AFM Nanoelectrical模式高光谱映射

AFM-based nanoelectrical模式用在许多不同的领域,从压电材料和半导体通过生物学和能源研究。亚博网站下载

有模式可用来定义局部电阻率,电导率、载体形式、载体浓度、电荷,或压电特性与纳米级的空间分辨率。这些模式通常需要一个样本之间的直接接触和AFM小费。传统上,合成数据形式的二维(2 d)地图,在接触模式下,产生一个电子数据点为每个XY位置。在几电子光谱或坡道创建,精心选择网站的2 d地图获得更好的理解当地的电特性。

这篇文章演示了一个小说nanoelectrical成像技术,一步超出2 d地图,生产相关的纳米机械数据立方体和全面的电气数据立方体在操作标准成像速度。这种方法的一个优势是它避免了接触模式成像,从而延长电气测量纤细柔软的样本和提高测量一致性通过增加AFM的生命周期的小费。这也被认为是一个通用的方法,与多数nanoelectrical模式和应用程序。

更完整的数据集包含新数据并允许功能成像在复杂样品如锂阴极特性的例子,压电领域交换动力学、半导体载体分析和势垒高度映射在异构的金属氧化物。

超越属性映射

高分辨率(< 1 - 5海里)地形图像往往使用原子力显微镜生成,这是通过光栅扫描尖端表面的样本与回馈控制tip-sample力相互作用。AFM技术是由力量开创并发地捕捉和获取力学特性之间的交互提示和示例。PeakForce量化Nanomechanics PeakForce QNM^®)模式和FASTForce体积^™(FFV)模式,例如,提供一个完整的力曲线为每个图像像素和接触共振模式提供了一个为每个图像像素共振谱。这些光谱可以提取和可视化等力学特性刚度、附着力,tan-delta、变形、模量、和损失和储能模量在2 d地图。

数组的应用程序模块用于电气特性,和AFM nanoelectrode调查介绍了扫描电化学显微镜(SECM)和最近nanoelectrical特性使电气测量液体。所有这些功能整合到一个单一仪器提供调查人员更大的实验达到和普通工业应用的效率高多学科研究以及在聚合物系统中,半导体器件,压电、生物特性、和能源研究。

AFM Nanoelectrical模式

AFM nanoelectrical模式通常与一组固定的操作条件,如频率、AC偏见,直流偏压,等,和一个为每个XY进行电气测量位置,生成二维电子地图。这也适用于PeakForce隧道AFM (PeakForce金枪鱼^™)和相关PeakForce Tapping-based电模式,有可能解决接触的约束模式。

AFM-based电气特性,除了2 d地图,传统上包括光谱,在操作条件之一是横扫AFM技巧是保持不动的,例如,在收购电流电压(电流-电压)曲线所选定的几个单独的位置或选择一个单独的位置。也可以在数组执行点光谱,但到目前为止,这个一直相对耗时,只有启用部分空间抽样。Capacitance-voltage (C-V)光谱用于调查描述Si设备和pn结的电流-电压光谱的影响为研究湿度对纳米电化学固体银离子导体发布应用程序的例子。

DataCube模式

DataCube模式,可以从力量、集成点和成像光谱,创建一个内置三维(3 d)数据集。这是一个多维数据立方体的依赖决定一个特定的电参数在每个XY位置的函数(电气)操作条件之一。大数据的方法取代了主观的猜测方法目标位置(单点光谱),使得高维数据,可以切片在任何飞机或轴,并有利于数据简化的关键组件分析和机器学习方法。此外,高维数据集电可以提取高分辨率电特性的地图,使用AFM之前是不可能做到的。压电的图像切换电压,肖特基势垒高度,平带电压,在其他的一些例子。

而不是使用接触模式下,提示从一个像素移动到另一个在一个FFV方法。电子光谱获得而持有段插入每个力曲线在每个像素。此外,在每个像素的力曲线融入FFV地图代表一系列的纳米机械数据立方体空间与电气相关数据立方体。考虑到横向部队阻止FFV地图,提示寿命显著提高,电气测量扩展到脆弱的样本,包括纳米粒子和聚合物,否则不能在接触模式下检查。yabo214在这篇文章中,演示了数据立方体的原则对微波阻抗扫描显微镜(sMIM),扫描扩散阻力显微镜(SSRM),扫描电容显微术(SCM), piezoforce显微镜(PFM)和隧道AFM(金枪鱼);然而,它也可以扩展到其他电模式在液体和空气。

