7 октября 2021 года Обзор Бетан Дэвис

]

Сегнетоэлектрические материалы имеют особую внутреннюю структуру. Что касается кристаллических материалов, ионы четко организуются в отдельных областях, известных как домены. Для изменения так называемой поляризации можно использовать электрическое поле или внешнее давление.

Эти характеристики делают сегнетоэлектрические материалы уникальными для ряда технических применений. Например, они идеальны в качестве материала для конденсаторов – или, из-за очень маленького размера доменов, для хранения большого количества данных в небольшом пространстве.

Однако что заставляет сегнетоэлектрические свойства изменяться, когда размеры материала значительно уменьшаются, например, чтобы использовать их в наноэлектронных деталях? Эксперименты показали, что сжатие оказывает огромное влияние на структуру сегнетоэлектрической поляризации.

Когда размеры уменьшаются, сегнетоэлектрические домены могут принимать совершенно другую форму с пространственной протяженностью всего в несколько нанометров. Разнообразие электрических структур в нанокристаллическом масштабе открывает совершенно новые захватывающие горизонты как для понимания физики этих объектов, так и для их потенциальных приложений. Одна из ключевых задач – иметь возможность визуализировать такие крошечные домены неразрушающим способом .

Д-р. Катрин Дубурдье, профессор и руководитель Института функциональных оксидов для энергоэффективных информационных технологий, Helmholtz Zentrum Berlin für Materialien und Energie

Кэтрин Дюбурдье и ее команда вместе с другими исследователями из Окриджской национальной лаборатории (ORNL) в Соединенных Штатах Америки открыли метод точного и неразрушающего картирования поляризационной картины в тонких сегнетоэлектрических слоях. Для этой цели исследователи использовали так называемый контактный силовой микроскоп Кельвина (cKPFM), метод, который вычисляет электромеханический отклик материала при электрическом смещении.

Команда HZB использовала технику машинного обучения для анализа огромного количества данных, генерируемых путем сопоставления с размером пикселя всего 8×8 нм ² . Это сделало ощутимым пространственное разделение сегнетоэлектрических доменов размером менее 10 нм и с различной амплитудой поляризации.

Исследовательская группа использовала титанат (BaTiO ₃ ) в двух кристаллических формах в качестве материала образца. Первый был в так называемой перовскитной структуре (один из хорошо известных сегнетоэлектрических материалов), а второй – в гексагональной структуре, которая не является сегнетоэлектрической при температуре окружающей среды.

Чтобы проверить надежность используемой техники измерения, группы HZB и ORNL также протестировали наноструктуры с помощью просвечивающего электронного микроскопа (ТЕМ).

Дубурдье сказал: « Результаты обоих экспериментальных методов полностью согласуются ». Ученые также смогли использовать эту технику, чтобы проследить эволюцию сегнетоэлектрической структуры во время нагрева образца до его параэлектрического состояния. Это дает возможность исследовать температурную зависимость распределения сегнетоэлектрических доменов и наблюдать, как сегнетоэлектрические домены образуются в пространстве ниже так называемой температуры Кюри

.

Наши результаты открывают многообещающую перспективу для изучения большого разнообразия поляризационных структур на наноуровне. Это может привести, например, к картированию распределения топологических полярных текстур, таких как полярные скирмионы, которые, как было показано, имеют размеры около 10 нм. Его также можно использовать для отделения полярных доменов от неполярных в поликристаллических сегнетоэлектрических тонких пленках на основе HfO2, типе материалов, которые интенсивно изучаются на предмет их потенциальной интеграции в современную наноэлектронику .

Д-р. Катрин Дубурдье, профессор и руководитель Института функциональных оксидов для энергоэффективных информационных технологий, Helmholtz Zentrum Berlin für Materialien und Energie

« В будущем отображение сегнетоэлектричества на наномасштабе с помощью машинного обучения, несомненно, принесет понимание явлений, происходящих при уменьшении размеров, и принесет пользу для интеграции сегнетоэлектриков в наноустройства », – заключил Дюбурдье. .

Ссылка на журнал:

Schmitt, S. W., и др. . (2021) Зондирование сегнетоэлектричества в гетерогенных материалах толщиной менее 10 нм с помощью машинного обучения с использованием контактной силовой микроскопии Кельвина. Прикладные электронные материалы ACS . doi.org/10.1021/acsaelm.1c00569.

Источник: https://www.helmholtz-berlin.de/[19459007visible