Piëzoresponskrachtmicroscopie (PFM) is de meest wijdverbreide techniek voor het karakteriseren van piëzo-elektrische eigenschappen op nanoschaal, d.w.z., voor het bepalen van het vermogen van sommige materialen om elektriciteit op te wekken wanneer ze worden blootgesteld aan mechanische belasting en vervormen als reactie op een spanning. Piëzo-elektriciteit wordt gebruikt in een breed scala aan toepassingen, inclusief zwangerschapsecho's, injectie motoren, sensoren die vervormingen meten, actuatoren en sonar, onder andere. Piezoresponskrachtmicroscopie bepaalt niet alleen of een materiaal piëzo-elektrisch is, maar ook de mate van piëzo-elektriciteit, en het is vooral belangrijk voor toepassingen van deze materialen in micro-elektronica en nanotechnologie.

Nutsvoorzieningen, een team van onderzoekers van het Laboratory of Computational Methods and Numerical Analysis (LaCàN) aan de Universitat Politècnica de Catalunya · BarcelonaTech (UPC) en het Catalan Institute of Nanoscience and Nanotechnology (ICN2) heeft theoretisch en experimenteel aangetoond dat de PFM-techniek valse positieven wanneer de piëzo-elektriciteit van een materiaal wordt gemeten op nanoschaal. De PFM-techniek bestaat uit het aanbrengen van een spanning op het oppervlak van een materiaal via een elektrisch geleidende punt in een atomic force microscope (AFM). De microscopische punt zelf detecteert de vervorming van het materiaal als reactie op spanning; de piëzo-elektrische coëfficiënt wordt verkregen door de vervorming te delen door de spanning. De onderzoekers laten zien, echter, dat de toepassing van een spanning met een nanoscopische punt vervormingen kan veroorzaken in elk materiaal, al dan niet piëzo-elektrisch. Met andere woorden, elk materiaal gemeten met een piëzoresponskrachtmicroscoop geeft een piëzo-elektrische coëfficiënt die niet nul is, zelfs als het niet piëzo-elektrisch is.

De oorzaak van dit merkwaardige gedrag is flexo-elektriciteit, een fenomeen dat optreedt op nanoschaal waarbij al het materiaal een kleine spanning afgeeft wanneer er een inhomogene druk op wordt uitgeoefend, of het wordt vervormd wanneer er een inhomogeen elektrisch veld op wordt toegepast. Dat is precies het soort veld dat wordt gegenereerd door microscopische tips.

Flexo-elektriciteit kan een materiaal niet alleen ten onrechte piëzo-elektrisch doen lijken, maar kan ook de piëzo-elektrische coëfficiënt van de piëzo-elektrische materialen veranderen. Dit heeft zeer belangrijke gevolgen voor de karakterisering van piëzo-elektrische apparaten in de micro-elektronica. De resultaten impliceren dat vanaf nu, metingen gemaakt met PFM om de materialen in deze apparaten te karakteriseren, moeten rekening houden met het effect van flexo-elektriciteit.

"We bestuderen flexo-elektriciteit vanuit het computationele oogpunt, die veel fundamentele manifestaties van de natuurkunde omvat, " legt LaCàN-onderzoeker Irene Arias uit, toevoegen, "We hebben ontdekt dat de PFM-techniek valse positieven kan opleveren omdat het niet alleen piëzo-elektriciteit meet, d.w.z. de reactie op een elektrisch veld, maar ook flexo-elektriciteit. We hebben een model ontwikkeld waarmee we deze reacties kunnen kwantificeren en, daarom, om het piëzo-elektrische deel van het flexo-elektrische deel te scheiden."