Hochauflösende Charakterisierung von Piezoaktuatoren mittels Michelson-Interferometrie

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Eleonora Kuntz
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1 Hochauflösende Charakterisierung von Piezoaktuatoren mittels Michelson-Interferometrie High resolution characterization of piezo actuators using Michelson interferometry Bachelorarbeit im Rahmen des 2-Fächer-Bachelorstudiengangs (Profil Lehramt) angefertigt am IV. Physikalischen Institut der Georg-August-Universität Göttingen vorgelegt von: Arne Grimsel Prüfer: Herr Dr. M. Wenderoth Frau Prof. Dr. S. Schneider Göttingen Oktober 2008

2 Inhaltsverzeichnis Inhaltsverzeichnis 1 Motivation Theoretischer Hintergrund Piezoelektrischer Effekt Geschichte und Erläuterung des Effekts Verwendete z-piezorohre Nichtlinearitäten, Hysterese und Kriecheffekte Anforderungen an die Messapparatur Michelsoninterferometer Schematischer Aufbau und Interferenzerscheinung Zweistrahlinterferenz und Intensitätsverteilung Experimenteller Aufbau Testaufbau mit angeklebten z-piezorohr Messwerterfassung Ansteuerung der z-piezorohre Empfindlichkeit des Testaufbaus Konstruktion und Aufbau der Piezohalterung Charakterisierung des angeklebten z-piezorohres Bestimmung der Hysterese und der Empfindlichkeit des z-piezorohres Nachkriechverhalten des z-piezorohres und Kriechfaktor Nachkriechverhalten bei unterschiedlichen Spannungshüben Umkehr der Nachkriechrichtung durch Veränderung der angelegten Spannung Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis... 58

3 4 1 Motivation 1 Motivation Durch die Ausnutzung des quantenmechanischen Tunneleffekts konnten G. Binnig und H. Rohrer im Jahre 1981 als Erste das Rastertunnel-Mikroskop (STM: Scanning Tunneling Microscope) etablieren [1]. Mit Hilfe des STM können Strukturen auf atomarer Ebene untersucht und manipuliert werden, was in der heutigen Zeit z.b. in der Computerbranche wegen der schrumpfenden Schaltkreisgröße einen immer höheren Stellenwert einnimmt [2]. Im STM wird die zu untersuchende Probe mit einer Spitze, die idealerweise mit einem Atom endet, durch die Bewegung piezoelektrischer Elemente abgerastert. Piezoelektrizität bedeutet als Eigenschaft dieser Elemente, dass sie unter mechanischer Spannung ein elektrisches Feld erzeugen. Dieser Effekt ist umkehrbar, womit sich ein derartiges Element im elektrischen Feld verformt, was im STM ausgenutzt wird, um die Scannerspitze in x, y, z-richtung zu positionieren. Es gibt verschiedene Möglichkeiten des STM-Aufbaus, beispielsweise kann die Spitze über mehrere Balkenpiezos bewegt werden. Am IV. Physikalischen Institut wird ein etwas modifizierter beetle -Typ benutzt [3], bei dem vier identische piezoelektrische Rohre verwendet werden. Diese Rohre sind wenige Zentimeter lang und haben eine Wanddicke von ungefähr 0,5mm. Der piezoelektrische Effekt der eingesetzten Rohre wird durch ferroelektrische Eigenschaften hervorgerufen. Dabei entstehen Nichtlinearitäten in der Bewegung der piezoelektrischen Rohre, wie Hystereseeffekte und Nachkriechen der Bewegung, bei Änderung des angelegten Feldes. Diese Phänomene erschweren die Messwertaufnahme, da die STM-Messungen eine hohe Stabilität an die Bewegung der Scannerspitze erfordern [3]. Deshalb müssen die Messwerte im Nachhinein mit bekannten Strukturen verglichen werden und die Verzerrungen durch die nichtlineare Bewegung herausgerechnet werden [4]. Diese Arbeit wird daher als Ziel haben, einen Aufbau zu konstruieren, mit dem piezoelektrische Rohre im Ansteuerungsbereich von ±150V unbeschädigt in einer Dimension charakterisiert werden können. Weiterhin sollen die Nichtlinearitäten in der Bewegung der piezoelektrischen Rohre untersucht werden und Möglichkeiten aufgezeigt werden, wie man diese Nichtlinearitäten ausgleichen bzw. mit in die Messungen einbeziehen kann. Dadurch sollen beispielsweise Messzeiten reduziert werden.

