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¿Cómo utilizar la tecnología PFM para explorar la microestructura interna de los materiales? ¡Aprenda el secreto de la alta resolución!
Con el rápido desarrollo de la ciencia y la tecnología modernas, la comprensión profunda de la microestructura interna de los materiales se ha convertido en uno de los focos de muchos campos de investigación. La microscopía de fuerza piezorespuesta (PFM) es una variante innovadora del microscopio de fuerza atómica capaz de obtener imágenes y manipular el campo de materiales piezoeléctricos/ferroeléctricos en alta resolución. Este artículo profundizará en los principios operativos y aplicaciones de PFM y revelará los secretos de su alta resolución.
Principios básicos de la tecnología PFM
La tecnología PFM ha atraído gradualmente una amplia atención desde su implementación, principalmente debido a sus ventajas en diferentes campos de materiales ferroeléctricos, semiconductores e incluso biología.
PFM permite a los investigadores identificar áreas de diferentes tamaños, que van desde 100 × 100 μm2 hasta la nanoescala, y al mismo tiempo obtener imágenes de la topografía de la superficie de la muestra.
En una operación típica de PFM, los investigadores utilizan una sonda conductora afilada para hacer contacto con el material piezoeléctrico y aplican un voltaje de CA a la sonda para estimular la deformación de la muestra. La desviación de la sonda se detecta mediante métodos estándar de detección de fotodiodos divididos y se demodula mediante un amplificador de bloqueo para lograr imágenes de alta resolución.
Conocimientos básicos del efecto piezoeléctrico
El efecto piezoeléctrico describe la tensión producida por un material cuando se aplica un campo eléctrico. Este efecto permite a PFM detectar cambios eléctricos y mecánicos en los materiales. Tomando como ejemplo el BaTiO3, cuando se aplica un voltaje de 1V se producirá un pequeño desplazamiento, de sólo 0,0856 nanómetros. Estos pequeños desplazamientos son difíciles de capturar para los sistemas de detección tradicionales, por lo que PFM utiliza tecnología de bloqueo de fase para separar la señal objetivo del ruido aleatorio.
Múltiples modos de imagen de PFM
La tecnología PFM se puede distinguir en modos de imágenes verticales y laterales. Al dividir el detector de fotodiodos, PFM puede obtener señales de respuesta piezoeléctrica dentro y fuera del plano para analizar la dirección de polarización del material.
En el modo PFM vertical, la dirección de polarización se puede identificar con información de fase, mientras que en el modo PFM lateral, se pueden determinar los componentes de polarización en el plano.
Aplicación de PFM en biomateriales
La aplicación de la tecnología PFM en biomateriales también ha demostrado su amplio potencial, como en el estudio de dientes, huesos, pulmones y fibras de colágeno individuales. La piezoelectricidad endógena de estos materiales puede desempeñar un papel importante en su biología mecánica. juegan un papel clave en el aprendizaje.
Introducción al modo PFM avanzado
Con el avance de la tecnología, PFM también ha lanzado una variedad de modos avanzados, mejorando significativamente la flexibilidad de detección de características a nanoescala. Por ejemplo, la tecnología PFM secuencial en el tiempo permite obtener imágenes instantáneas de la conmutación de materiales aplicando pulsos de voltaje por encima de un voltaje crítico a la muestra y posteriormente obtener imágenes, capturando el proceso de conmutación instantáneo.
Además, la tecnología PFM de resonancia de contacto mejora la relación señal-ruido de la señal ajustando la frecuencia aplicada, logrando así una mayor precisión de medición. La tecnología PFM de espectro de conmutación (SS) amplía aún más el rango de aplicación de PFM y proporciona detección de propiedades de materiales bajo diferentes campos eléctricos.
Conclusión
El desarrollo de la tecnología PFM está promoviendo rápidamente la investigación en ciencia de materiales, electrónica e incluso biomedicina. Esta tecnología puede revelar los misterios de la estructura interna de diversos materiales con alta resolución y, a medida que la tecnología siga avanzando, traerá métodos de observación e investigación más sofisticados. En el futuro, ¿en qué nuevos campos o tecnologías la GFP puede seguir ejerciendo su gran potencial?
