KR20230144861A - Potential gradient microscopy and operating method thereof - Google Patents
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Abstract
캔틸레버의 팁이 재료의 표면으로부터 소정 거리만큼 떨어진 상태에서 재료를 스캔하는 동안, 전위 구배 현미경은 캔틸레버에 입사하는 광 빔을 제공하고 광 빔이 캔틸레버에서 반사하는 반사 빔을 감지하여 편향 신호를 검출한다. 또한, 전위 구배 현미경은 재료를 스캔하는 동안 직류 전압과 교류 파형의 전압을 캔틸래버에 인가하며, 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 재료를 영상화한다.While the tip of the cantilever scans the material at a predetermined distance from the surface of the material, the potential gradient microscope provides a light beam incident on the cantilever and detects the reflected beam as the light beam reflects off the cantilever to detect a deflection signal. . Additionally, a potential gradient microscope applies direct and alternating current voltages to the cantilever while scanning the material, and images the material based on the amplitude and phase of the deflection signal.
Description
개시 내용은 전위 구배 현미경 및 그 구동 방법에 관한 것이다.The disclosure relates to a potential gradient microscope and a method of driving the same.
주사 탐침 현미경(scanning probe microscopy, SPM)은 팁(tip)을 이용하여 재료의 표면 및 내부 특성을 분석하는 기술로서 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscopy, STM)과 원자간력 현미경(atomic force microscopy, AFM)을 통칭하는 기술이다. 그중 주로 쓰이는 AFM을 이용한 재료 특성의 영상화 모드는 접촉식(contact) 모드와 비접촉식(non-contact, tapping) 모드로 구분된다. 접촉식 모드로는 재료 내의 강유전체 도메인을 영상화하는 압전감응 힘 현미경(piezoresponse force microscopy, PFM)과 전류를 측정하는 전도성 원자간력 현미경(conductive AFM, c-AFM)이 대표적이며, 비접촉식 모드로는 표면 전하를 영상화하는 정전기력 현미경(electrostatic force microscopy, EFM)과 표면 전위를 영상화하는 켈빈 탐침 힘 현미경(Kelvin probe force microscopy, KPFM)이 대표적이다. Scanning probe microscopy (SPM) is a technology that analyzes the surface and internal properties of materials using a tip. Scanning tunneling microscopy (STM) and atomic force microscopy (AFM) ) is a technology that collectively refers to Among them, the most commonly used imaging mode of material properties using AFM is divided into contact mode and non-contact (tapping) mode. Representative contact modes include piezoresponse force microscopy (PFM), which images ferroelectric domains within materials, and conductive atomic force microscopy (c-AFM), which measures current. Non-contact modes include surface Representative examples include electrostatic force microscopy (EFM), which images electric charges, and Kelvin probe force microscopy (KPFM), which images surface potential.
SPM을 이용한 강유전체 도메인 영상화는 주로 PFM을 이용하며, EFM 혹은 KPFM을 통해서도 가능하다. 최근에는 전하 구배 현미경(charge gradient microscopy, CGM)을 통해 표면 차폐 전하(surface screening charge)를 긁어내면서 강유전체 도메인을 영상화하는 기술이 새롭게 등장하였다.Ferroelectric domain imaging using SPM mainly uses PFM, and is also possible through EFM or KPFM. Recently, a new technology has emerged to image ferroelectric domains by scraping off surface screening charges through charge gradient microscopy (CGM).
기존 영상화 기술인 PFM과 CGM은 접촉식 기술로서 영상화 조건에 따라 표면 형상(morphology)이나 표면 전위 혹은 표면 전하 상태를 변화시킬 가능성이 있고, EFM은 정성적(qualitative) 측정 기술로서 그 원리에 한계가 있다. SPM 팁과 재료 사이 일함수(work function) 차이를 이용하여 표면 전위를 측정하는 KPFM은 측정 조건에 따라 그 전위의 값이 변화할 수 있으며 그 측정 조건이 매우 까다롭다. 예를 들어, Asylum Research사의 KPFM 모드를 이용할 시 팁은 재료보다 높은 전위를 가져야만 표면 전위 측정이 가능하며 측정 환경(온도, 습도 등)과 조건에 따라 표면 전위 측정이 힘든 경우도 자주 발생한다.Existing imaging technologies, PFM and CGM, are contact technologies and have the potential to change the surface morphology, surface potential, or surface charge state depending on imaging conditions, while EFM is a qualitative measurement technology and has limitations in its principles. . KPFM, which measures the surface potential using the difference in work function between the SPM tip and the material, can change the value of the potential depending on the measurement conditions, and the measurement conditions are very difficult. For example, when using Asylum Research's KPFM mode, the tip must have a higher potential than the material to measure surface potential, and it is often difficult to measure surface potential depending on the measurement environment (temperature, humidity, etc.) and conditions.
어떤 실시예는 비접촉식 모드를 통해 접촉식 기술의 한계를 극복하기 위해 전위 구배를 영상화하는 전위 구배 현미경을 제공할 수 있다.Some embodiments may provide potential gradient microscopy to image potential gradients through a non-contact mode to overcome the limitations of contact techniques.
한 실시예에 따르면, 팁을 가지는 캔틸레버, 검출기 및 제어 시스템을 포함하는 전위 구배 현미경이 제공될 수 있다. 상기 검출기는 상기 팁이 재료의 표면으로부터 소정 거리만큼 떨어진 상태에서 상기 재료를 스캔하는 동안, 상기 캔틸레버에 입사하는 광 빔을 제공하고 상기 광 빔이 상기 캔틸레버에서 반사하는 반사 빔을 감지하여 편향 신호를 검출할 수 있다. 상기 제어 시스템은 상기 재료를 스캔하는 동안 직류 전압과 교류 파형의 전압을 상기 캔틸래버에 인가하며, 상기 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 상기 재료를 영상화할 수 있다.According to one embodiment, a potential gradient microscope may be provided including a cantilever with a tip, a detector, and a control system. The detector provides a light beam incident on the cantilever while scanning the material with the tip at a predetermined distance from the surface of the material and detects the reflected beam as the light beam reflects off the cantilever to generate a deflection signal. It can be detected. The control system may apply direct current and alternating current voltages to the cantilever while scanning the material and image the material based on the amplitude and phase of the deflection signal.
어떤 실시예에서, 상기 재료를 스캔하는 모드는 AM-KPFM(amplitude modulation Kelvin probe force microscopy)의 냅 모드에 해당할 수 있다.In some embodiments, the mode for scanning the material may correspond to the NAP mode of amplitude modulation Kelvin probe force microscopy (AM-KPFM).
어떤 실시예에서, 상기 냅 모드의 스캔 전에, 상기 제어 시스템은 상기 재표의 표면을 태핑하지 않는 범위에서 진동하는 스캔을 통해 상기 재료의 표면을 형상화할 수 있다.In some embodiments, prior to the nap mode scan, the control system may shape the surface of the material through an oscillating scan in a range that does not tap the surface of the material.