4 1 Motivation 5 Aus diesen Gründen erscheint eine Ausdehnungssteuerung der piezoelektrischen Elemente sinnvoll, um die Nichtlinearitäten zu beherrschen. Hierfür gibt es mehrere mögliche Methoden, die in direkte und indirekte Methoden unterteilt werden. Direkte Methoden wie Dehnungsmessstreifen oder kapazitive Positionssensoren messen die Ausdehnung intern an den Rohren [5], so dass diese in den ohnehin schon kompakten Aufbau eines STM integriert werden müssten. Deshalb erscheint es für einen STM-Aufbau sinnvoller zu sein, die Ausdehnungssteuerung extern über einen separaten Aufbau zu erreichen.

5 5 Zusammenfassung und Ausblick 49 5 Zusammenfassung und Ausblick Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die externe Ausdehnungssteuerung von Piezorohren durch das Michelsoninterferometer hoch aufgelöste Ergebnisse ermöglicht. Dieser Aspekt kann anhand der in Kapitel beschriebenen Empfindlichkeit des in dieser Arbeit verwendeten Testaufbaus erkannt werden und durch die hoch aufgelöste Charakterisierung des angeklebten Piezorohres in Kapitel 4 bekräftigt werden. Während der Charakterisierung des Piezorohres wurde zusätzlich gezeigt, dass das Nachkriechen der Position durch gezielte Änderungen der am Piezorohr angelegten Spannungen deutlich reduziert werden kann. Mit einer Übertragung der in Kapitel durchgeführten Simulation der Annäherung einer Probe im STM in die STM-Messungen könnte die Annäherung an die Probe im STM schneller erbracht werden, was die STM-Messzeiten verkürzen würde. Das Ziel dieser Arbeit, eine Halterung für die beschädigungsfreie Charakterisierung von Piezorohren zu entwickeln, ist erreicht worden. Es bleibt zu prüfen, ob die entwickelte Halterung vergleichbare Ergebnisse, wie in Kapitel 4 für das angeklebte Piezorohr gezeigt, mit vergleichbarer Auflösung wie im beschriebenen Testaufbau erbringen kann. Weiterhin bleibt zu klären, ob die durch diesen externen Aufbau erhaltenen Ergebnisse das genaue Ausdehnungsverhalten der Piezorohre wiedergeben und somit in die STM übertragen werden können. Dieser Test sowie die optimale Auflösung der konstruierten Halterung konnten aufgrund der begrenzten Zeit in dieser Arbeit nicht geleistet werden und werden eine zukünftige Aufgabe sein. Wäre dies möglich, könnte unter anderem untersucht werden, ob die Piezostellelemente baugleich sind und damit ein identisches Ausdehnungsverhalten besitzen.

6 7 Literaturverzeichnis 58 7 Literaturverzeichnis [1] Binnig, G., Rohrer, H., Gerber, C. und Weibel, E. Appl. Phys. Lett. 49(1), 57 July (1982). [2] Loth, S. Atomic scale images of acceptors in III-V semiconductors: band bending, tunnelling paths and wave functions. Diss., IV. Physikalisches Institut der Georg-August-Universität Göttingen, Göttingen [3] Besocke, K. Surf. Sci. 181(1-2), 145 March (1987). [4] Löser, K. Strukturelle und elektronische Eigenschaften von Silizid-Nanodrähten auf Si(557) Diplomarbeit, Institut für Festkörperphysik der Technischen Universität Berlin, Berlin [5] Physik Instrumente (PI) GmbH & Co KG Tutorium: Piezoaktorik und Nanopositionierung herausgegeben von dem Hersteller der Piezorohre und veröffentlicht auf der Internetseite: http//: entnommen am [6] PI Ceramic GmbH Piezokeramische Materialien und Bauelemente herausgegeben von der Tochterfirma des Herstellers der Piezorohre. Veröffentlicht auf der Internetseite: http//: entnommen am [7] Kittel, Ch. Einführung in die Festkörperphysik, Oldenbourg Verlag, München, Wien, 14. Auflage, [8] Chen, J. Introduction to Scanning Tunneling Microscopy. Oxford University Press, [9] Reindl, F. Piezoelektrische Materialien, Institut für Mikrosystemtechnik, Albert-Ludwig-Universität Freiburg. Veröffentlicht auf der Internetseite: http//: entnommen am [10] Hecht, E. Optik, Addison-Wesley (Deutschland) GmbH, Bonn, München, 2. Auflage, 1991.

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