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압전현미경(PFM)

 이 응용 분야 설명에서는 소재의 압전 효과를 이용하여 대비를 얻는 새로운 주사형 프로브 현미경 모드인 압전현미경(PFM)의 기본 원리, 운용 방법 및 잠재적 응용 분야를 제시합니다. 이미지 화질 및 분해능 개선, 아티팩트 제거, 생성된 이미지에서 정보 추출 등의 다양한 주제에 대해 설명합니다. 또한 인가 전압에 대한 소재의 압전 반응을 정량적으로 분석할 수 있는 분광법 모드를 간단히 소개합니다.

 

PFM의 기본 원리

 현대의 과학 연구에 주사형 프로브 현미경이 최초로 도입된 이후로, 새로운 모드와 응용 분야들이 속속 출현하여 이 강력한 툴로 나노미터 규모의 국지적 물성을 더욱 다양한 각도에서 관찰할 수 있게 되었습니다. 압전현미경(PFM)은 이러한 획기적인 모드 중 하나로서 다양한 강유전, 압전, 폴리머 및 생체 소재의 전기역학적 결합 특성을 탐구할 수 있기 때문에 최근에 점점 더 주목을 받고 있습니다.

 PFM 운용 시에는 전도식 원자현미경 팁을 연구 대상 강유전 또는 압전 소재의 표면에 접촉하고 시료 표면과 원자현미경 팁 사이에 미리 설정된 전압을 인가하여 시료 내에 외부 전기장을 형성합니다. 이때 강유전 또는 압전 소재의 전기 변형 또는 "역압전" 효과로 인해 시료가 전기장을 따라 국지적으로 팽창하거나 수축합니다. 예를 들어 측정 시료의 최초 강유전성 구역 극성이 시료 표면에 수직이고 인가 전기장에 평행한 경우 강유전성 구역이 세로 방향으로 팽창합니다. 원자현미경 팁은 시료 표면에 접촉하므로 이러한 강유전성 구역 팽창으로 인해 원자현미경 캔틸레버가 위쪽으로 구부러져 전기장 인가 전보다 더 많이 휘어집니다. 역으로, 최초 강유전성 구역 극성이 인가 전기장에 역평행한 경우 강유전성 구역이 수축하여 캔틸레버가 덜 휘어집니다(그림 1). 따라서 캔틸레버의 휨 변화량은 시료 강유전성 구역의 팽창 또는 수축량에 직접 연관되며 인가 전기장에 비례합니다.

piezoelectric-force-microscopy-pfm-f1그림 1

 

 인가 전압에 AC 성분이 일부 포함된 경우 시료의 역압전 반응으로 인해 시료 표면이 인가 AC 전압과 같은 주파수로 진동합니다. 시료가 이상적인 압전 결정이라면 시료의 극성이 다음 방정식에 따라 인가된 기계적 응력에 연관됩니다

piezoelectric-force-microscopy-pfm-f1-1

여기에서 dijk는 소재의 3차 압전 텐서입니다. 정방 결정 구조를 갖는 소재의 경우 이 압전 텐서를 다음 형태로 축약할 수 있습니다.

piezoelectric-force-microscopy-pfm-f1-2

이때 인가 AC 변조 전압이 V=V0cos(ωt)라면 시료 표면의 진동은 ΔZ=ΔZ0 cos(ωt+φ) 형태가 되고 진폭은 ΔZ0=d33 V0이며 위상은 시료의 강유전성 구역 극성이 인가 전기장에 평행할 경우 φ=0, 인가 전기장에 역평행할 경우 φ=180°가 됩니다(그림 2). 이러한 진동은 시료에 접촉한 원자현미경 탐침의 진폭 및 위상 신호에 즉시 반영되어 락인앰프로 판독이 가능합니다.

