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圧電体および強誘電体研究用のAFMツール

アサイラム・リサーチの走査型プローブ顕微鏡(scanning probe microscope)を用いて取得した圧電応答顕微鏡(piezoresponse force microscopy)のイメージ

圧電応答顕微鏡 (PFM, Piezoresponse force microscopy)は、エレクトロメカニカルな特性の評価に利用できる原子間力顕微鏡 (AFM, atomic force microscopy) 技術であり、圧電体や強誘電体、特定の生体材料など、多くの材料システムの機能のベースとなります。AFMの探針を介して電気的な刺激をサンプルに対して局所的に印加した際、同時に機械的応答が1〜100pm/V程度のオーダーで測定されます。この技術は、材料科学の基礎研究と、豊富な応用技術フィールドの両分野で役立ちます。アサイラム・リサーチは高度な独自の測定テクニックと機能を多数導入することで、クロストークのない高感度のPFM測定環境を提供しており、製品PFM技術の世界的リーダーとして評価を受けています。

Cypher AFM用のレーザー干渉変位計測 (IDS) オプションを使用すると、d33測定の再現性が高まり、アーティファクトを取り除くことができます。IDSは、従来の光てこによるたわみ検出法 (OBD, optical beam detection) において利用されているカンチレバー角度の代わりに、カンチレバーのたわみを直接測定します。IDSは、静電相互作用によるアーティファクトを除去します。下記の技術資料(ダウンロードしてご覧いただけます)にて、IDSによりPFM測定がどのように改善されるかについて紹介しています。

AFMに関する技術的なお問い合わせ
  • サンプルの電気機械的応答を固定周波数、または共振を追跡することで(DARTまたはバンド励起を使用して)イメージング
  • 感度向上のための、探針へのバイアス電圧の印加が可能:Cypher™ およびMFP 3D Infinity™ :最大±150 V、MFP 3D Origin™ およびMFP 3D Origin :最大±220 V
  • 圧電応答振幅「バタフライ」ループおよび位相「ヒステリシス」ループを生成するためのスイッチングスペクトロスコピー
  • ドメインや複雑なパターンを描画するための内蔵リソグラフィツール。 インポートしたビットマップのグレースケールを使用して探針へのバイアス電圧を連続的に変化させることが可能
  • 実空間の偏光方向を再構築するためのベクトルPFM
  • 多くの環境ステージおよびアクセサリに対応しており、加熱・冷却が可能。サンプルに対して湿度調整、ガスかん流、磁場印加も可能

圧電材料

  • 微小電気機械システム (MEMS, microelectromechanical system)
  • センサー・アクチュエータ
  • エネルギー貯蔵・ハーベスティング
  • RFフィルタ・スイッチ
  • ソナー
  • バランス・周波数標準
  • 巨大k誘電体
  • コンデンサ(キャパシタ)

強誘電材料

  • ドメインエン光学
  • 不揮発性メモリ
  • データストレージデバイス
  • ドメインのエネルギー論とダイナミクス

基礎材料科学

  • ドメイン
  • 相転移と臨界現象
  • サイズ効果
  • 核生成ダイナミクス
  • マルチフェロイック物質
  • 強誘電性ポリマー
  • 液晶
  • 複合材料
  • リラクサー強誘電体

バイオエレクトロメカニクス

  • 心臓
  • 聴覚
  • 細胞信号伝達
  • 構造エレクトロメカニクス
  • バイオセンサー

"Metal-free three-dimensional perovskite ferroelectrics," H.-Y. Ye, Y.-Y. Tang, P.-F. Li, W.-Q. Liao, J.-X. Gao, X.-N. Hua, H. Cai, P.-P. Shi, Y.-M. You, and R.-G. Xiong, Science 361, 151 (2018). https://doi.org/10.1126/science.aas9330

"Higher-eigenmode piezoresponse force microscopy: a path towards increased sensitivity and the elimination of electrostatic artifacts," G. A. MacDonald, F. W. DelRio, and J. P. Killgore, Nano Futures 2, 015005 (2018). https://doi.org/10.1088/2399-1984/aab2bc

