Snabb kartläggning av polarisationsomkoppling genom fullständig informationsinsamling | naturkommunikation

Snabb kartläggning av polarisationsomkoppling genom fullständig informationsinsamling | naturkommunikation

Anonim

ämnen

  • Atomkraftsmikroskopi
  • Bildtekniker
  • Skanna sondmikroskopi

Abstrakt

Polarisationsomkoppling i ferroelektriska och multiferroiska material understödjer ett brett spektrum av aktuella och framväxande applikationer, allt från slumpmässiga åtkomstminnen till fälteffekttransistorer och tunnelanordningar. Omkoppling av dessa material är utsökt känslig för lokala defekter och mikrostruktur i nanometerskalan, vilket kräver rumsligt lösta högupplösta studier av dessa fenomen. Klassisk piezoresponse-kraftmikroskopi och spektroskopi, även om de tillhandahåller nödvändig rumslig upplösning, är i grund och botten begränsade i datainsamlingshastigheter och energiupplösning. Denna begränsning härrör från deras tvålagrade mätprotokoll som kombinerar långsam (∼ 1 s) växling och snabb (∼ 10 kHz – 1 MHz) detekteringsvågformer. Här utvecklar vi ett tillvägagångssätt för snabb sondering av ferroelektrisk omkoppling med direkt spänningsdetektering av materialrespons på sondförspänning. Detta tillvägagångssätt, underlättat av högkänslighetselektronik och adaptiv filtrering, möjliggör spektroskopisk avbildning med en hastighet av 3 504 gånger snabbare det aktuella teknikområdet, vilket uppnår hög veracitetsavbildning av polarisationsdynamiken i komplexa mikrostrukturer.

Introduktion

Polarisationsomkoppling i ferroelektriska och multiferroiska material understödjer ett antal tillämpningar som sträcker sig från icke-flyktiga minnen 1, tunnelspärrar 2, fälteffekttransistorer 3, race-trackminne 4, domänvägg 5 och magneto-elektriska anordningar 6 . Omkopplingsmekanismer påverkas känsligt av lokala och utökade defekter som fungerar som kärnbildningscentra för ferroelektriska domäner, och fästplatser för att flytta domänväggar 7, 8 . Följaktligen är förståelsen för lokala kopplingsmekanismer viktig för dessa applikationer. Dessutom är prediktiva atomistiska modeller för ferroelektrisk omkoppling endast möjliga när information om lokal omkoppling och defekttyper finns tillgänglig.

Dessa överväganden stimulerade utvecklingen av skanningssondmikroskopitekniker (SPM) -tekniker såsom piezoresponse tvingar mikroskopi (PFM) för att undersöka lokala omkopplingsmekanismer 9, 10, 11 . I PFM lokaliserar en partisk nanoskala spetsen det elektriska fältet inom en nanometervolym 12, 13 . Det elektromekaniska svaret på högfrekvent elektrisk excitation (sonderingsförspänning) som detekteras via utskjutning av utkragning ger information om polarisationsläget för provet under spetsen, vilket utgör avbildningsmoden för PFM. Samtidig applicering av en bipolär triangulär vågform (omkopplingsförspänning) kan ändra polarisering under spetsen. Uppmätt biasberoende svar utgör det spektroskopiska läget för PFM 14, 15, i vilket uppmätt lokal hysteresslinga ger information om lokal polarisationsdynamik 16, 17 . Slutligen, i det spektroskopiska avbildningsmoden för PFM, mäts hysteresslingor över ett rumsligt rutnät som ger tredimensionell datamängd. Hysteresslingorna kan analyseras för att ge parameterkartor som växlingsarbete, kärnbildning, tvångsförspänning och så vidare, och beskriver variationen i polarisationsdynamiken i material 18 . Detta tillvägagångssätt har använts för att visualisera fenomen inklusive effekter av förskjutningar 19, korngränser 20, laddningsavskärmning 21, ferroelektriska 22 och ferroelastiska väggar 7, 23, elektroder 24 på polarisationsomkoppling, polarisationsdynamik i ferroelektriska nanostrukturer 25, 26, störda ferroelektrik 27 och nya ferroelektriska material 28 . Nya upptäckter av statiska och hysteretiska elektromekaniska svar i ett brett spektrum av material från icke-ferroelektriska oxider 29 till energilagring 30 och omvandling av 31 material till biomolekylära och biologiska system 32, 33 brännar ytterligare intresset för dessa tekniker.