piezoelectric-force-microscopy-pfm-f2그림 2

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그림 3

 통상적인 PFM 이미징에서는 연구 대상 시료의 국지적 강유전성 구역 구조에 영향을 주지 않기 위해 인가 AC 전압이 시료 강유전성 구역 전환의 항전압보다 훨씬 낮게 설정됩니다. 이러한 조건이 만족되면 PFM 이미징으로 인해 발생한 위상차가 여러 시료 위치의 강유전성 구역 극성을 반영하며, 위에서 설명한 것처럼 진폭 신호의 강도로부터 시료의 국지적 압전 계수를 산출할 수 있습니다. 그림 3에서는 PZT-5H 시료에서 얻은 PFM 진폭 및 위상 이미지의 예를 보여 줍니다. 원으로 표시한 부분을 보면 PFM 위상 이미지에서 인접한 두 강유전성 구역의 180° 위상차가 분명하게 드러나며, PFM 진폭 이미지에서 강유전성 구역 사이의 벽이 감소된 진폭으로 관찰됩니다. 또한 위쪽 방향 강유전성 구역과 아래쪽 방향 강유전성 구역 모두에서 비슷한 규모의 PFM 진폭 신호가 유도되었으므로 연구 대상 시료의 물성이 비교적 균일함을 알 수 있습니다.

 원자현미경 팁과 접촉하는 시료에 수직인 성분만이 아니라 시료 표면 내의 다른 방향을 따르는 성분이 포함되어 시료 강유전성 구역 방향이 더욱 복잡한 경우에는 세로 채널 하나와 가로 채널 두 개가 포함된 벡터 PFM으로 보다 완전한 정보를 얻을 수 있습니다. 예를 들어 정방 압전 결정의 압전 텐서에서 d15 성분을 얻으려면 시료 표면의 평면상 변위에 비례하는 원자현미경 팁 진동의 가로 성분을 측정해야 하며(그림 4), 이 성분의 형태는 ΔL=ΔL0 cos(ωt+φ)이고 진폭은 ΔL0=d15 V0입니다. 팁과 시료 간에 AC 전압과 함께 DC 바이어스 전압이 인가된 경우 시료의 평면상 및 평면 외 전기역학적 반응은 인가 DC 전압의 함수이기도 합니다.

piezoelectric-force-microscopy-pfm-f4

그림 4

대부분의 실제 사례에서는 연구 대상 시료에 무작위 방향의 다결정 입자 구조가 포함되며, 압전 텐서의 가로 성분이 0이 아닌 경우가 많습니다. 이러한 경우에 검출된 세로 PFM 신호는 더 이상 d33에만 비례하지 않으며 d31 및 d15 성분에도 종속됩니다. 즉, 세로 PFM 진폭은 더 이상 ΔZ0=d33V0이 아니고 다음과 같은 형태가 됩니다.

ΔZ0=dzzV0=[(d31+d15) sin2 θcosθ+d33 cos3θ]V0

여기에서 θ는 실험 좌표계와 시료 결정 좌표계 사이의 국지적 방향 맵(θ,t,ψ)에 속합니다. 또한 시료 위치에서 PFM 신호의 세로 성분과 2개의 가로 성분을 얻은 경우 해당 데이터에서 시료의 고유 압전 상수 dij 또는 국지적 방향 맵을 산출할 수 있습니다. 이와 같이 3차원 PFM은 나노미터 규모에서 연구 대상 시료의 극성 벡터를 완벽하게 3차원으로 재구성할 수 있는 길을 열었습니다.

PFM의 일반적인 응용 분야로는 강유전성 구역 상세 매핑 및 강유전성 구역 전환 역학 연구를 포함하는 소재의 국지적 전기역학적 특성 평가, 전기역학 장비(예: 압전구동기, 변환기 및 MEMS), 전자광학 장비 및 비휘발성 메모리 부품(예: FERAM 장비)의 전기역학적 각인, 피로 및 유전 파괴 현상과 같은 안정성 문제 해결을 위한 마이크로 또는 나노 규모 시험, 특이 폴리머 및 생명공학 소재의 나노규모 상세 구조 및 전기적 특성에 기초한 극성과 다른 물성 간의 국지적 및 전역적 관계 탐구 등이 있습니다.

 

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