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锁相放大器在双频谐振跟踪DFRT-AFM 测试应用

锁相放大器在双频谐振跟踪DFRT-AFM 测试应用

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应用说明

双频共振跟踪(DFRT)是一种接触模式原子力显微镜(AFM)技术,用于测量样品的弱电或机械响应。传统的谐振跟踪技术依靠锁相环(PLL)来保持相位恒定,但是这种方法对于铁电材料或其他根据畴方向表现出反相的材料而言是失败的。DFRT的优势在于能够测量相位反转,同时仅将谐振幅度用于反馈。与DFRT技术相关的应用包括:压电响应力显微镜(PFM),对离子电流感应应变敏感的电化学应变显微镜(ESM),以及扫描热离子显微镜(STIM)–测量由热引起的应变振荡。

DFRT特别适用于铁电和多铁材料的薄膜表征,其中共振增强的测量可以测量较弱的信号,并使用较低的极化电压来避免膜击穿。虽然固定的低频锁定测量是块状材料的标准,但转向接触共振技术可以大大增强对机械或电激发的纳米机械响应。

 

测量方法

锁相放大器在双频谐振跟踪DFRT-AFM 测试,第一步是通过扫描当AFM尖端与样品接触时通过电或机械方式驱动的输出频率来识别接触共振(CR)。这样就可以产生一个调幅信号(在信号输出端),该信号在CR的两侧产生两个边带幅度12。在图中,红色曲线说明了作为驱动频率的函数的差2 -A 1:它在谐振周围表现出单调性,并具有良好的增益灵敏度,因此可用于反馈。苏黎世仪器(Zurich Instruments)锁定放大器内部的PID控制器并通过PID Advisor进行了优化-调节差值2在频率c +/- f m测得的边带幅度之间的“-A 1  。该幅度差用作PID控制器的误差信号,并作用在中心频率c。如果由于针尖-样品的相互作用的共振频率的变化,测量的振幅差2 ' -1而不同,并且驱动频率偏移作为结果,如图中所示。在共振时,12重合,因此所选设定点为零。

对于多铁性测量和相关的PFM模式,驱动信号输出直接指向偏置电压。当信号输出到达与样品机械耦合的振动器压电振荡器时,采用相同的测量原理,从而可以观察到纳米机械响应。

 

标准PFMDFRT-PFM

下表突出显示了使用苏黎世仪器进行DFRT-PFM测量与标准PFM测量相比如何带来以下优势:

标准

标准PFM

带有HF2LIUHFLI DFRT-PFM

偏置调制频率

100 Hz至几kHz

CR高达50/600 MHz

频率追踪

无(静态)

频率跟踪地形,用作锁定测量的参考

频率产生

多达2个频率(带有2个锁定或1HF2LI

多达6个频率或2CR

锁定测量

一次锁定测量振幅和相位

中心和边带幅度和相位,PID误差,频移

反馈信号

无(开环)

边带幅度差(2 -A 1),PID Advisor

选择驱动频率

手动调谐,固定频率

始终处于CR,更高的信噪比(SNR

 

选择瑞士Zurich Instruments 锁相放大器优势

l  双峰激励,边带检测和幅度差的PID反馈都可以通过同一Zurich Instruments锁定放大器进行访问。

l  HF2LI锁相放大器的两个输入都可用于同时测量平面内和平面外分量,从而能够研究完整的压电矢量场(幅度,方向和极性)。

l  即使无法使用PLL,也可以使用谐振增强技术来提高测量的灵敏度。相同的PID Advisor可以优化任何线性反馈回路。

l  苏黎世仪器以任何第三方AFM显微镜的简单附件形式提供解决方案:仅需要访问传感器偏转(垂直和横向)和偏置电压(驱动器)即可。

l  通过将数据采集(DAQ)模块与扫描引擎的行结束(EOL)触发器同步,可以将所有内部通道记录为多幅图像。

l  使用带有DFRT的高次谐波分量对离子电流(例如ESM),热感应应变(例如STIM)或其他与谐波相关的现象敏感。

l  跟踪共振频率可降低地形干扰,这对于具有高表面粗糙度的样品尤为重要。

 

参考资料

RodriguezBJ等。纳米技术184755042007

瑞士Zurich Instruments 官网资料整理