어떤 실시예에서, 상기 제어 시스템은, 상기 편향 신호의 진폭의 피드백에 따라 상기 진류 전압과 상기 편향 신호의 진폭의 차이를 최소화하도록 제어하는 피드백 제어기를 포함할 수 있다.In some embodiments, the control system may include a feedback controller that controls to minimize the difference between the true voltage and the amplitude of the deflection signal according to feedback of the amplitude of the deflection signal.
어떤 실시예에서, 상기 피드백 제어기는 비례-적분-미분(proportional-integral-differential, PID) 제어기 또는 비례-적분(proportional-integral, PI) 제어기를 포함할 수 있다. 상기 제어 시스템은 상기 피드백 제어기의 비례 이득을 제1 임계 값보다 낮게, 상기 피드백 제어기의 적분 이득을 제2 임계 값보다 낮게 설정할 수 있다.In some embodiments, the feedback controller may include a proportional-integral-differential (PID) controller or a proportional-integral (PI) controller. The control system may set the proportional gain of the feedback controller lower than a first threshold value and the integral gain of the feedback controller lower than a second threshold value.
어떤 실시예에서, 상기 제1 임계 값은 20일 수 있다.In some embodiments, the first threshold may be 20.
어떤 실시예에서, 상기 제2 임계 값은 20일 수 있다.In some embodiments, the second threshold may be 20.
어떤 실시예에서, 상기 제어 시스템은 스캔 방향에 따라 상기 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 상기 재료를 영상화할 수 있다.In some embodiments, the control system may image the material based on the amplitude and phase of the deflection signal along a scan direction.
어떤 실시예에서, 상기 스캔 방향은 제1 스캔 방향과 상기 제1 스캔 방향과 90도의 차이를 가지는 제2 스캔 방향을 포함할 수 있다.In some embodiments, the scan direction may include a first scan direction and a second scan direction that is 90 degrees different from the first scan direction.
어떤 실시예에서, 상기 교류 파형은 사인 파형일 수 있다.In some embodiments, the alternating current waveform may be a sinusoidal waveform.
어떤 실시예에서, 상기 캔틸레버는 전도성 물질이 도포되어 있을 수 있다.In some embodiments, the cantilever may be coated with a conductive material.
어떤 실시예에서, 상기 전도성 물질은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 크롬(Cr) 또는 전도성 다이아몬드(conductive diamond) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.In some embodiments, the conductive material may be made of at least one of platinum (Pt), iridium (Ir), chromium (Cr), or conductive diamond.
어떤 실시예에서, 상기 재료는 강유전체(ferroelectrics), 산화물 반도체(oxide semiconductors), 금속(metals), 이종 물질(composites) 또는 블록 공중합체(block copolymers) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.In some embodiments, the material may be comprised of at least one of ferroelectrics, oxide semiconductors, metals, composites, or block copolymers.
다른 실시예에 따르면, 팁을 가지는 캔틸레버를 포함하는 전위 구배 현미경의 구동 방법이 제공될 수 있다. 상기 구동 방법은 상기 팁이 재료의 표면으로부터 소정 거리만큼 떨어진 상태에서 상기 재료를 스캔하는 단계, 상기 재료를 스캔하는 동안, 직류 전압과 교류 파형의 전압을 상기 캔틸래버에 인가하는 단계, 상기 재료를 스캔하는 동안, 상기 캔틸레버에 입사하는 광 빔을 제공하는 단계, 상기 광 빔이 상기 캔틸레버에서 반사하는 반사 빔을 감지하여 편향 신호를 검출하는 단계, 그리고 상기 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 상기 재료를 영상화하는 단계를 포함할 수 있다.According to another embodiment, a method of driving a potential gradient microscope including a cantilever with a tip may be provided. The driving method includes scanning the material while the tip is a predetermined distance away from the surface of the material, applying a voltage of a direct current voltage and an alternating current waveform to the cantilever while scanning the material, During scanning, providing a light beam incident on the cantilever, detecting a deflection signal by detecting a reflected beam as the light beam reflects off the cantilever, and based on the amplitude and phase of the deflection signal, the material It may include the step of imaging.
어떤 실시예에서, 상기 구동 방법은, 상기 편향 신호의 진폭의 피드백에 따라 상기 진류 전압과 상기 편향 신호의 진폭의 차이를 최소화하도록 피드백 제어를 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.In some embodiments, the driving method may further include performing feedback control to minimize the difference between the true voltage and the amplitude of the deflection signal according to the feedback of the amplitude of the deflection signal.
어떤 실시예에서, 상기 피드백 제어를 수행하는 단계는 PID 제어기 또는 PI 제어기를 이용해서 상기 피드백 제어를 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 피드백 제어에 사용되는 비례 이득이 제1 임계 값보다 낮고, 상기 피드백 제어에 사용되는 적분 이득이 제2 임계 값보다 낮을 수 있다.In some embodiments, performing the feedback control may include performing the feedback control using a PID controller or a PI controller. The proportional gain used for the feedback control may be lower than a first threshold, and the integral gain used for the feedback control may be lower than a second threshold.
어떤 실시예에서, 상기 재료를 영상화하는 단계는 스캔 방향에 따라 상기 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 상기 재료를 영상화하는 단계를 포함할 수 있다.In some embodiments, imaging the material may include imaging the material based on the amplitude and phase of the deflection signal along a scan direction.
어떤 실시예에서, 상기 스캔 방향은 제1 스캔 방향과 상기 제1 스캔 방향과 90도의 차이를 가지는 제2 스캔 방향을 포함할 수 있다.In some embodiments, the scan direction may include a first scan direction and a second scan direction that is 90 degrees different from the first scan direction.
도 1은 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경을 예시하는 도면이다.
도 2는 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경의 검출기를 예시하는 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경에 사용되는 프로브와 재료를 예시하는 도면이다.
도 4는 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경의 제어 시스템을 예시하는 도면이다.
도 5는 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경의 피드백 제어기를 예시하는 도면이다.
도 6a와 도 6b는 각각 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경에서 캔틸레버의 진동 진폭 및 위상을 예시하는 도면이다.
도 7은 영상화할 재료를 예시하는 도면이다.
도 8은 빠른 피드백과 낮은 피드백에서의 영상화 결과를 예시하는 도면이다.
도 9는 I 이득의 증가에 따른 영상화 결과를 예사하는 도면이다.
도 10 및 도 11은 각각 두 번의 스캔에 따른 영상화 결과를 예시하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a potential gradient microscope according to one embodiment.
2 is a diagram illustrating a detector of a potential gradient microscope according to one embodiment.
3 is a diagram illustrating probes and materials used in a potential gradient microscope according to one embodiment.
4 is a diagram illustrating a control system of a potential gradient microscope according to one embodiment.
5 is a diagram illustrating a feedback controller of a potential gradient microscope according to one embodiment.
6A and 6B are diagrams illustrating the vibration amplitude and phase of the cantilever in a potential gradient microscope, respectively, according to one embodiment.