Trots det snabbt växande antalet applikationer av PFM-spektroskopi och avbildning, är datainsamlingsgraden och därmed kvaliteten och verifieringen av data starkt begränsad av mätprocessens natur. Rymd- och spänningsupplösningen för en tvåstegsmätning styrs av samspelet mellan flera faktorer. Först begränsar den tid som är nödvändig för att detektera differentiella signaler (∼ 4 ms per spänningssteg för bandexcitering 34 och ∼ 1 ms för inlåsningsdetektering) den teoretiska varaktigheten till ∼ 43 min för att skaffa en bild av 100 × 100 pixlar med 64 spänningssteg. Även om snabbare pixeltider har uppnåtts i vissa mätningar Resultat

Mätningsteknik

Figur 1 beskriver metodiken för polarisationsomkoppling med användning av spänningspektroskopi med generellt läge (G-VS), jämfört med bandexcitationspolarisationsomkoppling (BEPS), som är det aktuella toppmodernet. I G-VS exciteras atomkraftmikroskop (AFM) cantilever med en högfrekvent sinusformad vågform, med amplitud som överskrider den tvångsmässiga förspänningen hos provet. Kantförskjutningen mäts direkt, vilket ger lokala stammhysteresslingor. BEPS upphetsar spetsen med en liten amplitudkvittsignal centrerad vid utskjutningsresonansfrekvensen, medan DC-offset moduleras av en bipolär triangulär vågform med amplituden som långsamt korsar tvångsförspänningen. G-VS mäter effektivt biasinducerad belastning, medan BEPS mäter den biasberoende piezoelektriska koefficienten. Även om BEPS arbetar med ungefär en växlingscykel per sekund, begränsad av den bipolära triangulära vågformen, resulterar G-VS-vågformer i flera tiotals till tusentals polarisationsomkopplingscykler, begränsade endast av frekvensen (1 kHz – 1 MHz) och varaktighet (1– 10 ms) av den drivande vågformen. I BEPS bestäms omkopplingshastigheten av antalet och storleken på spänningsstegen per cykel. Följaktligen har BEPS en avvägning mellan omkopplingshastigheten och spänningsupplösningen, medan G-VS inte gör det. Dessa faktorer gör att G-VS kan uppnå mycket snabba polarisationsomkopplingshastigheter utan att offra spänningsupplösning.

Image

( a, b, e ) I båda teknikerna upphetsas utskjutningsspetsen med en vågform och provresponsen registreras genom utbuktningen av utskjutningen. ( a, c ) I BEPS inducerar en långsam bipolär triangulär våg ferroelektrisk omkoppling, medan piezoresponsen mäts genom att spänna utkanten med ett smalt band runt sin kontaktresonans. ( e ) I G-VS är spetsen upphetsad med en högfrekvent sinusformad signal med hög amplitud. ( f ) Uttagssvaret filtreras intelligent för att avslöja flera töjningsslingor. ( c, d ) Även om BEPS är begränsad till ∼ 0, 1–1 omkopplingscykel per sekund och förvärvad över ett gles rumsnät, ( f, g ) resulterar G-VS i 10 4 −10 7 växelcykler per sekund över ett tätt rumsnät .