"Domain-wall conduction in ferroelectric BiFeO3 controlled by accumulation of charged defects," T. Rojac, A. Bencan, G. Drazic, N. Sakamoto, H. Ursic, B. Jancar, G. Tavcar, M. Makarovic, J. Walker, B. Malic, and D. Damjanovic, Nat. Mater. 16, 322 (2017). https://doi.org/10.1038/nmat4799

"Nanoscale domain imaging and local piezoelectric coefficient d33 studies of single piezoelectric polymeric nanofibers," X. Liu, M. Deng, and X. Wang, Mater. Lett. 189, 66 (2017). https://doi.org/10.1016/j.matlet.2016.11.044

"Enhancing ion migration in grain boundaries of hybrid organic–inorganic perovskites by chlorine," B. Yang, C. C. Brown, J. Huang, L. Collins, X. Sang, R. R. Unocic, S. Jesse, S. V. Kalinin, A. Belianinov, J. Jakowski, D. B. Geohegan, B. G. Sumpter, K. Xiao, and O. S. Ovchinnikova, Adv. Funct. Mater. 27, 1700749 (2017). https://doi.org/10.1002/adfm.201700749

"Multiferroic and magnetoelectric properties of BiFeO3/Bi4Ti3O12 bilayer composite films," J. Chen, Z. Tang, Y. Bai, and S. Zhao, J. Alloys Compd. 675, 257 (2016). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2016.03.119

"Ferroelastic fingerprints in methylammonium lead iodide perovskite," I. M. Hermes, S. A. Bretschneider, V. W. Bergmann, D. Li, A. Klasen, J. Mars, W. Tremel, F. Laquai, H.-J. Butt, M. Mezger, R. Berger, B. J. Rodriguez, and S. A. L. Weber, J. Phys. Chem. C 120, 5724 (2016). https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b11469

"Room-temperature ferroelectricity in CuInP2S6 ultrathin flakes," F. Liu, L. You, K. L. Seyler, X. Li, P. Yu, J. Lin, X. Wang, J. Zhou, H. Wang, H. He, S. T. Pantelides, W. Zhou, P. Sharma, X. Xu, P. M. Ajayan, J. Wang, and Z. Liu, Nat. Commun. 7, 12357 (2016). https://doi.org/ 10.1038/ncomms12357

"Controlling domain wall motion in ferroelectric thin films," L. J. McGilly, P. Yudin, L. Feigl, A. K. Tagantsev, and N. Setter, Nat. Nanotechnol. 10, 145 (2015). https://doi.org/10.1038/nnano.2014.320

"Ferroelectric polarization reversal via successive ferroelastic transitions," R. Xu, S. Liu, I. Grinberg, J. Karthik, A. R. Damodaran, A. M. Rappe, and L. W. Martin, Nat. Mater. 14, 79 (2015). https://doi.org/10.1038/nmat4119

"Deterministic switching of ferromagnetism at room temperature using an electric field," J. T. Heron, J. L. Bosse, Q. He, Y. Gao, M. Trassin, L. Ye, J. D. Clarkson, C. Wang, J. Liu, S. Salahuddin, D. C. Ralph, D. G. Schlom, J. Iñiguez, B. D. Huey, and R. Ramesh, Nature 516, 370 (2014). https://doi.org/10.1038/nature14004

"Tuning of the depolarization field and nanodomain structure in ferroelectric thin films," C. Lichtensteiger, S. Fernandez-Pena, C. Weymann, P. Zubko, and J.-M. Triscone, Nano Lett. 14, 4205 (2014). https://doi.org/10.1021/nl404734z

"Non-volatile memory based on the ferroelectric photovoltaic effect," R. Guo, L. You, Y. Zhou, Z. S. Lim, X. Zou, L. Chen, R. Ramesh, and J. Wang, Nat. Commun. 4, 1990 (2013). https://doi.org/10.1038/ncomms2990