7 is a diagram illustrating materials to be imaged.
Figure 8 is a diagram illustrating imaging results at fast feedback and low feedback.
Figure 9 is a diagram illustrating imaging results according to an increase in I gain.
Figures 10 and 11 are diagrams illustrating imaging results from two scans, respectively.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Below, with reference to the attached drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily implement the present invention. However, the present invention may be implemented in many different forms and is not limited to the embodiments described herein. In order to clearly explain the present invention in the drawings, parts that are not related to the description are omitted, and similar parts are given similar reference numerals throughout the specification.
아래 설명에서 단수로 기재된 표현은 "하나" 또는 "단일" 등의 명시적인 표현을 사용하지 않은 이상, 단수 또는 복수로 해석될 수 있다.In the description below, expressions described as singular may be interpreted as singular or plural, unless explicit expressions such as “one” or “single” are used.
도면을 참고하여 설명한 흐름도에서, 동작 순서는 변경될 수 있고, 여러 동작들이 병합되거나, 어느 동작이 분할될 수 있고, 특정 동작은 수행되지 않을 수 있다.In the flowchart described with reference to the drawings, the order of operations may be changed, several operations may be merged, certain operations may be divided, and certain operations may not be performed.
이제 도 1 내지 도 11을 참고로 하여 다양한 실시예에 따른 전위 구배 현미경과 그 구동 방법에 대해서 설명한다.Now, with reference to FIGS. 1 to 11 , a potential gradient microscope and its driving method according to various embodiments will be described.
도 1은 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경을 예시하는 도면이며, 도 2는 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경의 검출기를 예시하는 도면이고, 도 3은 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경에 사용되는 프로브와 재료를 예시하는 도면이다.1 is a diagram illustrating a potential gradient microscope according to an embodiment, FIG. 2 is a diagram illustrating a detector of the potential gradient microscope according to an embodiment, and FIG. 3 is a diagram illustrating a detector used in the potential gradient microscope according to an embodiment. This is a drawing illustrating the probe and materials.
도 1을 참고하면, 전위 구배 현미경은 SPM을 이용하여 표면 전위 구배를 영상화하는 현미경으로, 프로브(110), 캔틸레버 홀더(120), 제어 시스템(130) 및 검출기(140)를 포함한다. Referring to FIG. 1, a potential gradient microscope is a microscope that images a surface potential gradient using SPM, and includes a
프로브(110)는 칩(111)과 칩 끝에 달려 있는 캔틸레버(112), 그리고 캔틸레버 끝에 달려있는 프로브 팁(또는 SPM 팁)(113)을 포함하며, 프로브 팁(113)은 재료(150)의 표면을 스캔하는데 사용된다. 캔틸레버(112)와 프로브 팁(113)에는 전도성 물질이 도포된다. 전도성 물질은 예를 들면 백금(Pt), 이리듐(Ir), 크롬(Cr), 티타늄(Ti) 또는 전도성 다이아몬드(conductive diamond) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.The
어떤 실시예에서, 재료(150)는 재료(150)의 구성, 상태 및 특성에 따라 다른 표면 전위를 가지는 강유전체(ferroelectrics), 산화물 반도체(oxide semiconductors), 금속(metals), 이종 물질(composites) 또는 블록 공중합체(block copolymers) 중 적어도 하나로 이루어질 수 있다.In some embodiments,
도 1과 도 2를 참고하면, 캔틸레버 홀더(120)에 포함된 액추에이터(도시하지 않음)는 칩(111)을 물리적으로 진동시켜서 캔틸레버(112)와 프로브 팁(113)의 움직임을 유발한다. 어떤 실시예에서, 액추에이터는 압전 액추에이터일 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2 , an actuator (not shown) included in the
제어 시스템(또는 제어 회로)(130)은 캔틸레버(112) 및 액추에이터(121)로 동작 신호를 인가하여서 전위 구배 현미경의 동작을 제어한다. 검출기(140)는 프로브 팁(113)의 위치를 검출하고, 프로브 팁(113)에 연결된 캔틸레버(112)의 위치의 편향을 지시하는 편향(deflection) 신호를 출력한다. 제어 시스템(130)은 검출기(140)에서 출력되는 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 재료(150)의 표면을 영상화한다.The control system (or control circuit) 130 controls the operation of the potential gradient microscope by applying operation signals to the
도 2를 참고하면, 검출기(140)는 광 출력기(141)와 광 센서(142)를 포함한다. 광 출력기(141)는 캔틸레버(112)에 입사하는 광 빔(143)을 제공하고, 광 센서(142)는 광 빔(143)의 반사 빔(144)을 감지한다. 어떤 실시예에서, 광 출력기(141)는 레이저, 예를 들면 다이오드 레이저를 포함하고, 광 센서(142)는 포토 다이오드, 예를 들면 위치 감지 광 다이오드(position-sensitive photo diode, PSPD)를 포함할 수 있다.Referring to FIG. 2, the