Bild i full storlek

De grundläggande skillnaderna i signalgenerering mellan G-VS och BEPS översätter till olika metoder för bearbetning av data. Traditionell AFM-optik registrerar provets elektromekaniska svar via den vertikala utskjutningen. Även om BEPS endast behåller svaret från frekvensbanden som var upphetsade, lagrar G-VS det fullständiga utskjutningsresponset för efterbehandling. Tillgängligheten av den kompletta svarssignalen ger sann, opartisk information om utkragningssvaret som inkluderar flera vibrationslägen och harmoniken i frekvensen 41 . Däremot begränsar den traditionella heterodyne-metodiken för PFM med en enda exciteringsfrekvens (S-PFM) information till att övervaka en enda frekvens genom att använda en inlåsningsförstärkare och medelvärde signalen till ett enda värde 41, 43 . Slutligen, i BEPS är data anpassade till en enkel harmonisk oscillatormodell till piezoresponse 34, 44, vilket dikteras av beskaffenheten att fånga ett enda resonansband i cantilever, medan G-VS tillåter ett bredare modellval med flera samverkande resonanser och övertoner 45 .

Efter datainsamling använder G-VS datadriven efterbehandling för att avslöja flera töjningsslingor som indikerar polarisationsomkoppling, såsom illustreras i figur 2. Eftersom varaktigheten för G-VS-exciteringssignalen är jämförbar med tiden per pixel (1 –10 ms), G-VS kan integreras i en kontinuerlig skanning i motsats till rutnätmetoden som används i BEPS. Spetsens kontinuerliga, jämna rörelse minimerar drift och implementerar spektroskopi vid bildhastigheter. Även om det enklaste fallet av enfrekvens G-VS-excitation diskuteras här, kan samma principer utvidgas till dubbelfrekvens 46, bimodal 47, bandexcitation 34 eller någon annan excitationsvågform.

Image

( a ) 2D-histogram för den råa utskjutningssignalens avböjningssignal som en funktion av spetsens excitationsförspänning. ( b ) Rå signalen filtreras i frekvensdomänen genom att kassera signalen under ett beräknat brusgolv och genom att använda ett bandpassfilter för att avvisa brus med låg och hög frekvens. ( c ) Den filtrerade avböjningssignalen visar spänningsslingor. ( d ) Den filtrerade signalen används för att fylla ett 2D-histogram och en genomsnittlig töjningsslinga (inre, svart linje) konstrueras från medelresponsen vid varje spänningssteg.

Bild i full storlek

På samma sätt som det råa utskjutningsresponset, som visas i fig. 2a, verkar obegripligt och behandlas därför för att extrahera materialstamminformation. Signalen överförs till frekvensdomänen med en snabb Fourier-transform (fig. 2b). Datakvaliteten används för att beräkna ett lämpligt brusgolv dynamiskt, i motsats till att använda ett godtyckligt, a priori värde, som visas med den röda linjen i fig. 2b. Därefter appliceras ett bandpassfilter, visat som den prickade svarta linjen i fig. 2b, för att avvisa låg- och högfrekvensbrus. Bandpassfiltret behåller svaret från de första 11 övertonerna av exciteringsfrekvensen. Bidrag från kända brusband i mikroskopet avvisas också från signalen och signalen under det beräknade brusgolvet avvisas. Slutligen återlämnas data till verkligt utrymme via en omvänd snabb Fourier-transform. Figur 2c illustrerar den filtrerade signalen som innehåller flera spänningsslingor, motsvarande de multipla omkopplingscyklerna. Driv- och svarssignalerna omorganiseras baserat på drivenhetens lutning och ett tvådimensionellt (2D) histogram konstrueras med användning av de omordnade signalerna. Genomsnittliga töjningsslingor konstrueras från masscentret vid varje spänningssteg i histogrammet, med resultaten som visas i fig. 2d. Efterbehandlingsstegen är nödvändiga för bearbetning av G-VS-data, eftersom tip-sample-svaret vanligtvis är fördelat över flera frekvensband och frekvensbanden för tip-sample-svaret kan förändras, vilket hindrar digital inlåsningsbaserad behandling 48 . Ytterligare mätkanaler såsom sidoavböjning kan förvärvas och behandlas på samma sätt parallellt.