实验原理和数据采集

无缝集成的高性能nanoelectrical模式FFV方法导致的发展力量DataCube (DCUBE)模式。FFV内模式,技巧是保持在一个固定的XY位置,与此同时,force-distance循环执行与“住”在Z方向。这是高度传感器显示的情节和相对力曲线如图1所示。

图1所示。DCUBE模式操作FFV方法:(a)高度传感器(红色)和挠度误差(蓝色开环)情节片段显示扩展(1 - 2)、(3)居住,并收回(4 - 5)周期;(b)的模式样本偏差(红色)和相应的金枪鱼电流(蓝色);(c)的扫描模式在收购DCUBE-mode数据;和(d)五个金枪鱼从DCUBE-TUNA电流片的结果。

力量的专有low-force触发功能使力匝道利率约300赫兹。一起住的时候子- 100 ms的部分,可以实现良好的吞吐量和常规成像速度实现密集阵列时也可以保持。的斜坡率“撤消”和“扩展”部分在图1中在标准是60赫兹力(或偏转)触发电平15 nN和80海里的Z运动。这将导致9.6μm /第二斜坡速度。

样本偏差是被从−2 V + 2 V在“住”(100毫秒),相对于斜坡的40 V /第二,如图1所示。住段和non-dwell段,可以独立设置数据点的数量,使高光谱分辨率。在这种情况下,256数据点导致分辨率0.625 nm的Z方向和190数据点导致21 mV的决议样本电压。进一步增加数据点的数量会导致更高的密度。四个光谱-挠度误差,取样偏差,高度,和金枪鱼电流——同时捕获。

一个像素的光谱采集后,提示转移到随后的像素使用FFV光栅扫描技术(图1 c),防止剪切力的标准联系mode-based扫描。图1 d描述了五个标准电流片从数据立方体的帮助下实现获得γ-Fe这一原则₂O₃样本。每个电流片图像包含了3 x 256 x 256像素3μm²样地;190当前提供的切片图像190光谱数据点住段。同时,“扩展”/“收回”的偏转情节构建整个force-distance曲线,从而能够获得定量纳米机械图片刚度、模量、变形,粘附。

DCUBE模式,电居住期间的条件和力曲线周期单独控制,使用户能够独立完善的电子光谱和force-distance光谱的测量。nanoelectrical模式所决定的持有部分用于优质信号。更具体地说,它依赖于应用交流频率和/或传感器的带宽。因为传感器的带宽通常在千赫范围内(例如,典型的带宽PeakForce金枪鱼应用程序的模块是15 kHz),收购时间捕获整个电子光谱实现毫秒级。

必须指出,当电斜坡速度增加,信号/噪声比将受到影响。例如,一系列capacitance-voltage (C-V)光谱的p型半导体被DCUBE-sMIM如图2所示。这些实际上是原始数据不平均。对于每个光谱,样本偏差斜坡率和停留时间在图中所示。

图2。一系列的p型半导体被DCUBE-sMIM C-V光谱。这些都是原始数据不平均。住时间和样本偏差斜坡率每个谱表示。

根据这些结果证明,斜坡率80 V / s或50毫秒的停留时间超过足够捕捉所有样本的光谱特性。关于力和电子光谱,每个像素的时间通常是在20 - 200 ms。为256 x 256像素映射,这涉及到一个收购时间22 - 220分钟。虽然,与此相对长期的光谱映射,超过1000数据点可以捕捉到每一个电子光谱,导致超过1000动态切片或序列图像的捕获率1.3 -13秒/形象。

代替增加直流样本偏差时的停留期间,用户甚至可以选择增加相关的任何类型的参数选择电模式(例如,频率,振幅,或交流电压)。通过这种方式,广泛的电子光谱,如C-V r v,电流-电压,直流/ dV-V / dV-V博士PFM-amplitude-frequency光谱,PFM-amplitude-V可以收集。可用电DCUBE模式归纳如表1。

