JP2012500977A - 走査プローブ顕微鏡によりピエゾ電気応答を測定する方法 - Google Patents
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Abstract
【選択図】図2
Description
[本発明の実行モード]
定義:
サンプルの「ピエゾ電気応答の測定」はピエゾ電気効果に影響を与えるかそれに基づくサンプルのパラメータを測定することと理解すべきである。特に、測定されたパラメータは例えばプローブの位置におけるサンプルの分極方向、プローブのピエゾ電気効果の強度、またはドメイン境界の位置であることができる。
用語「機械的接触」は、反発力がプローブとサンプル間の相互動作の主な力である接触を意味している。
図1はフレキシブルなカンチレバー1と、微細なチップを有するプローブ2とを有する走査プローブ顕微鏡を示しており、チップはサンプル3の表面に沿って移動される。カンチレバー1は顕微鏡の機械的共振器である。プローブ2のチップは有効にサンプル3と連続的な機械的接触をする。
図2に示されている第2の実施形態もその共振周波数fでカンチレバー1を励起するがUACは異なる周波数fACを有している。
図3はフィールドプログラム可能なゲートアレイ(FPGA)として図2の実施形態の構成を示している。図面では、以下の略語が使用されている。
−CORDIC:座標回転デジタルコンピュータ。このような装置はベクトルを回転するために使用されることができるアルゴリズムを実行する。これは入力ベクトルを示す2つの入力(x,y)と、回転角度を示す入力φと、回転されるベクトルを示す2つの出力とを有する。
−CC:座標変換器。ガウス座標を極座標に変換する装置である。この機能は例えばCORDICにより実行されることができる。
−PID:比例、積分および微分制御装置。
−SIN:一連の連続的な整数から正弦(又は余弦)波形を発生するための正弦(または余弦)値の検索表。
−DAC:デジタルアナログ変換器。
2つの位相アキュムレータは各サイクルで所定の値によりインクリメントされるレジスタであり、価は周波数を表している。アキュムレータはこればオーバーフローするときラップ(wrap)する。各アキュムレータからの値は信号SとUACを発生するためにSIN検索表に与えられる。
−IIR無限インパルス応答フィルタ。構成が容易なデジタルローパスフィルタ。
図4は本発明の第3の実施形態のFPGA構成を示している。これはUACと機械振動との間の位相が時間にわたって線形に増加されない点で図3のものとは異なっているが、正弦関数が位相アキュムレータ30の値に与えられ、これは周波数fを有するUACを生じるが位相シフトψ(t)=sin(2π・fmod・t)である。
実施形態はその共振周波数fのうちの1つで共振器(カンチレバー1)を動作するために位相シフタ及び利得制御装置34を有する自励式ループを使用する。しかしながら、UACは別の発振器22を設けることによりfに近いが等しくはない固定された周波数fACで動作するように設定される。前述したようにfmod=abs(f−fAC)<5kHzであることが有効である。
図6の実施形態は、図1の実施形態のようにAC電圧DACの周波数fACが共振周波数fに等しいがUACは周波数fmodで振幅変調されている点で図5の実施形態とは異なっている。この目的で、発振器22はfmodで動作され、その出力は偏移検出器6の出力Dの位相シフトされたバージョンで乗算される。
前述したように、AC電圧UACはDC電圧UDCにより重ね合わされることができる。このDC電圧は例えばヒステリシス効果を測定またはドメイン境界を動かすかピエゾ材料を局部的に分極することに使用されることができる。
Claims (12)
- 走査プローブ顕微鏡によりサンプル(3)のピエゾ電気応答を測定する方法において、
前記走査プローブ顕微鏡は機械的共振器(1)上のプローブ(2)と、機械力を前記機械的共振器(1)に与えるためのアクチュエイタ(5)とを具備し、前記方法は、
前記サンプル(3)中に交番電界を発生してそれによって前記サンプル(3)のピエゾ電気応答を発生するようにAC電圧UACを与え、前記ピエゾ電気応答は前記プローブ(2)を通して前記共振器(1)へ第1の振動力を与え、
前記アクチュエイタ(5)により、前記共振器(1)へ前記第1の振動力に加えて第2の振動力を与え、前記第2の振動力は前記共振器(1)の共振周波数fに対応する周波数を有し、それによって前記共振器(1)に共振振動を行わせ、
前記与えられたAC電圧の前記共振振動に対する影響から前記ピエゾ電気応答を得るステップを含んでいる方法。 - 前記走査プローブ顕微鏡は前記サンプル(3)と連続的に機械的接触をしている前記プローブ(2)と接触モードで動作される請求項1記載の方法。
- 前記AC電圧は前記共振周波数fに等しい周波数と、前記共振器(1)の運動に関して一定の位相シフトψとを有している請求項1または2記載の方法。
- 前記AC電圧は前記共振器(1)の運動に関して時間的に変化する位相シフトψ(t)を有し、および/または前記AC電圧は時間変化する振幅を有している請求項1または2記載の方法。
- 前記位相シフトψ(t)または振幅はfに比較してはるかに低い周波数fmod<<fで変化する請求項4記載の方法。
- fmod<5kHzであり、f>50kHzである請求項5記載の方法。
- 前記共振振動を維持しながら、および前記共振振動の維持に必要とされる少なくとも1つのパラメータで前記周波数fmodで測定、特に記録をしながら、前記プローブ(2)は前記サンプル(3)に沿って移動され、特に前記パラメータは前記アクチュエイタ(5)の駆動に必要とされる振幅であり、および/または前記パラメータは前記周波数fである請求項5又は6記載の方法。
- 前記共振器(1)は制御ループにより前記共振周波数fで励起され、前記制御ループは1/fmodよりも小さい応答時間を有し、
前記共振器(1)が励起される周波数を示す周波数信号(f)および/または前記共振器(1)の励起振幅を示す振幅信号(K)を発生し、
前記ピエゾ電気応答を測定するために、前記周波数fmodにおいて前記周波数信号(f)および/または振幅信号(K)のスペクトル成分を測定するステップを含んでいる請求項5乃至7のいずれか1項記載の方法。 - 前記周波数信号および/または振幅信号は前記アクチュエイタ(5)を駆動する信号を発生するために前記制御ループで使用される請求項8記載の方法。
- 前記AC電圧UACは前記プローブ(2)と前記サンプル(3)との間に与えられる請求項1乃至9のいずれか1項記載の方法。
- 一定のDC電圧UDCが前記AC電圧UACに付加される請求項1乃至10のいずれか1項記載の方法。
- 前記プローブ(2)は、前記サンプル(3)の表面に対して平行な前記サンプル(3)の変形を起こすピエゾ電気応答を測定するために、前記サンプル(3)の表面に対して平行なゼロではない成分を有する方向で前記共振周波数で振動し、
前記プローブ(2)は、前記サンプル(3)の表面に対して垂直な前記サンプル(3)の変形を起こすピエゾ電気応答を測定するために、前記サンプル(3)の表面に対して垂直なゼロではない成分を有する方向で前記共振周波数で振動する請求項1乃至11のいずれか1項記載の方法。
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