(Phys.org) —Wanneer dunne films van ferro-elektrische materialen worden gekweekt op eenkristalsubstraten, ze kunnen regio's van uitgelijnde polarisatie ontwikkelen - "domeinen" genoemd - die vaak complexe patronen aannemen. Manipulatie van ferro-elektrische domeinen kan leiden tot vooruitgang in een aantal technologieën. Echter, om de domeinen te manipuleren, het is belangrijk om hun natuurlijke ontwikkeling te bestuderen. Eerdere studies hebben aangetoond dat grensvlakspanning en elektrische randvoorwaarden een grote rol spelen. Nauwkeurige metingen van de lokale polarisatie kunnen de wetenschap helpen meer te leren. Door de eigenschappen van het substraat en de interfaces van de ferro-elektrische materialen te veranderen, men kan de grootte en vorm van de domeinen controleren en zo het gedrag van het materiaal beïnvloeden.

Een veelbelovende methode om dit te doen is Bragg-projectie ptychografie, of BPP. X-ray BPP was eerder gebruikt om spanning in halfgeleiderapparaten te meten. Nutsvoorzieningen, een team van wetenschappers van het Argonne National Laboratory, het Korea Advanced Institute of Science and Technology, Universiteit van Noord-Illinois, en La Trobe University (Australië) die studies uitvoerde bij de Advanced Photon Source (APS) van het Amerikaanse Department of Energy Office of Science en het Center for Nanoscale Materials in het Argonne National Laboratory, heeft een andere toepassing voor BPP gevonden:beeldvorming van lokale polarisatie in ferro-elektrische dunne films. In de toekomst, deze techniek kan wetenschappers helpen bestuderen hoe domeinen zich ontwikkelen in ferro-elektrische dunne films, en dus hoe ze te manipuleren, mogelijk het verbeteren van kritieke technologieën zoals geheugenopslag.

Eerst, gebruikten de onderzoekers chemische dampafzetting om een ​​25 nm dikke film van het ferro-elektrische materiaal loodtitanaat te laten groeien, of PbTiO3. Wanneer PbTiO3 wordt gekweekt op bepaalde perfecte eenkristalsubstraten, de domeinen zullen normaal gesproken in een serpentinepatroon worden verdeeld. Echter, door de oppervlakte-eigenschappen van het substraat te regelen, deze domeinpatronen kunnen worden beïnvloed en gecontroleerd.

In dit geval, de onderzoekers gebruikten substraten van strontiumtitanaat, of SrTiO3, die op het oppervlak verkeerd gesneden stappen hadden met een onderlinge afstand van ongeveer 22 nm. Met behulp van een groeikamer bij de Argonne Materials Science Division (MSD), ze zetten PbTiO3 af op de substraten, het creëren van dunne films met gestreepte domeinpatronen.

Dat is waar Bragg-projectie ptychografie om de hoek komt kijken. Bij het Center for Nanoscale Materials/X-ray Science Division bundellijn 26-ID-C, de onderzoekers produceerden een gefocusseerde coherente röntgenstraal van ongeveer 35 nm breed. Wanneer de straal de PbTiO3-film in een specifieke positie en hoek raakt, het produceerde een coherent Bragg-diffractiepatroon - een soort vingerafdruk van de lokale domeinstructuur.

Dit proces werd herhaald op ongeveer 650 punten op de film, gemarkeerd als gele stippen in deel (a) van de afbeelding. Omdat de röntgenstraal groter was dan de verandering in positie, de informatie van alle 650 punten vormden een overlappende dataset.

Volgende, het team gebruikte een ptychografisch algoritme, die tegelijkertijd alle diffractiepatronen van elk overlappend punt in aanmerking nam. Met de juiste beperkingen, het algoritme convergeerde naar het juiste antwoord in de echte ruimte, het converteren van de gegevens uit de wederzijdse ruimte. Op basis van de resulterende kaart op nanoschaal, de onderzoekers maakten een beeld van de polarisatie van de film, zoals weergegeven in deel (b) van de figuur. Het gestreepte domeinpatroon dat ze vonden, kwam overeen met de structuur van het onderliggende SrTiO3-substraat van de PbTiO3-film.

Om de nauwkeurigheid van de BPP-reconstructie te controleren, de onderzoekers maten ook de lokale polarisatie van de PbTiO3-film met piëzoresponskrachtmicroscopie. Deze methode laat een scansonde over het oppervlak van de film lopen om lokale polarisatie-informatie te extraheren.

Beide technieken gaven vergelijkbare informatie over het domeinpatroon. Echter, piëzoresponskrachtmicroscopie heeft een nadeel:het vereist directe toegang tot het te meten oppervlak. Als een ferro-elektrische film werd gebruikt als geheugenapparaat, het zou worden omgeven door lagen van andere elektronische componenten, en deze methode om polarisatie te meten zou onmogelijk zijn.

BPP, anderzijds, op afstand kan worden uitgevoerd, wat betekent dat het dunne films kan meten in corrosieve of gesloten omgevingen waar beeldvorming met andere technieken moeilijk of onmogelijk zou zijn. Dit maakt BPP een veelbelovend instrument om te meten hoe materialen veranderen onder hoge temperaturen en drukken.