表1。总结与FFV DCUBE模式和电子特征

	机械	电
	力卷	DCUBE-TUNA	DCUBE-SSRM	DCUBE-SCM	DCUBE-sMIM	DCUBE-PFM
斜坡参数	距离	V直流	V直流	V直流 V交流 f交流 阶段	V直流 V交流 f交流 阶段	V直流 V交流 f交流 阶段
输出通道	粘附力刚度模量	当前的	日志(电阻)	直流/ dV振幅 直流/ dV阶段	直流/ dV振幅 直流/ dV阶段 sMIM-C sMIM-R	烤瓷振幅 烤瓷阶段
例子光谱

此外,电条件可以在停留时间保持不变,可以长(几十秒)或短(单位为毫秒)。以这种方式,可以平均电信号在一个用户定义的时期,导致增强的信号/噪声比相比,相当于PeakForce电模式或联系模式。确定了电参数作为时间的函数在住期间,分析时间现象铺平了道路。例子包括跟踪时间在电介质介电击穿;映射的时间光电导性或电导率外部刺激后,像一个电脉冲或光脉冲;分析充电或放电电压脉冲的应用后,效果等。

数据分析

通过DCUBE模式,纳米机械和电气性能在高密度数据立方体可以同时被捕获。这克服了长期存在的特征和效率障碍材料科学家和工程师。亚博网站下载通过处理这些信息丰富,大数据结果,创造性的数据挖掘可以刺激和鼓励。标准的毫微秒示波器^®从力量提供了一套数据离线分析软件简单的处理和可视化的工具,例如,不同的光谱的提取和片。的一些主要功能为处理DCUBE数据(在这里,适用于DCUBE-TUNAγ-Fe获得的数据₂O₃样品)图3和图4所示。

图3。DCUBE数据的处理、分析和可视化。片的光谱图可以提取定期处理毫微秒示波器的AFM图像分析软件:(一)表面形貌;(b)定量纳米机械properties-adhesion地图;(c)一片从金枪鱼临时样本偏差映射(电流-电压)光谱−1 V(封面图片电影从力量上可用130片创建网站);(d)片金枪鱼目前地图选择电压;和(e)扫描势垒高度图像由所有电流-电压光谱分析。彩条显示从欧姆(零)绝缘(一个)。毫微秒示波器分析软件和MATLAB工具箱,它允许一个提取整个立方体的数据在MATLAB进行进一步分析。图像(e)是由MATLAB。

图4。nanoelectrical数据的处理、分析和可视化从DCUBE-TUNA模式与毫微秒示波器分析软件:(a)目前片+ 1 V, (b) point-selected电流-电压光谱(a)编号,(c)密度块基于1890电流-电压光谱dashed-yellow-square地区(一)和(d)金枪鱼电流变化样本偏差在dashed-yellow线(a)在图像上的白色的情节与一系列相应的表面轮廓高度150海里。这是一个二维切片数据立方体的一个固定Y位置坐标表示的图像。

首先,作为一个与标准AFM图像,片的光谱图可以获得额外的处理。这使表面形貌的提取和定量纳米机械地图,如图3 a和b。电流片的固定样本偏差−1 V如图3 c,而更多的在9选择电压电流片如图3 d所示。目前片+ 2 Vγ-Fe收集在一个不同的领域₂O₃示例如图4所示。

其次,可以选择任何光谱,显示出来,并通过单一出口,或者多点选择nanoelectrical,纳米机械、表面形貌图像。所有的光谱选择的地区也可以显示和覆盖。此外,这种密集的光谱可以通过统计技术的可视化集成密度图。

一个示例如图4 c,产于1890年dashed-yellow-square地区光谱如图4所示。黑暗与谱图匹配在这一目标地区的人口密度。在这个特定的例子中,这三个明显的曲线如图4 c表明高三个清晰的电域的行为障碍,障碍,低,绝缘。

第三,先进的毫微秒示波器分析软件还提供电子沿等高线线由用户定义。图4 d说明了金枪鱼电流变化对样本偏差在dashed-yellow线如图4所示。这实际上是一个2 d切片数据立方体的一个固定的Y位置,按照图片上的坐标。每一个垂直线包括谱数据呈现的假彩色金枪鱼电流。沿着线的位置在图4所示(黑暗)blue-to-yellow条纹和金枪鱼电流改变样本偏差。白图如图4 d是沿着dashed-yellow相关表面轮廓线显示在图4中,射程150海里的高度。这表明nanoelectrical特征不明显与表面形貌,只有任意各种粒子之间的不同。yabo214

