Розділ 2 апаратні особливості методу

В основі методики силової мікроскопії п'єзовідклика лежить механічний відгук поверхні при прикладанні до зразка електричного поля. Поле прикладається до поверхні зразка за допомогою провідного зонда АСМ і призводить до локального розширення або стиснення області під зондом, наприклад, за рахунок зворотного п'єзоефекту. Таким чином, методика силової мікроскопії п'єзовідклика дозволяє проводити дослідження розподілу п'єзоелектричних властивостей на поверхні зразків з нанометровим розширенням (дозвіл визначається радіусом кривизни зонда).

Рис.2.1. Схема вимірів по методиці силової мікроскопії п'єзовідклика [2]

Для відділення інформації про рельєф зразка, детектуючою по відхиленню зонда АСМ, від даних про п'єзоелектричних властивостях, вимірювання п'єзовідклика від поверхні проводяться при прикладанні змінного електричного поля з частотою ω. Тобто, проводячий зонд АСМ приводиться в контакт з поверхнею, між зондом і зразком прикладається змінна напруга на заданій частоті ω (рис. 2.1), результуюче відхилення зонда містить постійну складову, по якій відновлюється рельєф, і змінну складову на частоті ω, яка відповідає за п'єзовідклик від поверхні. Слід зазначити, що амплітуда змінної складової за величиною багато менше величини постійної складової сигналу відхилення. Для виділення змінної складової відхилення зонда, сигнал з чотирьохсекційного фотодіода подається на синхронний підсилювач.

Поверхня зразка локально розширюється або стискається в залежності від напрямку, що прикладається за допомогою зонда АСМ поля [2].

У свою чергу, локальне зміна розмірів зразка призводить до відхилення зонда, яке може бути зареєстрована та інтерпретована в величину п'єзовідклику від поверхні досліджуваного зразка.

Синхронний підсилювач використовується для виділення і детектування сигналу змінного струму. Детектування можливо навіть коли рівень шуму істотно вище корисного сигналу. Виділення корисного сигналу на синхронному підсилювачі відбувається за методом фазочутливого синхронного детектування на частоті опорного сигналу. В якості опорного сигналу на фіксованій частоті використовується сигнал змінної напруги, що прикладається між зондом і зразком. В основі методу детектування лежить просте перемножування гармонійних сигналів.

Якщо відфільтрувати складову сигналу на подвоєній частоті, то залишиться сигнал постійного струму. Амплітуда обраного сигналу пропорційна амплітуді вхідного сигналу і косинусу зсуву цього сигналу, по фазі відносно опорною змінної напруги.

Рис.2.2. До визначення напрямку вектора поляризації за допомогою силової мікроскопії п'єзовідклика [2]

Отримана на виході підсилювача синхронного детектора величина детектуючого сигналу містить інформацію про значення п'єзовідклику з поверхні зразка, а фаза визначає напрямок вектора поляризації досліджуваних доменів. Так, для доменів, орієнтованих перпендикулярно поверхні з спрямованої вниз поляризацією, прикладання напруги (плюс напруги живлення при цьому подається на зонд) призводить до розширення області під зондом, коливання поверхні будуть у фазі з прикладеною напругою, і фаза детектуючого сигналу φ буде дорівнювати нулю. Для доменів, орієнтованих перпендикулярно поверхні з спрямованої вгору поляризацією, коливання поверхні будуть відбуватися в протилежній фазі к прикладеній напрузі, і різниця фаз φ буде дорівнює (рис.2.2).

Відомо, що зв'язок деформації з прикладеною напругою (рівняння зворотного п'єзоефекту) для кристалів має вигляд:

, (2.1)

де тензор деформації;

компоненти тензора п'єзоелектричних елементів;

компоненти електричного поля.

При скануванні за методикою силової мікроскопії пьезооткліка основний внесок у вертикальне відхилення зонда вносить коефіцієнт тензора п'єзоелектричних коефіцієнтів. Якщо напруга, що прикладається до зонду, описується виразом:

(2.2)

Вертикальне відхилення зонда внаслідок зворотного п'єзоефекту визначається через коефіцієнт , як:

z = d₃₃ V_dc + d₃₃ V_ac cos(ωt + φ), (2.3)

Заради простоти передбачається, що п'єзоелектричний коефіцієнт залежить тільки від величини поляризації зразка. Таким чином, амплітуда змінної складової сигналу відхилення зонда дає уявлення про величину коефіцієнта п'єзоелектричних втрат.

Слід зазначити, що на практиці величину в рівнянні (2.3) лише умовно можна вважати коефіцієнтом тензора п'єзоелектричних втрат. Значення коефіцієнта в рівнянні (2.3) може визначатися як рештою коефіцієнтами тензора, так і іншими факторами, наприклад, зрізом та орієнтацією зразка при скануванні, характеристиками контакту зонд-зразок.

Типові значення коефіцієнта , вимірюваного за методикою силової мікроскопії п'єзовідклику, лежать в діапазоні від 0,5 пм/В для матеріалів зі слабким п'єзовідкликом до 500 пм/В для матеріалів з «хорошим» п'єзовідкликом [2].