Här inser vi G-VS för enfrekvent sinusoidal excitation på ett prov med nanokapacitatorer. Provet består av en [001] Pb (Zr 0, 2 Ti 0, 8 ) O 3 (PZT) -film klämd mellan en SrRuO 3- elektrod på ett SrTiO 3- underlag, med toppelektroder som är Au / Cu-skivor 300 nm i diameter och 20 nm höga 49 . Områdena 1 × 1 um 2 undersöktes av S-PFM, BEPS och G-VS. Ytterligare information om den experimentella installationen finns i avsnittet Metoder. Figur 3 jämför informationen som tillhandahålls av de olika PFM-modaliteterna. S-PFM-amplituden och fasbilderna i fig. 3a, b innehåller 256 × 256 pixlar och förvärvades på 18 minuter. Även om S-PFM är snabbt tillhandahåller det inte kvantitativ information om polarisationsväxling, cantilever-sampelinteraktioner eller frekvensöverskridande 50 . BEPS-mätningen i fig. 3c förvärvades på ett 40 × 40 pixel rutnät på 77 minuter. Varje pixel innehåller två polarisationsomkopplingscykler vid 64 spänningssteg per cykel. G-VS-kartan i fig. 3d är en 256 × 256 pixelkarta som erhållits på 18 minuter. Varje pixel innehåller 40 töjningsslingor i en array med 16 384 punkter.

Image

Bilder av ett PZT-nanokapacitorprov erhållet från S-PFM, BEPS och G-VS. S-PFM ( a ) amplitud- och ( b ) faskartor. ( c ) Totalt piezoresponse-slinga från BEPS. ( d ) Total belastningsslinga från G-VS. ( e, f ) Genomsnittligt svar på nanokapacitatorerna och PZT-områdena. ( e ) Piezoresponse från BEPS-data. Piezoresponse (PR) definieras som PR ( V ) = A ( V ) * cos ( ϕ ( V )) där A och ϕ är amplituden och fasen som en funktion av den applicerade DC-förspänningen, V. ( f ) Genomsnittliga töjningsslingor från G-VS-data.

Bild i full storlek

Alla SPM-avbildning och spektroskopimätningar lider av en avvägning mellan den rumsliga upplösningen och avbildningsområdet. Den dåliga hastigheten för BEPS resulterar emellertid i en mycket betydande avvägning jämfört med G-VS eller S-PFM. Den snabba hastigheten på G-VS tillåter ett tätt rutnät av mätningar över områden som sträcker sig över flera mikrometer, samtidigt som rumsupplösningen under 50 nm bibehålls. Dessutom möjliggör tillgängligheten av den kontinuerliga dataströmmen flera upplösningar i den snabba skanningsriktningen 41, 51 . Med andra ord kan G-VS-data konverteras från en 256 × 256-bild med 40 slingor per pixel till en 256 × 2, 560-bild med 4 slingor per pixel, varigenom justeringen av den rumsliga upplösningen efter det att data har förvärvats.

Fig. 3e, f visar det rumsligt medelvärde BEPS och G-VS-svaret från nanokapacitatorerna och den nakna PZT-filmen. BEPS- och G-VS-uppgifterna visar tydligt olika svar för PZT- och nanokapacitatorerna och de tvångsvinklar som beräknats från båda teknikerna är i god överensstämmelse. BEPS skulle ta 3 504 × längre tid än G-VS för att ge en jämförbar spektroskopisk bild med 256 × 256 pixlar, där varje pixel innehåller 40 slingor. Sammantaget kan G-VS vara lika snabb som S-PFM-avbildning och 3, 504 gånger snabbare än BEPS, vilket ger information som är komplement till båda teknikerna. Vidare kan amplituden hos G-VS-exciteringsvågformen moduleras så att materialresponsen snabbt kan studeras för en mängd excitationsförspänningar utan att behöva göra om experimentet för olika excitationsförspänningsamplituder. Kompletterande figur 1 visar provresponsen på sådan tidsvarierande excitationsförspänning. Detta tillvägagångssätt är väsentligt snabbare än BEPS-motsvarigheten och kan potentiellt användas för att konstruera Preisach-täthetskartor snabbt 52 .

