周囲条件での誘電体界面のマッピングのための静電力顕微鏡の横方向の分解能

Lateral resolution of electrostatic force microscopy for mapping of dielectric interfaces in ambient conditions.

• M Labardi
• A Bertolla
• C Sollogoub
• R Casalini
• S Capaccioli

抄録

誘電体材料の静電力顕微鏡(EFM)の横方向の分解能は、誘電体材料の周囲空気環境下で達成可能であることを、超微小切開法で断面を切断した2つの異なる非混和性のガラス状ポリマーで構成された参照サンプルで特徴づけた。このようなサンプルは、シャープな界面を持つ2つの半無限誘電体としてモデル化することができ、準理想的なシャープな誘電体コントラストを示すことができる。界面を横切る電気的偏極性ラインプロファイルを、リフトモードとフィードバック制御ダイナミックモードEFMの両方で、プローブと表面の分離の関数として、振動振幅の異なるケースで得た。この結果は誘電体サンプルの予測値とは一致しないが、導電性界面の予測値とよく一致しているか、あるいはそれ以上であることがわかった。定励振周波数変調モードを採用してフィードバック制御されたEFMで動作させることにより、3nmまでの分解能を得ることができた。このことは、プローブの振動振幅が10nmと高い場合でも、分解能は平均的な距離ではなく、最も近い距離に支配されていることを示唆している。理論的な予測値とよりよく比較するために、以前に原子間ポテンシャルの導出のために考案されたデータ削減法を利用して、プローブの有限振動振幅を考慮に入れて、アプローチカーブから有効プローブ半径とコーン開口角を導出した。

The attainable lateral resolution of electrostatic force microscopy (EFM) in an ambient air environment on dielectric materials was characterized on a reference sample comprised of two distinct, immiscible glassy polymers cut in a cross-section by ultramicrotomy. Such a sample can be modeled as two semi-infinite dielectrics with a sharp interface, presenting a quasi-ideal, sharp dielectric contrast. Electric polarizability line profiles across the interface were obtained, in both lift-mode and feedback-regulated dynamic mode EFM, as a function of probe/surface separation, for different cases of oscillation amplitudes. We find that the results do not match predictions for dielectric samples, but comply well or are even better than predicted for conductive interfaces. A resolution down to 3 nm can be obtained by operating in feedback-regulated EFM realized by adopting constant-excitation frequency-modulation mode. This suggests resolution is ruled by the closest approach distance rather than by average separation, even with probe oscillation amplitudes as high as 10 nm. For better comparison with theoretical predictions, effective probe radii and cone aperture angles were derived from approach curves, by also taking into account the finite oscillation amplitude of the probe, by exploiting a data reduction procedure previously devised for the derivation of interatomic potentials.