"Ferroelectric-field-effect-enhanced electroresistance in metal/ferroelectric/semiconductor tunnel junctions," Z. Wen, C. Li, D. Wu, A. Li, and N. Ming, Nat. Mater. 12, 617 (2013). https://doi.org/10.1038/nmat3649

"Ferroelectric order in individual nanometre-scale crystals," M. J. Polking, M.-G. Han, A. Yourdkhani, V. Petkov, C. F. Kisielowski, V. V. Volkov, Y. Zhu, G. Caruntu, A. P. Alivisatos, and R. Ramesh, Nat. Mater. 11, 700 (2012). https://doi.org/10.1038/nmat3371

"Tunnel electroresistance in junctions with ultrathin ferroelectric Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 barriers," D. Pantel, H. Lu, S. Goetze, P. Werner, D. J. Kim, A. Gruverman, D. Hesse, and M. Alexe, Appl. Phys. Lett. 100, 232902 (2012). https://doi.org/10.1063/1.4726120

"Structural and piezoelectric characteristics of BNT–BT0.05 thin films processed by sol–gel technique," M. Cernea, L. Trupina, C. Dragoi, B. S. Vasile, and R. Trusca, J. Alloys Compd. 515, 166 (2012). https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2011.11.129

"Solid-state memories based on ferroelectric tunnel junctions," A. Chanthbouala, A. Crassous, V. Garcia, K. Bouzehouane, S. Fusil, X. Moya, J. Allibe, B. Dlubak, J. Grollier, S. Xavier, C. Deranlot, A. Moshar, R. Proksch, N. D. Mathur, M. Bibes, and A. Barthelemy, Nat. Nanotechnol. 7, 101 (2011). https://doi.org/10.1038/nnano.2011.213

"High-resolution studies of domain switching behavior in nanostructured ferroelectric polymers," P. Sharma, T.J. Reece, S. Ducharme, and A. Gruverman, Nano Lett. 11, 1970 (2011). https://doi.org/10.1021/nl200221z

"Stretchable ferroelectric nanoribbons with wavy configurations on elastomeric substrates," X. Feng, B. D. Yang, Y. Liu, Y. Wang, C. Dagdeviren, Z. Liu, A. Carlson, J. Li, Y. Huang, and J. A. Rogers, ACS Nano 5, 3326 (2011). https://doi.org/10.1021/nn200477q

"Nanoscale switching characteristics of nearly tetragonal BiFeO3 thin films," D. Mazumdar, V. Shelke, M. Iliev, S. Jesse, A. Kumar, S. V. Kalinin, A. P. Baddorf, and A. Gupta, Nano Lett. 10, 2555 (2010). https://doi.org/10.1021/nl101187a

"Enhanced multiferroic properties and domain structure of La-doped BiFeO3 thin films," F. Yan, T. J. Zhu, M. O. Lai, and L. Lu, Scr. Mater. 63, 780 (2010). https://doi.org/10.1016/j.scriptamat.2010.06.013

"Tunneling electroresistance effect in ferroelectric tunnel junctions at the nanoscale," A. Gruverman, D. Wu, H. Lu, Y. Wang, H. W. Jang, C. M. Folkman, M. Y. Zhuravlev, D. Felker, M. Rzchowski, C.-B. Eom, and E. Y. Tsymbal, Nano Lett. 9, 3539 (2009). https://doi.org/10.1021/nl901754t

"Dual-frequency resonance-tracking atomic force microscopy," B. J. Rodriguez, C. Callahan, S. V. Kalinin, and R. Proksch, Nanotechnology 18, 475504 (2007). https://doi.org/10.1088/0957-4484/18/47/475504

"Piezoelectric and semiconducting coupled power generating process of a single ZnO belt/wire. A technology for harvesting electricity from the environment," J. Song, J. Zhou, and Z. L. Wang, Nano Lett. 6, 1656 (2006). https://doi.org/ 10.1021/nl060820v