Применение технологий NI для атомно-силовой микроскопии пьезотклика

GPIB-USB интерфейс используется для имплементации внешних синхронного усилителя и функционального генератора в схему сканирования в режиме атомно-силовой микроскопии пьезоотклика (АСМП) на криогенном атомно-силовом микроскопе (АСМ) AttoAFM I. Использование данного интерфейса позволяет эффективно управлять и получать данные с внешней электроники микроскопа. Внешние генератор и lock-in подключаются к компьютеру атомно-силового микроскопа с помощью GPIB-USB контроллеров.
В основе методики АСМП лежит механический отклик поверхности при приложении к образцу электрического поля. Поле прикладывается к поверхности образца с помощью проводящего зонда АСМ и приводит к локальному расширению или сжатию области под зондом, например, за счет обратного пьезоэффекта. Таким образом, методика силовой микроскопии пьезоотклика позволяет проводить исследования распределения пьезоэлектрических свойств на поверхности образцов с нанометровым разрешением (разрешение определяется радиусом кривизны зонда).
Для отделения информации о рельефе образца, детектируемой по отклонению зонда АСМ, от данных о пьезоэлектрических свойствах, измерения пьезоотклика от поверхности проводятся при приложении переменного электрического поля с заданной частотой. То есть, проводящий зонд АСМ приводится в контакт с поверхностью, между зондом и образцом прикладывается переменное напряжение на заданной частоте, результирующее отклонение зонда содержит постоянную составляющую, по которой восстанавливается рельеф, и переменную составляющую на частоте, которая отвечает за пьезоотклик от поверхности. Следует отметить, что амплитуда переменной составляющей по величине много меньше величины постоянной составляющей сигнала отклонения. Для выделения переменной составляющей отклонения зонда, сигнал с оптической системы регистрации отклонения зонда подается на синхронный усилитель (lock-in amplifier).
Синхронный усилитель используется для выделения и детектирования сигнала переменного тока. Детектирование возможно даже когда уровень шума существенно выше полезного сигнала. Выделение полезного сигнала на синхронном усилителе происходит по методу фазочувствительного синхронного детектирования на частоте опорного сигнала. В качестве опорного сигнала на фиксированной частоте используется сигнал переменного напряжения, прикладываемого между зондом и образцом.
Полученная на выходе усилителя синхронного детектора велична детектированного сигнала содержит информацию о значении пьезоотклика с поверхности образца, а фаза определяет направление вектора поляризации исследуемых доменов. Так, для доменов, ориентированных перпендикулярно поверхности с направленной вниз поляризацией, приложение напряжения (плюс напряжения питания при этом подается на зонд) приводит к расширению области под зондом, колебания поверхности будут в фазе с приложенным напряжением, и фаза детектируемого сигнала будет равна нулю. Для доменов, ориентированных перпендикулярно поверхности с направленной вверх поляризацией, колебания поверхности будут происходить в противоположной фазе к приложенному напряжению, и разность фаз будет равна. Амплитуда переменной составляющей сигнала отклонения зонда дает представление о величине коэффициента пьезоэлектрических потерь. Типичные значения коэффициента пьезоэлектрических потерь, измеряемого по методике силовой микроскопии пьезоотклика, лежат в диапазоне от 0,5 пм/В для материалов со слабым пьезооткликом до 500 пм/В для материалов с «хорошим» пьезооткликом.
Использование внешних функционального генератора и синхронного усилителя в схеме АСМП позволяет повысить чувствительность криогенного атомно-силового микроскопа AttoAFM I. Мы используем внешний функциональный генератор FC120 (Yokogawa, Япония) и синхронный усилитель (lock-in) SR844 (Stanford Research Systems, Калифорния). Внешний lock-in обладает существенно большей чувствительностью при выделении и усилении слабых переменных сигналов по сравнению с внутренним синхронным усилителем установки. Вследствие чего использование внешнего синхронного детектора в обход внутреннего должно значительно повысить чувствительность методики АСМП при реализации ее на криогенном АСМ. Внешний функциональный генератор позволяет получать более стабильное по амплитуде и частоте переменное напряжение, по сравнению с внутренними источниками установки. Как следствие, сигнал отклонения зонда на частоте прикладываемого между зондом и образцом ас поля более стабилен по частоте, что способствует снижению уровня шума в режиме АСМП при выделении сигнала пьезоотклика. Более того, применение внешнего функционального генератора позволяет использовать режим внешней синхронизации с внешним синхронным усилителем, минимизируя, таким образом, электронный шум установки. Плавная регулировка уровня сигнала внешнего генератора позволяет определить минимально возможное по величине ас напряжение, прикладываемое в методике АСМП между зондом и образцом, которое приводит к появлению детектируемого сигнала пьезоотклика. Это обстоятельство минимизирует влияние прикладываемого между зондом и образцом напряжения на электро-механические свойства исследуемых сегнетоэлектриков. Возможность плавной перестройки частоты внешнего функционального генератора позволяет реализовывать режим АСМП в области локальных резонансов контакта зонд-образец. Для этого частота прикладываемого к зонду переменного электрического поля выбирается в соответствии с локальным резонансом контакта зонд-образец. Соблюдение данного условия обеспечивает повышение чувствительности методики измерений пьезоотклика в равное добротности зонда число раз. Принимая во внимание тот факт, что добротность зонда в воздухе варьируется в пределах от сотни по пяти сотен, в зависимости от материала и геометрии самого зонда, проведение измерений по методике силовой микроскопии пьезоотклика в режиме контактного резонанса позволяет повысить чувствительность метода как минимум в 100 раз.
Мы разработали программное обеспечение в программной среде LabView (National Instruments) для управления и считывания данных с внешних функционального генератора и синхронного усилителя. Разработанное ПО синхронизует работу внешней электроники со сканированием в режиме АСМП на криогенном атомно-силовом микроскопе.

Андреева Наталья Владимировна, доцент СПбПУ.