Billeddannelse af ferroelektriske domæner

(Phys.org) —Når tynde film af ferroelektriske materialer dyrkes på enkeltkrystalsubstrater, de kan udvikle områder med justeret polarisering - kaldet "domæner" - der ofte anvender komplekse mønstre. Manipulation af ferroelektriske domæner kan føre til fremskridt inden for en række teknologier. Imidlertid, for at manipulere domænerne, det er vigtigt at studere deres naturlige udvikling. Tidligere undersøgelser har vist, at grænsefladebelastning og elektriske randforhold spiller en stor rolle. Nøjagtige målinger af den lokale polarisering kan hjælpe videnskaben med at lære mere. Ved at ændre egenskaberne af substratet og grænsefladerne mellem de ferroelektriske materialer, man kan styre størrelsen og formen af ​​domænerne og dermed påvirke materialets adfærd.

En lovende metode til at gøre det kaldes Bragg projektion ptychography, eller BPP. Røntgen BPP var tidligere blevet brugt til at måle belastning i halvlederanordninger. Nu, et team af forskere fra Argonne National Laboratory, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Northern Illinois University, og La Trobe University (Australien), der udfører undersøgelser ved U.S. Department of Energy Office of Sciences Advanced Photon Source (APS) og Center for Nanoscale Materials ved Argonne National Laboratory, har fundet en anden applikation til BPP:billeddannelse af lokal polarisering i ferroelektriske tynde film. I fremtiden, denne teknik kan hjælpe forskere med at studere, hvordan domæner udvikler sig i ferroelektriske tyndfilm, og dermed hvordan man manipulerer dem, potentielt forbedring af kritiske teknologier såsom hukommelseslagring.

Først, forskerne brugte kemisk dampaflejring til at dyrke en 25 nm tyk film af det ferroelektriske materiale blytitanat, eller PbTiO3. Når PbTiO3 dyrkes på et bestemt perfekt enkeltkrystalsubstrat, domænerne vil normalt være fordelt i et serpentinmønster. Imidlertid, ved at kontrollere overfladeegenskaberne af substratet, disse domænemønstre kan påvirkes og kontrolleres.

I dette tilfælde, forskerne brugte substrater af strontiumtitanat, eller SrTiO3, som havde overfladefejlskårne trin med en afstand på ca. 22 nm fra hinanden. Ved hjælp af et vækstkammer på Argonne Materials Science Division (MSD), de deponerede PbTiO3 på substraterne, skabe tynde film med stribede domænemønstre.

Det er her, Bragg projektion ptychography kommer ind. På Center for Nanoscale Materials/X-ray Science Division beamline 26-ID-C, forskerne producerede en fokuseret sammenhængende røntgenstråle på omkring 35 nm bred. Når strålen ramte PbTiO3-filmen i en bestemt position og vinkel, det producerede et sammenhængende Bragg-diffraktionsmønster - en slags fingeraftryk af den lokale domænestruktur.

Denne proces blev gentaget ved omkring 650 punkter på filmen, markeret som gule prikker i del (a) af figuren. Fordi røntgenstrålen var større end ændringen i position, oplysningerne fra alle 650 punkter dannede et overlappende datasæt.

Næste, holdet brugte en ptychographic algoritme, som samtidig betragtede alle diffraktionsmønstrene fra hvert overlappende punkt. Med passende begrænsninger, algoritmen konvergerede til det rigtige svar i det rigtige rum, konvertering af data fra gensidigt rum. Baseret på det resulterende nanoskalakort, forskerne skabte et billede af filmens polarisering, som vist i del (b) af figuren. Det stribede domænemønster, de fandt, var i overensstemmelse med strukturen af ​​PbTiO3 -filmens underliggende SrTiO3 -substrat.

For at kontrollere nøjagtigheden af ​​BPP-rekonstruktionen, forskerne målte også den lokale polarisering af PbTiO3-filmen med piezoresponskraftmikroskopi. Denne metode kører en scanningsprobe over filmens overflade for at udtrække lokal polarisationsinformation.

Begge teknikker returnerede lignende oplysninger om domænemønsteret. Imidlertid, piezorespons kraftmikroskopi har en ulempe:den kræver direkte adgang til overfladen, den måler. Hvis en ferroelektrisk film blev brugt som en hukommelsesenhed, det ville være omgivet af lag af andre elektroniske komponenter, og denne metode til at måle polarisering ville være umulig.

BPP, på den anden side, kan udføres på afstand, hvilket betyder, at den kan måle tynde film i ætsende eller lukkede omgivelser, hvor billeddannelse med andre teknikker ville være vanskelig eller umulig. Dette gør BPP til et lovende værktøj til at måle, hvordan materialer ændrer sig under høje temperaturer og tryk.