프로브 팁(113)의 움직임은 입사 광 빔(143)이 캔틸레버(112)에서 반사되는 반사 빔(144)의 반사각의 변화를 초래한다. 이는 광 센서(142) 상의 반사 빔(144)의 위치의 변화를 초래할 수 있다. 광 센서(142)에서 반사 빔(144)의 위치가 변화에 따른 편향 신호(145)를 출력한다. 따라서, 검출기(140)는 캔틸레버(112)에서 반사되고 광 센서(142)에 의해 검출되는 빔(144)을 사용하여 프로브 팁(113)의 움직임을 모니터링할 수 있다. 도 2에 도시한 것처럼, 캔틸레버(112)의 진동에 따라 반사 빔(144)의 위치도 수직 방향으로 편향되며, 수직 방향의 편향의 크기의 진폭(전압 단위)을 가지는 편향 신호(145)가 출력될 수 있다.Movement of the
전위 구배 현미경으로 재료(150)를 영상화하기 위해, 프로브 팁(113)으로 재료(150)를 스캔하는 동작이 수행된다. 어떤 실시예에서, KPFM의 진폭 변조(amplitude modulation, AM) 모드, 즉 AM-KPFM의 스캔이 수행될 수 있다. 어떤 실시예에서, 프로브(110) 및 캔틸레버(112)는 캔틸레버 홀더(120)에 고정되어 xy 평면상에서 움직이지 않고, 재료(150)가 놓인 스테이지가 xy 평면상에서 이동해서 스캔이 수행될 수 있다. 이 경우, 캔틸레버(112)의 프로브 팁(113)이 재료(150)의 표면에서 소정 거리만큼 떨어진 높이에서 스캔이 진행될 수 있다. 이러한 스캔을 냅 모드(nap mode)의 스캔이라 한다. 어떤 실시예에서, 두 번의 스캔이 수행될 수 있다. 이 경우, 냅 모드의 스캔(두 번째 스캔)이 진행되기 전에, 캔틸레버(112)의 프로브 팁(113)의 재료(150)의 표면을 태핑(tapping)하지 않는 범위에서 진동하는 스캔(첫 번째 스캔)이 수행될 수 있다.To
어떤 실시예에서, 두 번째 스캔 시에, 캔틸레버(112)의 프로브 팁(113)이 트레이스(trace) 방향으로 한 라인을 스캔한 후에, 트레이스 방향의 반대 방향(리트레이스(retrace) 방향)으로 같은 라인을 스캔할 수 있다. 이러한 스캔을 고속(fast) 스캔이라 한다. 다음, 한 라인을 이동한 후에, 다음 라인에서 다시 고속 스캔이 수행될 수 있다. 한 라인을 이동하는 스캔을 저속(slow) 스캔이라 한다.In some embodiments, during the second scan, the
도 3을 참고하면, 첫 번째 스캔(S310)에서, 제어 시스템(130)은 캔틸레버 홀더(120)에 포함된 액추에이터에 동작 신호를 인가하여 액추에이터를 동작시킨다. 이에 따라, 액추에이터는 프로브(110) 및 캔틸레버(112)를 물리적으로 진동시켜서 프로브 팁(113)의 움직임을 유발한다. 어떤 실시예에서, 캔틸레버(112)는 액추에이터의 고조파(resonance) 공명 진동으로 인해 1차 고조파 공명(first harmonic resonance) 근처에서 물리적으로 진동하고, 캔틸레버(112)와 재료(150) 사이의 인력 구간(attractive regime)의 높이에서 프로브 팁(113)의 끝이 재료(150)의 재료 표면(topography)(151)을 태핑하지 않는 범위에서 진동한다. 첫 번째 스캔을 통해 표면 형상을 스캔할 수 있다. 표면 형상을 스캔한 후에 냅 모드의 스캔이 수행될 수 있다.Referring to FIG. 3, in the first scan (S310), the
두 번째 스캔(S320), 즉 냅 모드의 스캔에서, 재료의 표면 전위(152)를 측정하기 위해, 프로브 팁(113)의 끝을 재료(150)의 표면에서 소정 거리만큼 떨어진 높이로 설정한 상태에서, 제어 시스템(130)은 캔틸레버(112)에 교류(AC) 파형의 전압을 인가한다. 이러한 소정 거리는 예를 들면 10~50 nm일 수 있다. 어떤 실시예에서, AC 파형의 전압은 사인 파형의 전압(Vacsin(ωt))일 수 있다. 그러면 캔틸레버(112)는 재료(150)와의 정전기력에 의해 전기적으로 1차 고조파 공명 근처에서 진동한다. 이 경우, 프로브 팁(113)에 가해진 AC 파형의 전압, DC 전압 및 높이 등에 의해 캔틸레버(112)의 공명 진폭과 위상이 결정된다. 따라서, 제어 시스템(130)은 캔틸레버(112)의 진동에 따라 검출된 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 재료(150)를 영상화한다.In the second scan (S320), that is, a scan in nap mode, in order to measure the
도 4는 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경의 제어 시스템을 예시하는 도면이며, 도 5는 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경의 피드백 제어기를 예시하는 도면이다.FIG. 4 is a diagram illustrating a control system of a potential gradient microscope according to an embodiment, and FIG. 5 is a diagram illustrating a feedback controller of a potential gradient microscope according to an embodiment.
도 4를 참고하면, 제어 시스템(130)은 신호 생성기(131), 디지털 아날로그 변환기(digital analog converter, DAC)(132), 아날로그 디지털 변환기(analog digital converter, ADC)(133), 락인 증폭기(lock-in amplifier), 제어기(136) 및 피드백 제어기(137)를 포함한다.Referring to FIG. 4, the
2차 스캔에서, 신호 생성기(131)는 직류(DC) 전압(Vdc)과 교류(AC) 전압(Vacsin(ωt))을 기초해서 DC 옵셋(Vdc)을 가지는 AC 파형(Vdc+Vacsin(ωt))을 생성한다. 어떤 실시예에서, 신호 생성기(131)는 AC 전압(Vacsin(ωt))을 생성하기 위해 직접 디지털 합성기(direct digital synthesizer, DDS)를 포함할 수 있다. 또한, 신호 생성기(131)는 피드백 제어기(137)로부터 DC 옵셋(Vdc)을 수신할 수 있다. DAC(132)는 신호 생성기(131)에서 생성된 AC 파형을 아날로그 신호로 변환하고, 변환한 아날로그 신호를 캔틸레버(예를 들면, 도 1의 112)에 인가한다.In the second scan, the
ADC(133)는 AC 파형의 인가에 따라 검출기(예를 들면, 도 1의 140)에서 검출한 편향 신호를 디지털 신호로 변환한다. 한 락인 증폭기는 혼합기(134a)와 저역 필터(low pass filter, LPF)(134b)를 포함하며, 혼합기(134a)를 통해 편향 신호에 사인 파형(Vacsin(ωt))의 기준 신호를 혼합하고, LPF(134b)를 통해 혼합된 신호를 필터링하여 편향 신호의 실수 성분(q)을 추출한다. 다른 락인 증폭기는 혼합기(135a)와 LPF(135b)를 포함하며, 혼합기(135a)를 통해 편향 신호에 코사인 파형(Vaccos(ωt))의 기준 신호를 혼합하고, LPF(135b)를 통해 혼합된 신호를 필터링하여 편향 신호의 허수 성분(i)을 추출한다. 제어기(136)는 편향 신호의 실수 성분(q)과 허수 성분(i)에 기초해서 편향 신호의 위상(φ)과 진폭(R)을 결정한다. 편향 신호의 위상(φ)과 진폭(R)은 각각 수학식 1 및 2와 같이 주어진다.The
피드백 제어기(137)는 편향 신호를 피드백받아서 DC 옵셋(Vdc)의 크기를 제어한다. 피드백 제어기(137)는 비례(proportional, P) 이득(gain)과 적분(integral, I) 이득을 제어할 수 있다. 어떤 실시예에서, 피드백 제어기(137)는 P 이득과 I 이득을 제어하는 비례-적분-미분(proportional-integral-differential, PID) 제어기 또는 비례-적분(proportional-integral, PI) 제어기를 포함할 수 있다.The
도 5를 참고하면, 어떤 실시예에서, 피드백 제어기(137)는 감산기(137a), 제어값 계산기(137b), 합산기(137c) 및 처리기(137d)를 포함할 수 있다.Referring to Figure 5, in some embodiments, the
