Piezoresponse force microscopy (PFM) är den mest utbredda tekniken för att karakterisera piezoelektriska egenskaper på nanoskala, d.v.s. för att bestämma förmågan hos vissa material att generera elektricitet när de utsätts för mekanisk påfrestning och deformeras som svar på en spänning. Piezoelektricitet används i en mängd olika applikationer, inklusive graviditets ultraljud, injektionsmotorer, sensorer som mäter deformationer, ställdon och ekolod, bland andra. Piezoresponse kraftmikroskopi avgör inte bara om ett material är piezoelektriskt, men också dess grad av piezoelektricitet, och det är särskilt viktigt för tillämpningar av dessa material inom mikroelektronik och nanoteknik.

Nu, ett team av forskare från Laboratory of Computational Methods and Numerical Analysis (LaCàN) vid Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) och Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) har teoretiskt och experimentellt visat att PFM -tekniken kan generera falska positivt när materialets piezoelektricitet mäts i nanoskala. PFM -tekniken består av att applicera en spänning på ett materials yta via en elektriskt ledande spets i ett atomkraftmikroskop (AFM). Den mikroskopiska spetsen själv detekterar deformationen av materialet som svar på spänning; den piezoelektriska koefficienten erhålls genom att dela deformationen med spänningen. Forskarna visar, dock, att applicering av en spänning med en nanoskopisk spets kan generera deformationer i vilket material som helst, oavsett om den är piezoelektrisk eller inte. Med andra ord, vilket material som helst mätt med ett piezoresponse-kraftmikroskop ger en piezoelektrisk koefficient som inte är noll, även om den inte är piezoelektrisk.

Orsaken till detta märkliga beteende är flexoelektricitet, ett fenomen som uppstår i nanoskala där allt material avger en liten spänning när ett inhomogent tryck appliceras på det, eller deformeras när ett inhomogent elektriskt fält appliceras på det. Det är just den typen av fält som genereras av mikroskopiska tips.

Flexoelektricitet får inte bara få ett material att verka piezoelektriskt felaktigt, men kan också ändra den piezoelektriska koefficienten för de material som är piezoelektriska. Detta har mycket viktiga konsekvenser för karakteriseringen av piezoelektriska enheter inom mikroelektronik. Resultaten innebär att från och med nu, mätningar som gjorts med PFM för att karakterisera materialen i dessa enheter bör ta hänsyn till effekten av flexoelektricitet.

"Vi studerar flexoelektricitet ur beräkningssynpunkt, som involverar många grundläggande manifestationer av fysik, "förklarar LaCàN -forskaren Irene Arias, lägga till, "Vi har upptäckt att PFM -tekniken kan presentera falska positiva eftersom den inte bara mäter piezoelektricitet, dvs svaret på ett elektriskt fält, men också flexoelektricitet. Vi har utvecklat en modell som gör att vi kan kvantifiera dessa svar och, därför, att skilja den piezoelektriska delen från den flexoelektriska delen. "