Data mining

Materialspecifika egenskaper kan extraheras från formerna av G-VS-töjningsslingorna. Här avlägsnas lutningen och förskjutningen i de genomsnittliga töjningsslingorna före analys. Figur 4a visar hur mätvärden, såsom framåt och bakåt tvångsförspänning, områden inom vänster och höger vingar på töjningsslingorna, mäts i de genomsnittliga töjningsslingorna. Figur 4b – f visar den rumsliga fördelningen av vissa slingmått. Rumsliga kartor över alla G-VS- och BEPS-loopmätvärden visas i tilläggsfigurerna 2 respektive 3. Tabell 1 visar de mätvärden som extraherats från G-VS-slingformerna. Vissa parametrar som A R, V X visar tydliga kontraster mellan PZT och nanokapacitatorer, medan andra mätvärden som V - visar sämre kontrast mellan PZT-filmen och kondensatorn.

Image

( a ) Avledning av mätvärden från medelstammslingan. Tabell 1 visar förkortningarna och beskrivningen av alla mätvärden. Rumsliga kartor över ( b ) framåt tvångsförspänning, V +, ( c ) omvänd tvångsförspänning, V -, ( d ) område inom höger vinge, A R, ( e ) område inom vänster vinge, A L och ( f ) kors -över förspänning, V X. Den svarta konturen på de rumsliga kartorna indikerar nanokapacitorns kanter.

Bild i full storlek

Full storlek bord

Likheten i de rumsliga fördelningarna av slingmetriker kan kvantifieras genom kors-korrelationskoefficienten definierad i ekvation 1 som:

Image

Här är A och B 2D-ingångsbilder och X och Y är 2D-medelvärdena för A respektive B. r- värden sträcker sig från −1 (perfekt anti-korrelerade) till 1 (perfekt korrelerade) och ett värde på 0 antyder att bilderna är oberoende. Figur 5 visar korskorrelationen mellan rumsliga kartor över 16 slingmätvärden. Dessa korrelationskoefficienter visar hur vissa geometriska slingparametrar överensstämmer med andra konventionella mätvärden, till exempel tvångsvinklarna, antingen på grund av materialspecifika korrelationer eller inbördes beroende mellan definierade variabler. Exempelvis är korrelationskoefficienterna mellan A R och LO , A L + A R, V + och V X starka, medan den mellan A L och S R, VL, VR och LO är svag.

Image

2D självkorrelationsfunktioner för de rumsliga kartorna för olika slingmetriker.

Bild i full storlek

Ytterligare utvinning av G-VS-data utförs genom multivariata statistiska metoder, såsom huvudkomponentanalys (PCA), k- medelklustering och Bayesian linear unmixing (BLU) 53, 54, 55 . PCA separerar data i ortogonala komponenter som är arrangerade i fallande ordning efter varians 56 . Resultaten av PCA tillämpade på filtrerad G-VS-data visas i tilläggsfiguren 4–6. De filtrerade G-VS-data kan också korreleras och komprimeras med PCA. Kompletterande figur 5 visar att de första 18 av 16 384 komponenter innehåller huvuddelen av den fysiskt relevanta informationen och de första 64 komponenterna är tillräckliga för att exakt rekonstruera de filtrerade G-VS-data. Således kan den typiska G-VS rådatafilen, i storlek 2 GB, lagras permanent som en 8 MB-fil utan mycket förlust i information 41, 42 . Kompletterande fig. 7 visar tvärkorrelationen mellan provtopografin, rumsliga kartor över G-VS- och BEPS-slingmetrika och G-VS PCA-belastningskartor.

BLU separerar observationer i en linjär kombination av positionsoberoende slutledare med relativa mängder som är skadade av additivt gaussiskt brus 57 . K- medel-algoritmen försöker klassificera data i k- kluster där varje pixel tillhör klustret med det mest likartade svaret 58 . Eftersom huvuddelen av den statistiskt relevanta informationen i den filtrerade G-VS-informationen ingår i de första fyra huvudkomponenterna, konfigurerades k- medel och BLU för att identifiera fyra kluster eller slutledare. Figur 6 visar resultaten av BLU på de genomsnittliga G-VS-töjningsslingorna, identifierande regioner med definierad växlingsdynamik. Kompletterande figur 8 visar resultaten från k- medel-kluster på de genomsnittliga G-VS-töjningsslingorna. k- medel separerar också svaret från den nakna PZT-filmen, mitten av nanokapacitatorerna, kanterna på nanokapacitatorerna och andra sektioner med mycket svagt svar.