감산기(137a)는 기준 전압(Vref)과 피드백 제어기(137)의 출력(Vdc)을 감산하여 에러 값(e(t))을 출력한다. 제어값 계산기(137b)는 P 이득(Kp), I 이득(Ki) 및 미분(differential, D) 이득(Kd)을 결정하고, P 이득(Kp), I 이득(Ki), D 이득(Kd) 및 에러 값(e(t))에 기초해서 P 이득 제어 값, I 이득 제어 값 및 D 이득 제어 값을 계산한다. 합산기(137c)는 P 이득 제어 값, I 이득 제어 값 및 D 이득 제어 값을 합산하여 제어 값을 출력한다. 처리기(137d)는 편향 신호의 진폭(VCPD)과 제어 값을 처리하여서 DC 옵셋(Vdc)을 출력한다.The subtractor 137a subtracts the reference voltage (V ref ) and the output (V dc ) of the
피드백 제어기(137)에서 P 이득과 I 이득이 높으면 피드백 제어가 빨라지고, P 이득과 I 이득이 낮으면 피드백 제어가 느려진다.In the
한편, 2차 스캔에서, 캔틸레버(112)(캔틸레버(112)의 프로브 팁(113))와 재료(150) 사이의 정전기력(electrostatic force, Fes)은 수학식 3과 같이 주어진다.Meanwhile, in the second scan, the electrostatic force (F es ) between the cantilever 112 (
수학식 3에서, C는 프로브 팁(113)과 재료(150) 사이의 커패시턴스(capacitance)이고, 는 프로브 팁(113)과 재료(150) 사이 커패시턴스 구배이며, V는 프로브 팁(113)과 재료(150) 사이의 전위차이다. 이러한 전위차는 재료(150)의 표면 전위를 나타낼 수 있다.In
프로브 팁(113)과 재료(150) 사이의 전위차(V)는 제어 시스템에서 인가되는 DC 전압(Vdc)과 교류 파형의 전압(Vacsin(ωt)) 및 프로브 팁(113)과 재료(150) 사이의 접촉 전위차(contact potential difference, CPD)(VCPD)에 의해 결정된다. 프로브 팁(113)과 재료(150) 사이의 전위차(V)는 수학식 4와 같이 주어질 수 있다. 페르미 레벨(Fermi level)이 다른 프로브 팁(113)과 재료(150)가 접촉했을 때, 프로브 팁(113)과 재료(150)의 페르미 레벨이 같아지도록 정렬되어 평형을 이루게 된다. 그러면 프로브 팁(113)과 재료(150)의 일함수(work function) 차이만큼 진공 준위 차이가 생긴다. 프로브 팁(113)과 재료(150)의 일함수 차이로 생기는 진공 준위차를 접촉 전위차(VCPD)라 한다.The potential difference (V) between the
수학식 4에 기초해서 수학식 3은 수학식 5와 같이 다시 쓸 수 있다.Based on
수학식 5에서 1차 고조파 성분은 수학식 6과 같이 주어지고, 은 DC 성분이고, 은 2차 고조파(second harmonic resonance) 성분이다. 프로브 팁(113)과 재료(150) 사이의 정전기력(Fes)은 주파수 대역에서 1차 고조파 성분에 지배적으로 영향을 받는다.In Equation 5, the first harmonic component is given as Equation 6, is the DC component, is the second harmonic resonance component. The electrostatic force (F es ) between the
제어 시스템(130)의 피드백 제어기(137)는 1차 고조파 성분이 최소화되도록(예를 들면, (Vdc-VCPD)(도 6a 및 도 6b의 620)가 0이 되도록) 피드백을 통해 DC 옵셋(Vdc)을 설정한다. 이 경우, 제어 시스템(130)의 피드백 제어기(137)의 피드백 제어가 느릴 경우(즉, P 이득이 제1 임계 값보다 낮고, I 이득이 제2 임계 값보다 낮은 경우), 1차 고조파 성분의 (Vdc-VCPD)의 크기가 커져 캔틸레버의 공명 진폭(즉, 편향 신호의 진폭)이 커진다. 이러한 공명 진폭은 전위 구배(potential gradient)가 높은 곳에서 커지고, 캔틸레버의 스캔 방향과 전위 구배 방향에 따라 캔틸레버(112)의 진동의 위상도 결정된다. 위상은 (Vdc-VCPD)(도 6a 및 도 6b의 620)가 양수일 때 0도이고 음수일 때 180도가 된다. 따라서, 제어 시스템(130)은 편향 신호의 진폭과 위상을 이용하여 재료를 영상화할 수 있다.The
도 6a와 도 6b는 각각 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경에서 캔틸레버의 진동 진폭 및 위상을 예시하는 도면이다.6A and 6B are diagrams illustrating the vibration amplitude and phase of the cantilever in a potential gradient microscope, respectively, according to one embodiment.
도 6a와 도 6b에 도시한 것처럼, 표면 전위(610)가 높은 곳에서 낮은 곳으로 캔틸레버(112)가 스캔 시에, 피드백 제어가 느려 Vdc가 변화하는 VCPD를 따라가지 못해 (Vdc-VCPD)(620)는 양수가 되어 편향 신호의 위상(630)이 0도가 된다(도 6a의 ①, ③, 도 6b의 ②, ④). 이때, 전위 구배가 가장 큰 부분에서 (Vdc-VCPD)(620)의 절대값이 가장 커서 진폭(640)이 가장 크게 된다. 반대로, 표면 전위(610)가 낮은 곳에서 높은 곳으로 캔틸레버(112)가 스캔 시에, 피드백 제어가 느려 Vdc가 변화하는 VCPD를 따라가지 못해 (Vdc-VCPD)(620)는 음수가 되어 편향 신호의 위상(630)이 180도가 된다(도 6a의 ②, ④, 도 6b의 ①, ③). 이때, 전위 구배가 가장 큰 부분에서 (Vdc-VCPD)(620)의 절대값이 가장 커서 진폭(640)이 가장 크게 된다.As shown in FIGS. 6A and 6B, when the
따라서, 제어 시스템은 편향 신호의 진폭과 위상 변화에 기초해서 재료를 영상화할 수 있다.Accordingly, the control system can image the material based on the amplitude and phase changes of the deflection signal.
다음, 한 실시예에 따른 전위 구배 현미경에서 재료를 영상화한 예에 대해서 설명한다.Next, an example of imaging a material using a potential gradient microscope according to an embodiment will be described.
도 7은 영상화할 재료를 PFM과 KPFM으로 영상화한 결과를 예시하는 도면이며, 도 8은 빠른 피드백과 낮은 피드백에서의 영상화 결과를 예시하는 도면이고, 도 9는 I 이득의 증가에 따른 영상화 결과를 예사하는 도면이며, 도 10 및 도 11은 각각 두 번의 스캔에 따른 영상화 결과를 예시하는 도면이다.Figure 7 is a diagram illustrating the results of imaging the material to be imaged with PFM and KPFM, Figure 8 is a diagram illustrating the imaging results at fast feedback and low feedback, and Figure 9 is a diagram illustrating the imaging results according to the increase in I gain. This is an illustrative drawing, and FIGS. 10 and 11 are diagrams illustrating imaging results following two scans, respectively.