额外的详细分析和数据处理也可以使用专门的外部分析包,像Python——和基于matlab工具。工具箱提供了这个目的,使用户能够直接导入DCUBE原始数据文件并提取目标渠道。将这些原始数据文件之后,他们甚至可以喂其他编程语言,像Python。例如,电影可以创建演示材料的电动力学。亚博网站下载图3 c显示了金枪鱼当前地图,这是电影的封面图片由256片获得的数据立方体。对于这种测量,取样偏差增加来自−1 V + 1 V。

在第二个例子中,一批分析所有的电流-电压光谱数据立方体是使用MATLAB:金属尖/γ-Fe的势垒高度₂O₃肖克利半导体结被拟合提取热电子发射的电流-电压谱模型。图3 e显示了随后的势垒高度地图,这表明不同γ-Fe之间的异质性₂O₃纳米粒子。yabo214彩条显示从欧姆(零)绝缘(一),证实了先前的研究由sMIM和PeakForce金枪鱼展示清晰的粒子级别的电特性。这是一个标准的情况下的海量数据结合详细的分析可以获得新的、定量、nanoelectrical信息之前,是不可能通过使用传统的AFM模式。

本文是系列文章的第一篇AFM-based nanoelectrical模式:

• 读第2部分:案例研究DataCube AFM扫描电容显微术
• 阅读第3部分:案例研究DataCube扫描微波阻抗和Piezoforce显微镜

引用

• Pittenger B。Erina, n和苏,C。,“定量力学性能的映射在纳米尺度上与PeakForce QNM,”力量应用注释128 (2012)。
• Pittenger、b和Yablon d G。”,提高纳米机械的精度测量与Force-Curve-Based AFM技术,”力量应用注释149 (2017)。
• Berquand,。:“活着的生物样本的定量成像PeakForce QNM原子力显微镜,”力量应用注释135 (2011)。
• Kaemmer, s B。“力量的ScanAsyst概论和PeakForce利用AFM技术,”力量应用注释133 (2011)。
• Pittenger、b和Yablon d G。”,定量测量的弹性与粘弹性性能FASTForce体积CR,”力量应用注释148 (2017)。
• 李,C。今年初,S。、Pittenger b和Mednick,。”,同时电气和机械性能与PeakForce金枪鱼映射在纳米尺度上。”力量应用注释132 (2011)。
• 李,C。等,“PeakForce开尔文探针力显微镜。”力量应用注释140 (2013)。
• 黄,Z。等,“纳米级映射的介电常数和电导率与微波阻抗显微镜,扫描”力量应用注释145 (2016)。
• 来使,Y。史密斯,M。达塔,。,h和Kar-Narayan Benisty年代。”映射压电响应使用专用的纳米材料无损扫描探针技术,”亚博网站下载纳米级9,19290 - 97 (2017)。
• 黄,Z。等,“介绍AFM-Based扫描电化学显微镜:PeakForce SECM,”力量应用注释147 (2017)。
• 江,J·J。et al .,“Nanoelectrical Nanoelectrochemical成像Pt / p-Si和Pt / p +硅电极,”Chemsuschem4657 - 63 (2017)。
• Nellist, m R。等,“原子力显微镜对高分辨率电化学Nanoelectrode技巧,Nanoadhesion Nanoelectrical成像,”纳米技术095711 (2017)。
• Nellist, m R。等,“Potential-Sensing电化学原子力显微镜在operando分析裂解的催化剂和接口。Nat能源3,46 - 52点(2018)。
• 生田斗真,f M。理界面能量,“Nat能源3、6 - 7 (2018)。
• 爱德华兹,H。等,“扫描电容光谱学:pn结的分析技术描述在Si设备,“:列托人72年,698 - 700 (1998)。
• 杨,s M。等,“湿度影响纳米电化学固体银离子导体和局部性的双重性质,“纳米列托人1062 - 69 (2015)。
• 狼,P。等,“数据立方体模式:支持与高维数据集电功能成像,”今天的显微镜(2018)。
• 力量NanoElectrical实验室,https://www.bruker.com/products/surface-and-dimensional-analysis/atomic-force-microscopes/nanoelectrical-lab.html (2019)。
• 拉玛钱德朗p和Varoquaux, G。“Mayavi:科学数据的三维可视化,”第一版Sci英格13日,40 - 50 (2011)。

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