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Suivi de résonance à double fréquence (DFRT)

Produits reliés :HF2LI, HF2LI-MF, HF2LI-PID, HF2LI-MOD, UHFLI, UHF-MF, UHF-MOD, UHF-PID

Description de l'application

Le suivi de résonance à double fréquence (DFRT) est une technique de microscopie à force atomique (AFM) en mode contact utilisée pour mesurer les faibles réponses électriques ou mécaniques d'un échantillon. Les techniques traditionnelles de suivi de résonance reposent sur une boucle à verrouillage de phase (PLL) pour maintenir la phase constante, mais une telle approche n'est pas possible avec les matériaux ferroélectriques, par exemple, qui présentent une inversion de phase en fonction de l'orientation du domaine. L'avantage de la DFRT réside dans la possibilité de mesurer l'inversion de phase tout en utilisant l'amplitude de résonance pour l'asservissement en fréquence. Les applications liées à la technique DFRT comprennent la microscopie à force piézoélectrique (PFM), la microscopie électrochimique à déformation (ESM), qui est sensible à la déformation induite par le courant ionique, et la microscopie thermo-ionique à balayage (STIM), qui mesure la déformation induite par les oscillations thermiques.

La DFRT est particulièrement pertinente pour la caractérisation des couches minces de matériaux ferroélectriques et multiferroïques, où les mesures à la résonance permettent d'extraire des signaux plus faibles et d'utiliser des tensions de polarisation réduites pour éviter la rupture du film. Alors que les mesures à basse fréquence fixe sont la norme pour les matériaux en massique, la réponse nanomécanique à une excitation mécanique ou électrique en surface peut être considérablement améliorée en recourant à une technique de résonance de contact.

Stratégies de mesure

Setup for dual-frequency resonance tracking (DFRT) with HF2LI Lock-in Amplifier

La première étape consiste à identifier la résonance de contact (CR) en balayant la fréquence de sortie qui est entraînée électriquement ou mécaniquement lorsque la pointe AFM est en contact avec l'échantillon. Il est alors possible de générer un signal modulé en amplitude (sur la sortie du signal) qui donne lieu à deux amplitudes de bande latérale A1 et A2 de part et d'autre de la résonance de contact. Sur la figure, la courbe rouge illustre la différence A2 - A1 en fonction de la fréquence d'entraînement : elle présente un comportement monotone autour de la résonance avec une bonne sensibilité au gain et est donc utilisée pour la rétroaction. Un contrôleur PID - interne aux détections synchrone de Zurich Instruments et optimisé avec le PID Advisor - régule la différence A2' - A1' entre les amplitudes des bandes latérales mesurées aux fréquences fc +/- fm. Cette différence d'amplitude est utilisée comme signal d'erreur pour le contrôleur PID et agit sur la fréquence centrale fc. Lors d'interactions pointe-échantillon, la résonance se décale selon le type d'interaction et la différence d'amplitude mesurée A2' - A1 varie en conséquence. La fréquence d'entraînement est ainsi ajustée par rétroaction, comme indiqué sur la figure. À la résonance, A1 et A2 coïncident et le point de consigne choisi est donc nul.

Pour les mesures multiferroïques et les modes PFM associés, la sortie du signal d'entraînement est dirigée vers la tension de polarisation. Le même principe de mesure s'applique lorsque la sortie du signal est dirigée vers un shaker piézo couplé mécaniquement à l'échantillon, ce qui conduit à l'observation d'une réponse nanomécanique.

PFM standard contre DFRT-PFM

Ce tableau montre comment l'utilisation de Zurich Instruments pour les mesures DFRT-PFM présente plusieurs avantages par rapport aux mesures PFM standard :

Critère PFM standard DFRT-PFM avec HF2LI ou UHFLI
Fréquence de modulation du biais 100 Hz à quelques kHz Jusqu'à 50 / 600 MHz à la résonance
Suivi de fréquence Aucune (statique) Topographie selon le suivi de fréquence, utilisée comme référence pour les mesures de détection synchrone
Génération de fréquences Jusqu'à 2 fréquences (avec 2 détections synchrones ou 1 HF2LI) Jusqu'à 6 fréquences ou 2 CRs
Démodulations Mesure unique de l'amplitude et de la phase Amplitudes et phases à la fréquence centrale et aux bandes latérales, erreur PID, décalage de fréquence
Rétroaction Aucun (boucle ouverte) Différence des amplitudes des bandes latérales (A2-A1), PID Advisor
Choix de la fréquence d'entraînement Réglage manuel, fréquence fixe Toujours à la résonance, rapport SNR plus élevé

Pourquoi choisir Zurich Instruments

  • L'excitation bimodale, la détection des bandes latérales et la boucle d'asservissement PID sur la différence d'amplitude sont directement accessibles sur la même détection synchrone de Zurich Instruments.
  • Les deux entrées de la détection synchrone HF2LI peuvent être utilisées pour la mesure simultanée des composantes normale et hors-plan, permettant l'étude du champ vectoriel piézoélectrique complet (magnitude, orientation et polarité).
  • Vous pouvez augmenter la sensibilité de vos mesures avec des techniques d'amélioration de la résonance - même lorsque l'utilisation d'une PLL n'est pas possible. Le même PID Advisor peut optimiser toute boucle de rétroaction linéaire.
  • Zurich Instruments s'adapte à tout type de microscope AFM tiers : seuls la déflexion du capteur (verticale et latérale) et la tension de polarisation (drive) sont nécessaires.
  • Tous les canaux internes peuvent être enregistrés sous forme d'images en synchronisant le module d'acquisition de données (DAQ) avec un déclencheur de fin de ligne (EOL) du générateur de scan.
  • Utilisez les composantes harmoniques supérieures avec le DFRT pour être sensible au courant ionique (par exemple, ESM), à la déformation induite thermiquement (par exemple, STIM), ou à d'autres phénomènes liés aux harmoniques.
  • Le suivi de la fréquence de résonance permet de réduire les artefacts de la topographie dans le signal électrique, ce qui est particulièrement important pour les échantillons présentant une rugosité de surface élevée.

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Application Notes

Park Systems, Zurich Instruments

Stabilizing the piezoresponse for accurate and crosstalk-free ferroelectric domain characterization via dual frequency resonance tracking

Publications

Rodriguez, B.J., Callahan, C., Kalinin, S.V. & Proksch, R.

Dual-frequency resonance-tracking atomic force microscopy

Nanotechnology 18, 475504 (2007)

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