도 7에 도시한 것처럼, 도 8 내지 도 11의 영상화에서는 재료로 박스 형태의 강유전체 도메인이 사용된다. 어떤 실시예에서, 강유전체 박막에 프로브 팁을 이용하여 박스 패턴 강유전체 도메인을 만들 수 있다. 이 경우, 프로브 팁은 그라운드 상태이고(VTip=0), 외부 박스의 하부 전극에는 항전기장(coercive voltage, ±2 V)의 2~3배 큰 +6 V, 내부 박스의 하부 전극에는 -6 V를 인가해서, 외부 박스는 필름 위로(+z-axis), 내부 박스는 필름 아래로(-z-axis) 향하는 박스 패턴 강유전체 도메인을 만들 수 있다. 실시예의 결과로, 내부 박스와 전체 박스의 외부에서 PFM 위상은 0도(강유전체 분극이 필름 아래로 향하는 방향)이고, KPFM의 CPD는 상대적으로 높은 값을 가지며, 외부 박스에서 PFM 위상은 180도(강유전체 분극이 필름 위로 향하는 방향)이고, KPFM의 CPD는 상대적으로 낮은 값을 가지게 되어 전위 구배는 각 박스의 경계에서 가장 높은 값을 가진다. 어떤 실시예에서, 강유전체로 타이타늄산 바륨(barium titanate, BaTiO3), 티탄산 지르콘산 연(lead zirconate titanate, PZT) 또는 리튬 나이오베이트(lithium niobite, LiNbO3) 등의 세라믹이나 폴리비닐이딘 플루오라이드(polyvinylidene fluoride) 또는 폴리비닐이딘 플루오라이드-코-트리플루오로데틸렌(poly[(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene) 등의 고분자가 사용될 수 있다.As shown in FIG. 7, a box-shaped ferroelectric domain is used as a material in the imaging of FIGS. 8 to 11. In some embodiments, a box pattern ferroelectric domain can be created using a probe tip in a ferroelectric thin film. In this case, the probe tip is grounded (V Tip = 0), the lower electrode of the outer box is +6 V, which is 2 to 3 times larger than the coercive voltage (±2 V), and the lower electrode of the inner box is -6 V. By applying V, a box-pattern ferroelectric domain can be created with the outer box facing above the film (+z-axis) and the inner box facing down the film (-z-axis). As a result of the example, in the inner box and outside the entire box, the PFM phase is 0 degrees (the direction in which the ferroelectric polarization is down the film), the CPD of the KPFM has a relatively high value, and in the outer box the PFM phase is 180 degrees ( The ferroelectric polarization is toward the top of the film), and the CPD of KPFM has a relatively low value, so the potential gradient has the highest value at the boundary of each box. In some embodiments, the ferroelectric is a ceramic such as barium titanate (BaTiO 3 ), lead zirconate titanate (PZT), or lithium niobite (LiNbO 3 ), or polyvinylidine fluoride. Polymers such as polyvinylidene fluoride or polyvinylidene fluoride-co-trifluoroethylene (poly[(vinylidenefluoride-co-trifluoroethylene)) may be used.
어떤 실시예에서, 재료로 저항변화 메모리(resistive random-access memory, ReRAM) 금속 산화물이 사용될 수 있다. 이 경우, 금속 산화물(예를 들면, TiO2) 박막에 프로브 팁을 이용하여 고저항 상태와 저저항 상태 구역을 만들 수 있다. 이 경우, 프로브 팁은 그라운드 상태이고(VTip=0), 고저항 상태는 하부 전극에 0 V에서 -10 V까지 인가하고, 저저항 상태는 하부 전극에 0 V에서 -10 V까지 인가하고 다시 0 V까지 인가한 뒤 +10 V까지 인가해서 만들 수 있다.In some embodiments, resistive random-access memory (ReRAM) metal oxide materials may be used. In this case, high-resistance state and low-resistance state regions can be created in a metal oxide (eg, TiO 2 ) thin film using a probe tip. In this case, the probe tip is in the ground state (V Tip = 0), and in the high-resistance state, 0 V to -10 V is applied to the lower electrode, and in the low-resistance state, 0 V to -10 V is applied to the lower electrode and then again. It can be made by applying up to 0 V and then up to +10 V.
도 8 내지 도 11에서는 냅 모드의 스캔에서 재료의 표면 전하 상태를 영상화하기 위해, 표면에서 떨어진 높이는 30 nm이고, 캔틸레버에 인가된 DC 전압(Vdc)은 +7.5 V이고, 캔틸레버에 인가된 사인 파형(Vacsin(wt))의 진폭은 0.5 V인 조건에서, 약 5 nm 진동 진폭을 가지는 공명 근처에서 측정이 수행되었다.8 to 11, to image the surface charge state of the material in a scan in nap mode, the height away from the surface is 30 nm, the DC voltage (V dc ) applied to the cantilever is +7.5 V, and the sine applied to the cantilever is Measurements were performed near resonance with an oscillation amplitude of approximately 5 nm, under the condition that the amplitude of the waveform (V ac sin(wt)) was 0.5 V.
도 8에 도시한 것처럼, 보통의 AM-KPFM 영상화 조건인 높은 이득(예를 들면, I 이득이 80이고 P 이득이 20)을 가지는 빠른 피드백에서, 영상화된 이미지(nap mode의 진폭과 위상)는 뚜렷한 값을 가지지 않았다. 반면, 낮은 이득(예를 들면, I 이득이 3이고 P 이득이 0)을 가지는 느린 피드백에서, 진폭은 전위 구배 구역(강유전체 도메인 경계)에서 뚜렷한 값을 가졌고, 캔틸레버 스캔 방향에 따라 전위 구배 구역(강유전체 도메인 경계)에서 0도 혹은 180도의 뚜렷한 위상을 가졌다. 캔틸레버가 오른쪽으로 움직이는 트레이스(T) 스캔에서는 표면 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 변하는 ①, ③에서는 위상이 0도이고, 표면 전위가 낮은 곳에서 높은 곳으로 변하는 ②, ④ 구역에서는 위상이 180도이다. 반면, 캔틸레버가 왼쪽으로 움직이는 리트레이스(R) 스캔에서는 표면 전위가 높은 곳에서 낮은 곳으로 변하는 ②, ④ 구역에서는 위상이 0도이고, 표면 전위가 낮은 곳에서 높은 곳으로 변하는 ①, ③ 구역에서는 위상이 180도이다. 이와 같이, 전위 구배 구역에서의 진폭과 위상을 통해 강유전체 도메인이 영상화될 수 있다.As shown in Figure 8, under fast feedback with high gain (e.g., I gain of 80 and P gain of 20), which is the normal AM-KPFM imaging condition, the imaged image (amplitude and phase of nap mode) is It had no clear value. On the other hand, in slow feedback with low gain (e.g., I gain of 3 and P gain of 0), the amplitude had a distinct value in the potential gradient region (ferroelectric domain boundary) and the potential gradient region (ferroelectric domain boundary) along the cantilever scan direction. It had a distinct phase of 0 or 180 degrees at the ferroelectric domain boundary. In a trace (T) scan where the cantilever moves to the right, the phase is 0 degrees in
도 9에 도시한 것처럼, P 이득을 0으로 설정한 상태에서, I 이득을 변경하면서 재료를 영상화한 결과, 낮은 I 이득에서는 표면 전위가 측정되고 전위 구배 구역에서 큰 공명 진폭과 위상이 나타났다. 그러나 I 이득이 증가할수록 공명 진폭과 위상의 두께는 얇아졌고, 대략 I 이득이 20을 넘는 경우 진폭과 위상에 뚜렷한 노이즈가 발생하여서 영상화가 어려운 것을 알 수 있다. 마찬가지로, 도시하지는 않았지만, I 이득을 0보다 큰 값으로 설정한 상태에서 P 이득을 변경하면서 재료를 영상화한 결과, P 이득이 증가할수록 공명 진폭의 변화 범위가 줄어들었다.As shown in Figure 9, the material was imaged with the P gain set to 0 and the I gain varied. At low I gains, the surface potential was measured and large resonance amplitudes and phases were observed in the potential gradient region. However, as the I gain increases, the thickness of the resonance amplitude and phase becomes thinner, and when the I gain exceeds approximately 20, distinct noise occurs in the amplitude and phase, making imaging difficult. Likewise, although not shown, when imaging the material while changing the P gain with the I gain set to a value greater than 0, the range of change in resonance amplitude decreased as the P gain increased.
