Dual-Frequency Resonance Tracking (DFRT)
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Descrizione dell'applicazione
L'inseguimento della risonanza a doppia frequenza (DFRT) è una tecnica di microscopia a forza atomica (AFM) in modalità di contatto utilizzata per misurare deboli risposte elettriche o meccaniche da un campione. Le tecniche tradizionali di inseguimento della risonanza si basano su un ciclo phase-locked (PLL) per mantenere la fase costante, ma tale approccio fallisce con materiali ferroelettrici o altri materiali che mostrano un'inversione di fase a seconda dell'orientamento del dominio. Il vantaggio del DFRT risiede nella capacità di misurare l'inversione di fase utilizzando solo l'ampiezza risonante per il feedback. Le applicazioni relative alla tecnica DFRT includono la microscopia a forza di risposta piezoelettrica (PFM), la microscopia elettrochimica della deformazione (ESM), che è sensibile alla deformazione indotta dalla corrente ionica, e la microscopia termoionica a scansione (STIM) - che misura la deformazione indotta dalle oscillazioni termiche.
La DFRT è particolarmente rilevante per la caratterizzazione di film sottili di materiali ferroelettrici e multiferroici, dove le misure potenziate dalla risonanza permettono la misurazione di segnali più deboli e l'uso di tensioni di polarizzazione più basse per evitare la rottura del film. Mentre le misure lock-in a una bassa frequenza fissa sono la norma per i materiali sfusi, la risposta nano-meccanica a un'eccitazione meccanica o elettrica può essere notevolmente migliorata passando a una tecnica di risonanza di contatto.
Strategie di misurazione
Il primo passo è quello di identificare la risonanza di contatto (CR) spazzolando la frequenza di uscita che è o elettricamente o meccanicamente guidata quando la punta AFM è in contatto con il campione. È quindi possibile generare un segnale modulato in ampiezza (sull'uscita del segnale) che dà origine a due ampiezze di banda lateraleA1 eA2 su entrambi i lati della CR. Nella figura, la curva rossa illustra la differenzaA2 -A1 in funzione della frequenza di pilotaggio: questa mostra un comportamento monotono intorno alla risonanza con una buona sensibilità al guadagno e viene quindi utilizzata per il feedback. Un controller PID - interno agli amplificatori lock-in Zurich Instruments e ottimizzato con il PID Advisor - regola la differenzaA2' -A1' tra le ampiezze di banda laterale misurate alle frequenze fc+/-fm. Questa differenza di ampiezza viene utilizzata come segnale di errore per il regolatore PID e agisce sulla frequenza centrale fc. Se la frequenza di risonanza cambia a causa delle interazioni punta-campione, la differenza di ampiezza misurataA2' -A1 varia e la frequenza di azionamento viene spostata come risultato, come mostrato in figura. Alla risonanza,A1 eA2coincidono e il setpoint scelto è quindi zero.
Per le misure multiferroiche e le relative modalità PFM, l'uscita del segnale di pilotaggio è diretta alla tensione di bias. Lo stesso principio di misurazione si applica quando l'uscita del segnale va ad un piezo shaker accoppiato meccanicamente al campione, il che porta all'osservazione di una risposta nano-meccanica.
PFM standard contro DFRT-PFM
Questa tabella evidenzia come l'utilizzo di Zurich Instruments per le misurazioni DFRT-PFM porti a diversi vantaggi rispetto alle misurazioni PFM standard:
| Criterio | PFM standard | DFRT-PFM con HF2LI o UHFLI |
|---|---|---|
| Frequenza di modulazione del bias | Da 100 Hz a pochi kHz | Fino a 50 / 600 MHz a CR |
| Inseguimento della frequenza | Nessuno (statico) | Topografia dell'inseguimento della frequenza, usata come riferimento per le misure lock-in |
| Generazione di frequenza | Fino a 2 frequenze (con 2 lock-in o 1 HF2LI) | Fino a 6 frequenze o 2 CR |
| Misure lock-in | Misura lock-in singola di ampiezza e fase | Ampiezze e fasi centrali e di banda laterale, errore PID, spostamento di frequenza |
| Segnale di feedback | Nessuno (anello aperto) | Differenza delle ampiezze di banda laterale (A2-A1), PID Advisor |
| Scelta della frequenza di azionamento | Regolazione manuale, frequenza fissa | Sempre a CR, rapporto segnale-rumore (SNR) più alto |
Product Highlights
I vantaggi di scegliere gli strumenti Zurich
- L'eccitazione bimodale, il rilevamento della banda laterale e il feedback PID sulla differenza di ampiezza sono tutti accessibili attraverso lo stesso amplificatore lock-in Zurich Instruments.
- Entrambi gli ingressi dell'amplificatore lock-in HF2LI possono essere utilizzati per la misurazione simultanea delle componenti in-plane e out-of-plane, permettendo lo studio del campo vettoriale piezoelettrico completo (grandezza, orientamento e polarità).
- È possibile aumentare la sensibilità delle misure con tecniche di miglioramento della risonanza - anche quando l'uso di un PLL non è possibile. Lo stesso PID Advisor può ottimizzare qualsiasi loop di feedback lineare.
- Zurich Instruments offre una soluzione sotto forma di un semplice add-on per qualsiasi microscopio AFM di terze parti: solo la deflessione del sensore (verticale e laterale) e la tensione di bias (drive) devono essere accessibili.
- Tutti i canali interni possono essere registrati come immagini multiple sincronizzando il modulo di acquisizione dati (DAQ) con un trigger di fine linea (EOL) dal motore di scansione.
- Utilizzare componenti armoniche superiori con DFRT per essere sensibili alla corrente ionica (ad esempio, ESM), alla deformazione indotta termicamente (ad esempio, STIM), o ad altri fenomeni legati alle armoniche.
- Seguire la frequenza di risonanza porta a un minore cross-talk topografico, che è particolarmente importante per i campioni con elevata rugosità superficiale.