Image

( a - d ) Rumskartor och ( e - h ) motsvarande töjningsslingor för var och en av de fyra slutledarna. Kanterna på nanokapacitatorerna (svarta linjer) är överlagda på de rumsliga kartorna.

Bild i full storlek

Diskussion

Ett viktigt steg vid bearbetning av töjningsslingorna är kompensationen av fasförskjutningen mellan exciteringsförspänningen och den uppmätta avböjningen, eftersom fasen signifikant kan påverka formen på hysteresslingan. För ett rent linjärt, icke-hysteretiskt svar kan denna fasförskjutning ändra slingor från stängd till ellipsoid i form. Eftersom SPM-systemet har begränsad frekvensspridning av svaret, är direkt kalibrering av fasen icke trivial. Fasförskjutningen bör väljas så att den resulterande slingformen är närmast den klassiska formen av töjningsslingor under omkopplingsbetingelser för ferroelektrik. Innan G-VS-experimentet som beskrivits i denna studie utfördes avbildades samma område med G-VS-amplituden långt under tvångsförskjutningen -1 V i detta fall. Tillämpning av filterrutinerna som beskrivs i figur 2 avslöjade ovala öglor vid varje pixel. Fasförskjutningen beräknades som den relativa rotationen mellan ingångs- och utgångsvågformerna som var nödvändiga för att minimera området inom slingan. Skillnaden mellan formen på de faskompenserade och okompenserade slingorna var försumbar. I våra experiment var fasförskjutningen och effekterna av faskorrigeringen på datamängden försumbar.

Snabbväxling och fullständig datafångst i G-VS möjliggör ett antal materialvetenskapliga undersökningar som traditionellt har varit opraktiska eller utmanande. G-VS kan användas för snabba studier av trötthetsbeteendet i nya material. I denna studie implementeras G-VS genom att spänna fribäraren långt under den första resonansfrekvensen där överföringsfunktionen mellan den uppmätta utskjutningen och materialstammen är linjär. Att manövrera ledningen nära ett resonansläge förbättrar signalen-till-brusförhållandet avsevärt på grund av den inneboende förstärkningskännet hos utkragaren. Vid resonansförhållanden är emellertid komplexa modeller för utskjutande dynamik nödvändiga för att relatera avböjningen med materialstammen, vilket ligger utanför det nuvarande arbetets omfattning. Integrationen av utkragningsdynamikmodeller i G-VS-dataanalysen möjliggör utredningar av materialrespons vid godtyckliga frekvenser. G-VS kan också ge värdefull insikt om de relativa bidragen till joniska och ferroelektriska fenomen i materialresponsen för vissa prover, till exempel Ca-dopade BiFeO 3 (ref. 59) och LaAlO3 -SrTiO 3 (ref. 60) strukturer . Dynamiken för domänväggsrörelse och frekvensberoende av kärnbildningsförspänning kan också undersökas. Den förbättrade rumsliga och temporära upplösningen av tekniken bör också möjliggöra betydande framsteg när det gäller mekanismer för polarisationsutmattning (och kanske binda dem till närvaron av mobila eller statiska defekter 19 ), såväl som interaktioner mellan domänväggar och lokala olinjäriteter. Vidare kan dessa experiment ge ett fönster mot länkarna mellan lokal (nanoskala) hysteres och makroskopiska dielektriska hysteresslingor, som förblir dåligt förstått 61 trots decennier av forskning och ofta saknar fysisk betydelse för de statistiska beskrivningarna som används 62 . Förutom polarisationsomkoppling i ferroelektrik kan G-VS tillämpas på andra SPM-metoder såsom Kelvin-sondkraftsmikroskopi 63, kraftspektroskopi 34, elektrokemisk töjningsmikroskopi 64 och så vidare. Tekniker som visas i denna studie kan potentiellt möjliggöra fullständig kartläggning av kraftvolym under konventionell intermittent kontaktlägesavbildning, medan fribilen drivs med resonans. Här skulle svaret måste normaliseras av cantilever-överföringsfunktionen. Som jämförelse är kommersiellt tillgängliga snabbspektroskopitekniker, såsom PeakForce Tapping-läge 65 från Bruker och Fast Force Mapping-lägen från Asylum Research kvasistatiska lägen som är begränsade till 10–2 000 Hz.