도 10 및 도 11에 도시한 것처럼, 스캔 방향이 90도 차이가 나도록 2번 실행함으로써 강유전체 도메인 경계를 영상화할 수 있다. 도 10은 스캔 각도를 각각 0도와 90로 설정해서 영상화를 수행한 이미지를 나타내고, 도 11은 스캔 각도를 각각 45도와 -45도로 설정해서 영상화를 수행한 이미지를 나타낸다.As shown in Figures 10 and 11, the ferroelectric domain boundary can be imaged by performing the scan twice with a 90-degree difference in scan direction. Figure 10 shows an image for which imaging was performed by setting the scan angles to 0 degrees and 90 degrees, respectively, and Figure 11 shows an image for which imaging was performed by setting the scan angles to 45 degrees and -45 degrees, respectively.
이상에서 설명한 것처럼, 어떤 실시예에 따르면, 전위 구배 현미경은 기존 KPFM의 AM 모드(AM-KPFM)를 이용할 수 있다. 기존 KPFM은 두 번의 스캔을 통해 표면 형상과 표면 전위를 영상화하는 기술이다. AM-KPFM은 표면 형상을 스캔하는 첫 번째 스캔 이후 표면에서 소정 거리만큼 떨어진 높이에서 측정하는 두 번째 스캔(냅 모드)을 수행하고, 두 번째 스캔에서 캔틸레버와 재료 사이 정전기력에 의한 캔틸레버의 진동 진폭이 최소화되는 팁 전위를 측정함으로써 표면 전위를 영상화한다. AM-KPFM에서는 진동 진폭의 피드백을 통해 이 진폭을 최소화하기 위해 측정시 이득(P 이득과 I 이득)을 높인다. 반대로, 어떤 실시예에서는 이득을 낮추게 되면 진동 진폭을 증가시킬 수 있다. 이 경우, 전위 구배가 높은 곳에서 특히 진동 진폭이 커지게 되며, 캔틸레버의 스캔 방향과 전위 구배 방향에 따라 캔틸레버 진동의 위상도 결정될 수 있다. 따라서, 어떤 실시예에 따른 전위 구배 현미경은 낮은 이득에서 발생하는 캔틸레버 진동 진폭과 진동 위상을 이용하여 전위 구배가 높은 곳을 영상화할 수 있다. 이에 따라, 재료의 특성을 변화시키지 않고 종래 기술보다 쉽고 측정 조건이 용이한 영상화를 구현할 수 있다.As described above, according to some embodiments, the potential gradient microscope may utilize the existing AM mode of KPFM (AM-KPFM). The existing KPFM is a technology that images surface shape and surface potential through two scans. AM-KPFM performs a second scan (nap mode) measuring the height at a predetermined distance from the surface after the first scan to scan the surface shape, and in the second scan, the vibration amplitude of the cantilever due to the electrostatic force between the cantilever and the material is measured. The surface potential is imaged by measuring the tip potential that is minimized. In AM-KPFM, the gain (P gain and I gain) is increased during measurement to minimize this amplitude through feedback of the vibration amplitude. Conversely, in some embodiments, lowering the gain can increase the vibration amplitude. In this case, the vibration amplitude becomes particularly large in places where the potential gradient is high, and the phase of the cantilever vibration can also be determined depending on the scan direction of the cantilever and the direction of the potential gradient. Accordingly, the potential gradient microscope according to some embodiments can image areas where the potential gradient is high using the cantilever vibration amplitude and vibration phase that occur at low gain. Accordingly, imaging can be implemented with easier measurement conditions than the prior art without changing the properties of the material.
어떤 실시예에서, 전위 구배 현미경은 재료 내의 표면 전위 구배가 높은 국부적 지역을 영상화 수 있고 이를 통해 강유전체 도메인 경계나 상이 물질 경계 또는 상이 특성을 가지는 구역을 영상화할 수 있다. 또한, 전위 구배 현미경은 비접촉식(non-contact) 영상화 기술로서, 재료 표면 전위나 표면 전하 등을 변화시키지 않고 영상화할 수 있다.In some embodiments, potential gradient microscopy may image localized regions of high surface potential gradients within a material, thereby imaging ferroelectric domain boundaries, dissimilar material boundaries, or regions of different properties. Additionally, potential gradient microscopy is a non-contact imaging technology, and can image without changing the surface potential or surface charge of the material.
어떤 실시예에서, 전위 구배 현미경운 측정 조건이 까다롭고 복잡한 KPFM 영상화의 한계점을 개선하고, 손쉽게 표면 전위 구배를 측정함으로써 종래 영상화 기술의 한계를 보안할 수 있다. 이러한 전위 구배 현미경은 강유전체 도메인, 표면 전하, 상이 물질 구분 등 다양한 분야에 쓰일 수 있다.In some embodiments, the limitations of KPFM imaging, where the conditions for measuring potential gradient microscopic clouds are difficult and complicated, can be improved, and the limitations of conventional imaging technology can be secured by easily measuring surface potential gradients. This potential gradient microscope can be used in various fields such as ferroelectric domains, surface charges, and differentiating materials.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements made by those skilled in the art using the basic concept of the present invention defined in the following claims are also possible. It falls within the scope of rights.
Claims (18)
상기 팁이 재료의 표면으로부터 소정 거리만큼 떨어진 상태에서 상기 재료를 스캔하는 동안, 상기 캔틸레버에 입사하는 광 빔을 제공하고 상기 광 빔이 상기 캔틸레버에서 반사하는 반사 빔을 감지하여 편향 신호를 검출하는 검출기, 그리고
상기 재료를 스캔하는 동안 직류 전압과 교류 파형의 전압을 상기 캔틸래버에 인가하며, 상기 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 상기 재료를 영상화하는 제어 시스템
을 포함하는 전위 구배 현미경.a cantilever with a tip,
A detector that detects a deflection signal by providing a light beam incident on the cantilever and detecting a reflected beam that the light beam reflects off the cantilever while scanning the material while the tip is a predetermined distance away from the surface of the material. , and
A control system that applies direct current and alternating current voltages to the cantilever while scanning the material and images the material based on the amplitude and phase of the deflection signal.
