De randiga domänerna av tunnfilmsledningstitanat (PbTiO3) avbildas med röntgen-Bragg-projektion ptychography. a) Amplituden för den rekonstruerade filmen, där de gula prickarna representerar strålens positioner. b) Fasen av den rekonstruerade filmen, visar tydligt det randiga polarisationsmönstret. c) Ett amplitudtvärsnitt längs den streckade linjen i a), färgad med fasen för den streckade linjen i b).
(Phys.org) —När tunna filmer av ferroelektriska material odlas på enkristallsubstrat, de kan utveckla regioner med inriktad polarisering – kallade "domäner" – som ofta antar komplexa mönster. Manipulering av ferroelektriska domäner kan leda till framsteg inom ett antal tekniker. Dock, för att manipulera domänerna, det är viktigt att studera deras naturliga utveckling. Tidigare studier har visat att gränsyttöjning och elektriska gränsförhållanden spelar en stor roll. Exakta mätningar av den lokala polarisationen kan hjälpa vetenskapen att lära sig mer. Genom att ändra egenskaper hos substratet och gränsytorna för de ferroelektriska materialen, man kan styra storleken och formen på domänerna och därmed påverka materialets beteende.
En lovande metod för att göra det kallas Bragg projektionsptychography, eller BPP. Röntgen BPP hade tidigare använts för att mäta töjning i halvledarenheter. Nu, ett team av forskare från Argonne National Laboratory, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Northern Illinois University, och La Trobe University (Australien) som genomför studier vid U.S. Department of Energy Office of Science Advanced Photon Source (APS) och Center for Nanoscale Materials vid Argonne National Laboratory har hittat en annan applikation för BPP:avbildning av lokal polarisering i ferroelektriska tunna filmer. I framtiden, denna teknik kan hjälpa forskare att studera hur domäner utvecklas i ferroelektriska tunna filmer, och därmed hur man manipulerar dem, potentiellt förbättra kritisk teknik som minneslagring.
Först, forskarna använde kemisk ångavsättning för att odla en 25 nm tjock film av det ferroelektriska materialet blytitanat, eller PbTiO3. När PbTiO3 odlas på ett visst perfekt enkristallsubstrat, domänerna kommer normalt att vara fördelade i ett serpentinmönster. Dock, genom att kontrollera substratets ytegenskaper, dessa domänmönster kan påverkas och kontrolleras.
I detta fall, forskarna använde substrat av strontiumtitanat, eller SrTiO3, som hade felskurna ytsteg placerade med ett avstånd av cirka 22 nm från varandra. Med hjälp av en tillväxtkammare vid Argonne Materials Science Division (MSD), de deponerade PbTiO3 på substraten, skapa tunna filmer med randiga domänmönster.
Det är där Bragg projektionsptychography kommer in. På Center for Nanoscale Materials/X-ray Science Division beamline 26-ID-C, forskarna producerade en fokuserad koherent röntgenstråle cirka 35 nm bred. När strålen träffade PbTiO3-filmen i en specifik position och vinkel, det producerade ett sammanhängande Bragg-diffraktionsmönster - ett slags fingeravtryck av den lokala domänstrukturen.
Denna process upprepades vid cirka 650 punkter på filmen, markerade som gula prickar i del (a) i figuren. Eftersom röntgenstrålen var större än förändringen i position, informationen från alla 650 punkter bildade en överlappad datamängd.
Nästa, laget använde en ptychographic algoritm, som samtidigt beaktade alla diffraktionsmönster från varje överlappande punkt. Med lämpliga begränsningar, algoritmen konvergerade till rätt svar i verkligt utrymme, konvertera data från ömsesidigt utrymme. Baserat på den resulterande nanoskala kartan, forskarna skapade en bild av filmens polarisering, som visas i del (b) i figuren. Det randiga domänmönstret de hittade överensstämde med strukturen av PbTiO3-filmens underliggande SrTiO3-substrat.
För att kontrollera BPP-rekonstruktionens noggrannhet, forskarna mätte också den lokala polariseringen av PbTiO3-filmen med piezoresponskraftmikroskopi. Denna metod kör en skanningsprob över filmens yta för att extrahera lokal polarisationsinformation.
Båda teknikerna gav liknande information om domänmönstret. Dock, piezoresponse kraftmikroskopi har en nackdel:den kräver direkt åtkomst till ytan den mäter. Om en ferroelektrisk film användes som minnesenhet, det skulle vara omgivet av lager av andra elektroniska komponenter, och denna metod för att mäta polarisation skulle vara omöjlig.
BPP, å andra sidan, kan utföras på avstånd, vilket innebär att den kan mäta tunna filmer i frätande eller inneslutna miljöer där avbildning med andra tekniker skulle vara svårt eller omöjligt. Detta gör BPP till ett lovande verktyg för att mäta hur material förändras under höga temperaturer och tryck.
