Les domaines rayés du titanate de plomb en film mince (PbTiO3) imagés à l'aide de la ptychographie par projection de Bragg aux rayons X. a) L'amplitude du film reconstruit, où les points jaunes représentent les positions du faisceau. b) La phase du film reconstruit, montrant clairement le motif rayé de polarisation. c) Une section efficace d'amplitude le long de la ligne pointillée en a), coloré avec la phase de la ligne pointillée en b).
(Phys.org) —Lorsque des couches minces de matériaux ferroélectriques sont cultivées sur des substrats monocristallins, ils peuvent développer des régions de polarisation alignée – appelées « domaines » – qui adoptent souvent des schémas complexes. La manipulation des domaines ferroélectriques peut conduire à des avancées dans un certain nombre de technologies. Cependant, afin de manipuler les domaines, il est important d'étudier leur développement naturel. Des études antérieures ont montré que la déformation interfaciale et les conditions aux limites électriques jouent un rôle important. Des mesures précises de la polarisation locale peuvent aider la science à en apprendre davantage. En modifiant les propriétés du substrat et les interfaces des matériaux ferroélectriques, on peut contrôler la taille et la forme des domaines et ainsi influencer le comportement du matériau.
Une méthode prometteuse pour le faire est appelée ptychographie de projection de Bragg, ou BPP. Le BPP à rayons X avait déjà été utilisé pour mesurer la contrainte dans les dispositifs à semi-conducteurs. Maintenant, une équipe de scientifiques du Laboratoire National d'Argonne, l'Institut avancé coréen des sciences et de la technologie, Université du Nord de l'Illinois, et l'Université de La Trobe (Australie) qui mène des études à la source de photons avancée (APS) de l'Office of Science des États-Unis et au Centre pour les matériaux à l'échelle nanométrique du laboratoire national d'Argonne a trouvé une autre application pour le BPP :l'imagerie de la polarisation locale dans des films minces ferroélectriques. À l'avenir, cette technique peut aider les scientifiques à étudier comment les domaines se développent dans les films minces ferroélectriques, et donc comment les manipuler, améliorer potentiellement les technologies critiques telles que le stockage en mémoire.
D'abord, les chercheurs ont utilisé le dépôt chimique en phase vapeur pour faire croître un film de 25 nm d'épaisseur du matériau ferroélectrique titanate de plomb, ou PbTiO3. Lorsque PbTiO3 est cultivé sur certains substrats monocristallins parfaits, les domaines seront normalement distribués selon un motif en serpentin. Cependant, en contrôlant les propriétés de surface du substrat, ces modèles de domaine peuvent être influencés et contrôlés.
Dans ce cas, les chercheurs ont utilisé des substrats de titanate de strontium, ou SrTiO3, qui avait des marches mal coupées en surface espacées d'environ 22 nm. A l'aide d'une chambre de croissance à la Division Science des Matériaux (MSD) d'Argonne, ils ont déposé du PbTiO3 sur les substrats, créer des films minces avec des motifs de domaine rayés.
C'est là qu'intervient la ptychographie par projection de Bragg. Sur la ligne de lumière 26-ID-C du Center for Nanoscale Materials/X-ray Science Division, les chercheurs ont produit un faisceau de rayons X cohérent focalisé d'environ 35 nm de large. Lorsque le faisceau frappe le film de PbTiO3 à une position et à un angle spécifiques, il a produit un motif de diffraction de Bragg cohérent, une sorte d'empreinte de la structure du domaine local.
Ce processus a été répété à environ 650 points sur le film, marqués par des points jaunes dans la partie (a) de la figure. Parce que le faisceau de rayons X était plus grand que le changement de position, les informations de tous les 650 points ont formé un ensemble de données superposées.
Prochain, l'équipe a utilisé un algorithme ptychographique, qui a considéré simultanément tous les diagrammes de diffraction de chaque point chevauché. Avec des contraintes appropriées, l'algorithme a convergé vers la bonne réponse dans l'espace réel, convertir les données de l'espace réciproque. Sur la base de la carte à l'échelle nanométrique résultante, les chercheurs ont créé une image de la polarisation du film, comme indiqué dans la partie (b) de la figure. Le motif de domaine rayé qu'ils ont trouvé était cohérent avec la structure du substrat SrTiO3 sous-jacent du film de PbTiO3.
Pour vérifier l'exactitude de la reconstruction BPP, les chercheurs ont également mesuré la polarisation locale du film de PbTiO3 avec une microscopie à force piézo-réponse. Cette méthode exécute une sonde de balayage sur la surface du film pour extraire des informations de polarisation locale.
Les deux techniques ont renvoyé des informations similaires sur le modèle de domaine. Cependant, La microscopie à force piézo-réponse présente un inconvénient :elle nécessite un accès direct à la surface qu'elle mesure. Si un film ferroélectrique a été utilisé comme dispositif de mémoire, il serait entouré de couches d'autres composants électroniques, et cette méthode de mesure de la polarisation serait impossible.
BPP, d'autre part, peut être effectué à distance, ce qui signifie qu'il peut mesurer des films minces dans des environnements corrosifs ou fermés où l'imagerie avec d'autres techniques serait difficile ou impossible. Cela fait du BPP un outil prometteur pour mesurer l'évolution des matériaux sous des températures et des pressions élevées.