Potential gradient microscopy including.
상기 재료를 스캔하는 모드는 AM-KPFM(amplitude modulation Kelvin probe force microscopy)의 냅 모드에 해당하는, 전위 구배 현미경.In paragraph 1:
The mode for scanning the material corresponds to the napped mode of AM-KPFM (amplitude modulation Kelvin probe force microscopy), potential gradient microscopy.
상기 냅 모드의 스캔 전에, 상기 제어 시스템은 상기 재표의 표면을 태핑하지 않는 범위에서 진동하는 스캔을 통해 상기 재료의 표면을 형상화하는, 전위 구배 현미경In paragraph 2,
Before the scan in the nap mode, the control system shapes the surface of the material through an oscillating scan in a range that does not tap the surface of the material.
상기 제어 시스템은, 상기 편향 신호의 진폭의 피드백에 따라 상기 진류 전압과 상기 편향 신호의 진폭의 차이를 최소화하도록 제어하는 피드백 제어기를 포함하는, 전위 구배 현미경.In paragraph 1:
The control system includes a feedback controller that controls to minimize the difference between the true voltage and the amplitude of the deflection signal according to the feedback of the amplitude of the deflection signal.
상기 피드백 제어기는 비례-적분-미분(proportional-integral-differential, PID) 제어기 또는 비례-적분(proportional-integral, PI) 제어기를 포함하며,
상기 제어 시스템은 상기 피드백 제어기의 비례 이득을 제1 임계 값보다 낮게, 상기 피드백 제어기의 적분 이득을 제2 임계 값보다 낮게 설정하는
전위 구배 현미경.In paragraph 4,
The feedback controller includes a proportional-integral-differential (PID) controller or a proportional-integral (PI) controller,
The control system sets the proportional gain of the feedback controller lower than a first threshold and the integral gain of the feedback controller lower than a second threshold.
Potential gradient microscopy.
상기 제1 임계 값은 20인, 전위 구배 현미경.In paragraph 5,
Potential gradient microscopy, wherein the first threshold is 20.
상기 제2 임계 값은 20인, 전위 구배 현미경.In paragraph 5,
wherein the second threshold is 20.
상기 제어 시스템은 스캔 방향에 따라 상기 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 상기 재료를 영상화하는, 전위 구배 현미경.In paragraph 1:
wherein the control system images the material based on the amplitude and phase of the deflection signal along the scan direction.
상기 스캔 방향은 제1 스캔 방향과 상기 제1 스캔 방향과 90도의 차이를 가지는 제2 스캔 방향을 포함하는, 전위 구배 현미경.In paragraph 8:
The scan direction includes a first scan direction and a second scan direction having a difference of 90 degrees from the first scan direction.
상기 교류 파형은 사인 파형인, 전위 구배 현미경.In paragraph 1:
Potential gradient microscopy, wherein the alternating current waveform is a sinusoidal waveform.
상기 캔틸레버는 전도성 물질이 도포되어 있는, 전위 구배 현미경.In paragraph 1:
A potential gradient microscope in which the cantilever is coated with a conductive material.
상기 전도성 물질은 백금(Pt), 이리듐(Ir), 크롬(Cr) 또는 전도성 다이아몬드(conductive diamond) 중 적어도 하나로 이루어지는, 전위 구배 현미경.In paragraph 11:
The conductive material is made of at least one of platinum (Pt), iridium (Ir), chromium (Cr), or conductive diamond.
상기 재료는 강유전체(ferroelectrics), 산화물 반도체(oxide semiconductors), 금속(metals), 이종 물질(composites) 또는 블록 공중합체(block copolymers) 중 적어도 하나로 이루어지는, 전위 구배 현미경.In paragraph 1:
The material is a potential gradient microscope consisting of at least one of ferroelectrics, oxide semiconductors, metals, composites, or block copolymers.
상기 팁이 재료의 표면으로부터 소정 거리만큼 떨어진 상태에서 상기 재료를 스캔하는 단계,
상기 재료를 스캔하는 동안, 직류 전압과 교류 파형의 전압을 상기 캔틸래버에 인가하는 단계,
상기 재료를 스캔하는 동안, 상기 캔틸레버에 입사하는 광 빔을 제공하는 단계,
상기 광 빔이 상기 캔틸레버에서 반사하는 반사 빔을 감지하여 편향 신호를 검출하는 단계, 그리고
상기 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 상기 재료를 영상화하는 단계
를 포함하는 구동 방법.A method of driving a potential gradient microscope including a cantilever with a tip, comprising:
scanning the material while the tip is a predetermined distance away from the surface of the material;
Applying voltages in the form of direct current and alternating current waveforms to the cantilever while scanning the material,
providing a light beam incident on the cantilever while scanning the material,
detecting a deflection signal by detecting a reflected beam that the light beam reflects from the cantilever, and
imaging the material based on the amplitude and phase of the deflection signal.
A driving method comprising:
상기 편향 신호의 진폭의 피드백에 따라 상기 진류 전압과 상기 편향 신호의 진폭의 차이를 최소화하도록 피드백 제어를 수행하는 단계를 더 포함하는 구동 방법.In paragraph 14:
A driving method further comprising performing feedback control to minimize a difference between the true voltage and the amplitude of the deflection signal according to the feedback of the amplitude of the deflection signal.
상기 피드백 제어를 수행하는 단계는 비례-적분-미분(proportional-integral-differential, PID) 제어기 또는 비례-적분(proportional-integral, PI) 제어기를 이용해서 상기 피드백 제어를 수행하는 단계를 포함하며,
상기 피드백 제어에 사용되는 비례 이득이 제1 임계 값보다 낮고, 상기 피드백 제어에 사용되는 적분 이득이 제2 임계 값보다 낮은
구동 방법.In paragraph 15:
The step of performing the feedback control includes performing the feedback control using a proportional-integral-differential (PID) controller or a proportional-integral (PI) controller,
The proportional gain used for the feedback control is lower than the first threshold, and the integral gain used for the feedback control is lower than the second threshold.
How to drive.
상기 재료를 영상화하는 단계는 스캔 방향에 따라 상기 편향 신호의 진폭과 위상에 기초해서 상기 재료를 영상화하는 단계를 포함하는, 구동 방법.In paragraph 14:
Wherein imaging the material comprises imaging the material based on the amplitude and phase of the deflection signal along a scan direction.
상기 스캔 방향은 제1 스캔 방향과 상기 제1 스캔 방향과 90도의 차이를 가지는 제2 스캔 방향을 포함하는, 구동 방법.In paragraph 17:
The scan direction includes a first scan direction and a second scan direction having a difference of 90 degrees from the first scan direction.
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