I domini a strisce del titanato di piombo a film sottile (PbTiO3) ripresi utilizzando la pticografia di proiezione di Bragg a raggi X. a) L'ampiezza del film ricostruito, dove i punti gialli rappresentano le posizioni del raggio. b) La fase del film ricostruito, mostrando chiaramente il motivo a strisce di polarizzazione. c) Una sezione trasversale di ampiezza lungo la linea tratteggiata in a), colorato con la fase della linea tratteggiata in b).
(Phys.org) —Quando si coltivano film sottili di materiali ferroelettrici su substrati monocristallini, possono sviluppare regioni di polarizzazione allineata, chiamate "domini", che spesso adottano schemi complessi. La manipolazione dei domini ferroelettrici può portare a progressi in una serie di tecnologie. Però, per manipolare i domini, è importante studiare il loro sviluppo naturale. Precedenti studi hanno dimostrato che la deformazione interfacciale e le condizioni elettriche al contorno giocano un ruolo importante. Misure accurate della polarizzazione locale possono aiutare la scienza a saperne di più. Modificando le proprietà del substrato e le interfacce dei materiali ferroelettrici, si può controllare la dimensione e la forma dei domini e quindi influenzare il comportamento del materiale.
Un metodo promettente per farlo è chiamato tticografia con proiezione di Bragg, o BPP. Il BPP a raggi X era stato precedentemente utilizzato per misurare la deformazione nei dispositivi a semiconduttore. Ora, un team di scienziati dell'Argonne National Laboratory, il Korea Advanced Institute of Science and Technology, Università dell'Illinois settentrionale, e La Trobe University (Australia) che svolgono studi presso l'Advanced Photon Source (APS) del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e il Centro per i materiali su scala nanometrica dell'Argonne National Laboratory hanno trovato un'altra applicazione per il BPP:l'imaging della polarizzazione locale in film sottili ferroelettrici. Nel futuro, questa tecnica può aiutare gli scienziati a studiare come si sviluppano i domini nei film sottili ferroelettrici, e quindi come manipolarli, tecnologie critiche potenzialmente migliorative come l'archiviazione di memoria.
Primo, i ricercatori hanno utilizzato la deposizione chimica da vapore per far crescere un film di 25 nm di titanato di piombo, materiale ferroelettrico, o PbTiO3. Quando PbTiO3 viene coltivato su determinati substrati monocristallini perfetti, i domini saranno normalmente distribuiti in uno schema a serpentina. Però, controllando le proprietà superficiali del substrato, questi modelli di dominio possono essere influenzati e controllati.
In questo caso, i ricercatori hanno utilizzato substrati di titanato di stronzio, o SrTiO3, che aveva passaggi di taglio errato di superficie distanziati di circa 22 nm l'uno dall'altro. Utilizzando una camera di crescita presso l'Argonne Materials Science Division (MSD), hanno depositato PbTiO3 sui substrati, creazione di film sottili con pattern di domini a strisce.
È qui che entra in gioco la tticografia con proiezione di Bragg. Al Center for Nanoscale Materials/X-ray Science Division beamline 26-ID-C, i ricercatori hanno prodotto un fascio di raggi X coerente focalizzato largo circa 35 nm. Quando il raggio colpisce il film di PbTiO3 in una posizione e in un angolo specifici, ha prodotto un modello di diffrazione di Bragg coerente, una sorta di impronta digitale della struttura del dominio locale.
Questo processo è stato ripetuto in circa 650 punti del film, contrassegnati come punti gialli nella parte (a) della figura. Poiché il raggio di raggi X era più grande del cambiamento di posizione, le informazioni provenienti da tutti i 650 punti hanno formato un insieme di dati sovrapposti.
Prossimo, il team ha utilizzato un algoritmo tticografico, che ha considerato simultaneamente tutti i modelli di diffrazione da ciascun punto sovrapposto. Con opportuni vincoli, l'algoritmo converge alla risposta corretta nello spazio reale, convertire i dati dallo spazio reciproco. Sulla base della mappa su nanoscala risultante, i ricercatori hanno creato un'immagine della polarizzazione del film, come mostrato nella parte (b) della figura. Il modello di dominio a strisce che hanno trovato era coerente con la struttura del substrato SrTiO3 sottostante del film di PbTiO3.
Per verificare l'accuratezza della ricostruzione BPP, i ricercatori hanno anche misurato la polarizzazione locale del film di PbTiO3 con la microscopia a forza piezorisposta. Questo metodo esegue una sonda di scansione sulla superficie della pellicola per estrarre informazioni di polarizzazione locale.
Entrambe le tecniche hanno restituito informazioni simili sul modello di dominio. Però, La microscopia a forza piezorisposta ha uno svantaggio:richiede l'accesso diretto alla superficie che sta misurando. Se un film ferroelettrico è stato utilizzato come dispositivo di memoria, sarebbe circondato da strati di altri componenti elettronici, e questo metodo di misurazione della polarizzazione sarebbe impossibile.
BPP, d'altra parte, può essere eseguito a distanza, il che significa che può misurare film sottili in ambienti corrosivi o chiusi dove l'imaging con altre tecniche sarebbe difficile o impossibile. Questo rende il BPP uno strumento promettente per misurare come cambiano i materiali a temperature e pressioni elevate.