Här har vi demonstrerat en spänningspektroskopiteknik som är> 3.500 gånger snabbare än den nuvarande toppmodern. Förbättringen av mäthastigheten har minskat rumslig drift och förbättrad rumsupplösning, vilket möjliggör storbildsavbildning med hög upplösning. Vi tror att denna teknik är att föredra framför traditionella lock-in eller band excitationstekniker, eftersom den fångar hela spetsprovinteraktioner vid detektorns bandbredd. Möjligheterna och potentiella tillämpningar av denna teknik kan utökas ytterligare genom mjukvarumodifieringar och genom robust modellering. Vidare kan de allmänna principerna som ligger till grund för denna spänningsspektroskopimetod utvidgas till andra tekniker inom och utanför SPM. Denna teknik möjliggör tillförlitlig och grundlig förståelse för ferroelektrisk omkoppling, vilket är avgörande för att bygga exakta atomistiska modeller som kommer att främja utvecklingen av nästa generation av elektroniska enheter.

metoder

Cantilever och AFM-konfiguration

Pt-Cr-belagda nanosensorer Multi-75EG AFM-cantilevers användes för att skaffa enkelfrekvens- och G-VS-skanningsdata i ett Asylum Research Cypher AFM-system. Enfrekvens PFM-bilder förvärvades med hjälp av det inbyggda AFM-programvarupaketet. Sinusformad spänning på 1 V amplitud och frekvens nära det första kontakt-resonansläget för cantilever-samplingssystemet (∼ 350 kHz) applicerades på cantilever-spetsen när cantilever skannade provet i kontaktläge.

Datainsamling

National Instruments Arbiträr Waveform Generator (PXIe 5412) och Digitizer (PXIe 5122) kort användes för att samtidigt tillhandahålla G-VS-excitationssignalen och mäta utkragningssvaret vid en samplingshastighet av 4 MHz. Under G-VS-mätningar applicerades en 10 kHz sinusformad vågform med 8 V-amplitud på spetsen i 4 ms vid varje pixel. G-VS-avbildning utfördes i ett fyra-pass-läge (NAP-läge), där den initiala spårningen och återspårningen är konventionella S-PFM-genomsökningar utförda med användning av den traditionella kraft-feedback-metoden. Den andra spårningen och tillbakadragningen utförs utan kraftåterkoppling och G-VS utförs endast under tillbakadragningen. I princip kan G-VS implementeras i det traditionella tvåpassningsscanningsläget med kraftåterkoppling, vilket skulle halvera skanningstiden. Vi implementerade G-VS i fyrpass-läget för enklare jämförelse mellan S-PFM- och G-VS-data. Data registreras kontinuerligt under G-VS-återgång; således kan antalet och varaktigheten för pixlar varieras omvänt under efterbehandlingen för att justera den rumsliga upplösningen av bilden.

Data tillgänglighet

All data och analysdatorkod som beskrivs i denna studie är tillgänglig från författarna.

Kompletterande information

PDF-filer

  1. 1.

    Kompletterande information

    Kompletterande figurer 1-8 och kompletterande tabeller 1-2

kommentarer

Genom att skicka en kommentar samtycker du till att följa våra villkor och gemenskapsriktlinjer. Om du finner något missbruk eller som inte överensstämmer med våra villkor eller riktlinjer ska du markera det som olämpligt.