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Come usare la tecnologia PFM per esplorare la microstruttura all'interno dei materiali? Scopri il segreto dell'alta risoluzione!
Con il rapido sviluppo della scienza e della tecnologia moderne, la comprensione approfondita della microstruttura interna dei materiali è diventata uno dei focus di molti campi di ricerca. La microscopia a forza piezoresponsiva (PFM) è una variante innovativa del microscopio a forza atomica in grado di acquisire immagini e manipolare il campo dei materiali piezoelettrici/ferroelettrici ad alta risoluzione. Questo articolo approfondirà i principi operativi e le applicazioni del PFM e svelerà i segreti della sua alta risoluzione.
Principi di base della tecnologia PFM
La tecnologia PFM ha gradualmente attirato l'attenzione diffusa sin dalla sua prima implementazione, principalmente grazie ai suoi vantaggi in diversi campi dei materiali ferroelettrici, dei semiconduttori e persino della biologia.
La PFM consente ai ricercatori di identificare aree di varie dimensioni, che vanno da 100 × 100 μm2, alla nanoscala, e contemporaneamente eseguire l'imaging della topografia della superficie del campione.
In una tipica operazione PFM, i ricercatori utilizzano una sonda conduttiva affilata per entrare in contatto con il materiale piezoelettrico e applicare una tensione CA alla sonda per stimolare la deformazione del campione. La deflessione della sonda viene rilevata mediante metodi di rilevamento standard con fotodiodo diviso e demodulata da un amplificatore lock-in per ottenere immagini ad alta risoluzione.
Conoscenza di base dell'effetto piezoelettrico
L'effetto piezoelettrico descrive la deformazione prodotta da un materiale quando viene applicato un campo elettrico. Questo effetto consente al PFM di rilevare cambiamenti elettrici e meccanici nei materiali. Prendendo come esempio BaTiO3, quando viene applicata una tensione di 1 V, si verificherà un piccolo spostamento, solo 0,0856 nanometri. Spostamenti così piccoli sono difficili da catturare per i sistemi di rilevamento tradizionali, quindi PFM utilizza la tecnologia ad aggancio di fase per separare il segnale target dal rumore casuale.
Le molteplici modalità di imaging di PFM
La tecnologia PFM può essere distinta in modalità di imaging verticale e laterale. Dividendo il rilevatore del fotodiodo, PFM può ottenere segnali di risposta piezoelettrici nel piano e fuori piano per analizzare la direzione di polarizzazione del materiale.
In modalità PFM verticale, la direzione della polarizzazione può essere identificata con informazioni sulla fase, mentre in modalità PFM laterale è possibile determinare i componenti di polarizzazione nel piano.
Applicazione della PFM nei biomateriali
Anche l'applicazione della tecnologia PFM ai biomateriali ha mostrato il suo ampio potenziale, ad esempio nello studio di denti, ossa, polmoni e singole fibre di collagene. La piezoelettricità endogena di questi materiali può svolgere un ruolo importante nella loro biologia meccanica. svolgono un ruolo fondamentale nell’apprendimento.
Introduzione alla modalità PFM avanzata
Con il progresso della tecnologia, PFM ha anche lanciato una serie di modalità avanzate, migliorando significativamente la flessibilità di rilevamento di caratteristiche su scala nanometrica. Ad esempio, la tecnologia PFM sequenziale nel tempo consente l'imaging istantaneo della commutazione del materiale applicando impulsi di tensione superiori a una tensione critica al campione e successivamente l'imaging, catturando il processo di commutazione istantaneo.
Inoltre, la tecnologia PFM a risonanza di contatto migliora il rapporto segnale-rumore del segnale regolando la frequenza applicata, ottenendo così una maggiore precisione di misurazione. La tecnologia PFM a spettro di commutazione (SS) espande ulteriormente la gamma di applicazioni del PFM e fornisce il rilevamento delle proprietà dei materiali in diversi campi elettrici.
Conclusione
Lo sviluppo della tecnologia PFM sta rapidamente promuovendo la ricerca nella scienza dei materiali, nell'elettronica e persino nella biomedicina. Questa tecnologia può rivelare i misteri della struttura interna di vari materiali con alta risoluzione e, man mano che la tecnologia continua ad avanzare, porterà metodi di osservazione e ricerca più sofisticati. In futuro, in quali nuovi campi o tecnologie la PFM potrà continuare a esercitare il suo forte potenziale?
