Piezoelectric Force Microscopy

Pada artikel ini kita akan membahas mengenai prinsip-prinsip dasar, cara kerja, dan aplikasi dari piezoelectric force microscopy (PFM). PFM merupakan sebuah teknik yang dikembangkan dari scanning probe microscopy (SPM) dengan memanfaatkan efek piezoelektrik (piezoelectric effect) pada suatu material untuk memperlihatkan hasil yang berbeda. Hingga saat ini telah dikembangkan beberapa metode yang dapat digunakan untuk meningkatkan kualitas dan resolusi gambar yang dihasilkan sehingga kita dapat memperoleh informasi yang akurat dari data yang dihasilkan. Di samping itu, kita juga akan sedikit mengulas beberapa contoh hasil image scanning untuk menganalisis respon piezoelektrik yang dihasilkan dari suatu material saat diberikan tegangan listrik tertentu.

***

Prinsip dasar PFM

Sejak pertama kali teknologi SPM diperkenalkan dalam dunia riset, banyak hasil riset terbaru beserta aplikasinya yang dapat diperoleh dari berbagai penelitian dalam skala nano. PFM merupakan pengembangan terbaru dari teknik SPM yang mulai digunakan pada beberapa tahun terkahir ini. PFM dapat digunakan untuk memperoleh informasi karakteristik elektromekanis terkopel yang terdapat dalam berbagai macam material seperti feroelektrik, piezoelektrik, polimer, dan material biologi.

Pada saat menggunakan PFM, tip dari atomic force microscopy (AFM) didekatkan pada permukaan suatu material yang sedang diteliti (material feroelektrik atau piezoelektrik), dan tegangan preset diberikan di antara tip serta permukaan material sehingga menghasilkan medan listrik eksternal pada sampel. Oleh karena adanya efek dari inversi piezoelektrik (electrostriction) yang ditimbulkan oleh material yang bersifat feroelektrik atau piezoelektrik, sampel ini akan mengalami semacam kontraksi (pengerutan) atau ekspansi (peregangan) bergantung dari medan listrik yang dihasilkan.

Sebagai contoh, ketika arah polarisasi awal dari sampel tegak lurus terhadap permukaan sampel dan sejajar terhadap arah medan listrik, domain transport-nya akan mengalami peregangan vertikal. Pada saat tersebut, tip AFM akan mengalami pembengkokan ke arah vertikal. Semakin besar medan listriknya, semakin besar pula pembengkokan yang ditunjukkan oleh tip.

Seperti yang telah disebutkan di atas, hubungan antara regangan (strain) dengan medan listrik dengan electrorestriction, secara matematis dapat digambarkan dengan menggunakan piezoelectric tensor, sebagai berikut:

Di sini X_i adalah strain tensor, d_ki piezoelectric tensor, dan E_k sebagai medan listik yang diberikan sehingga menghasilkan perubahan bentuk fisis (physical deformation) dari material atau sampel yang diamati. Dari kedua persamaan di atas dapat terlihat bahwa ketika medan listrik diberikan hanya pada satu arah tertentu (dalam kasus ini arah ke-3), maka komponen regangan yang dihasilkan ialah d₃₁E₃, d₃₂E₃, d₃₃E₃. Kasus ini yang misalnya terjadi pada material BaTiO₃.

Pada material BaTiO₃, ketika medan listrik diberikan pada arah ke-3 (E₃), struktur kristal BaTiO3 mengalami penguluran (elongation) sepanjang arah-3 (c-axis) yang kemudian akan mengubah bentuk simetri kristal BaTiO₃ itu sendiri secara axial. PFM kemudian digunakan untuk mengamati terjadinya perubahan fisis ini dalam skala nano yang sekaligus mendeteksi perubahan ferroelectric domain berdasarkan arah perubahannya.

Cara kerja PFM

Sampai di sini kita sudah mengetahui bahwa PFM dapat digunakan untuk mendeteksi ferroelectric domain dari suatu material. Akan tetapi, sebelum kita membahas mengenai ferroelectric domain, sebaiknya kita ketahui bagian-bagian dari PFM itu sendiri beserta fungsi-fungsinya.

Ketika tip dari PFM tepat mengenai permukaan sampel dan piezoelectric response terdeteksi dari arah belok cantilever (disebut “fase”, f), kita sudah dapat menentukan arah polarisasi di bawah tip pada sampel. Untuk domain c^–, vektor polarisasinya tegak lurus dengan permukaan sampel ke arah sumbu z^– (dalam koordinat kartesian). Dengan demikian, saat kita memberikan medan listrik melalui tip,

$latex V_{\rm tip} = V_{\rm dc} + V_{\rm ac} \cos (\omega t)$

kita dapat melihat bahwa sampel akan mengalami peregangan (expansion), dan osilasi yang dihasilkan akan sefase dengan tip, $latex \phi = 0^\circ$.

$latex z = z_{\rm dc} + A (\omega, V_{\rm ac}, V_{\rm dc}) \cos (\omega t + \phi)$

Sebaliknya, untuk domain c⁺, akan dihasilkan osilasi yang beda fase dengan tip, f = 180^o yang artinya sampel akan mengalami pengerutan (contraction).

Material feroelektrik dan aplikasi PFM lainnya

Dari pembahasan di atas, dapat disimpulkan bahwa feroelektrik merupakan suatu gejala terjadinya polarisasi listrik spontan tanpa menerima medan listrik dari luar. Polarisasi itu sendiri didefinisikan sebagai jumlah momen dipol per satuan luas. Suatu bahan feroelektrik dikatakan baik berdasarkan kemampuannya mengubah polarisasi internal dengan menggunakan medan listrik yang sesuai dan polarisasi spontan. Selain itu, bahan feroelektrik yang baik juga memiliki beberapa sifat unik, antara lain sifat histerisis dan konstanta dielektrik yang tinggi, sifat piezoelektrik, sifat piroelektrik, dan sifat optik linier untuk film tipis. Untuk menganalisis sifat-sifat itulah diperlukan PFM.

Gambar 3(a) menunjukkan penyearahan momen dipol pada lapisan tipis feroelektrik LiNbO₃ single crystal, gambar 3(b) menunjukkan permukaan, amplitudo, dan fase yang dihasilkan, kita juga dapat mengamati batas domain feroelektrik (ferroelectric domain boundaries) pada LiNbO₃ single crystal, dan gambar 3(c) menunjukkan proyeksi 3 dimensinya. Dari gambar 3(b), dapat ditunjukkan dari PFM phase scan bahwa perubahan orientasi domain feroelektrik berbeda fasa 180^o (z⁺ dan z^–) dan polarisasi dari amplitudo zPFM menunjukkan perubahan arah polarisasi pada bagian domain boundary.

Di samping itu, PFM juga dapat digunakan untuk menganalisis sistem biologis manusia untuk membedakan struktur mikro seperti struktur protein dengan tingkat resolusi yang cukup tinggi. Sebagai contoh, pada gambar 4(a) ditunjukkan gambar PFM topography dan PFM phase dari serat kolagen. Gambar 4(b) adalah gambar PFM phase yang menunjukkan sel darah merah manusia.

Bahan bacaan:

• http://en.wikipedia.org/wiki/Piezoresponse_force_microscopy
• http://www.asylumresearch.com
• S. Kalinin dan A. Gruverman, Scanning Probe Microscopy, Springer (2007).

Penulis:
Fran Kurnia, mahasiswa S3 di The University of New South Wales, Australia.
Kontak: fran.kurnia(at)yahoo(dot)com.