的影响特别敏感。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。

这使许多AFM工作模式受益,但它为pfm类型模式(如SS-PFM)提供了独特的优势,包括:

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