Se obtuvieron imágenes de los dominios rayados de titanato de plomo de película delgada (PbTiO3) usando ptychography de proyección de Bragg de rayos X. a) La amplitud de la película reconstruida, donde los puntos amarillos representan las posiciones del rayo. b) La fase de la película reconstruida, mostrando claramente el patrón de rayas de polarización. c) Una sección transversal de amplitud a lo largo de la línea de puntos en a), coloreado con la fase de la línea de puntos en b).
(Phys.org) —Cuando se cultivan películas delgadas de materiales ferroeléctricos en sustratos monocristalinos, pueden desarrollar regiones de polarización alineada, llamadas "dominios", que a menudo adoptan patrones complejos. La manipulación de dominios ferroeléctricos puede conducir a avances en varias tecnologías. Sin embargo, para manipular los dominios, es importante estudiar su desarrollo natural. Estudios anteriores han demostrado que la tensión interfacial y las condiciones de contorno eléctrico juegan un papel importante. Las mediciones precisas de la polarización local pueden ayudar a la ciencia a aprender más. Al cambiar las propiedades del sustrato y las interfaces de los materiales ferroeléctricos, se puede controlar el tamaño y la forma de los dominios y así influir en el comportamiento del material.
Un método prometedor para hacerlo se llama pticografía de proyección de Bragg, o BPP. El BPP de rayos X se había utilizado anteriormente para medir la tensión en dispositivos semiconductores. Ahora, un equipo de científicos del Laboratorio Nacional Argonne, el Instituto Avanzado de Ciencia y Tecnología de Corea, Universidad del Norte de Illinois, y la Universidad La Trobe (Australia) que realizan estudios en la Fuente de fotones avanzada (APS) de la Oficina de ciencia del Departamento de Energía de EE. UU. y en el Centro de materiales a nanoescala del Laboratorio nacional de Argonne han encontrado otra aplicación para el BPP:la obtención de imágenes de polarización local en películas delgadas ferroeléctricas. En el futuro, esta técnica puede ayudar a los científicos a estudiar cómo se desarrollan los dominios en películas delgadas ferroeléctricas, y así cómo manipularlos, potencialmente mejorando tecnologías críticas como el almacenamiento de memoria.
Primero, los investigadores utilizaron la deposición de vapor químico para hacer crecer una película de 25 nm de espesor del material ferroeléctrico titanato de plomo, o PbTiO3. Cuando se cultiva PbTiO3 en ciertos sustratos perfectos de monocristal, los dominios se distribuirán normalmente en un patrón serpenteante. Sin embargo, controlando las propiedades superficiales del sustrato, estos patrones de dominio pueden ser influenciados y controlados.
En este caso, los investigadores utilizaron sustratos de titanato de estroncio, o SrTiO3, que tenía pasos de superficie mal cortados espaciados alrededor de 22 nm. Usando una cámara de crecimiento en la División de Ciencia de Materiales de Argonne (MSD), depositaron PbTiO3 sobre los sustratos, creando películas delgadas con patrones de dominio rayados.
Ahí es donde entra en juego la pticografía de proyección de Bragg. En la línea de luz 26-ID-C de la División de Ciencia de Rayos X del Centro de Materiales a Nanoescala, los investigadores produjeron un haz de rayos X coherente enfocado de unos 35 nm de ancho. Cuando el rayo golpea la película de PbTiO3 en una posición y ángulo específicos, produjo un patrón de difracción de Bragg coherente, una especie de huella digital de la estructura del dominio local.
Este proceso se repitió en unos 650 puntos de la película, marcado como puntos amarillos en la parte (a) de la figura. Debido a que el haz de rayos X fue más grande que el cambio de posición, la información de los 650 puntos formó un conjunto de datos superpuestos.
Próximo, el equipo utilizó un algoritmo pticográfico, que consideró simultáneamente todos los patrones de difracción de cada punto superpuesto. Con las limitaciones adecuadas, el algoritmo convergió a la respuesta correcta en el espacio real, convertir los datos del espacio recíproco. Según el mapa a nanoescala resultante, los investigadores crearon una imagen de la polarización de la película, como se muestra en la parte (b) de la figura. El patrón de dominio rayado que encontraron era consistente con la estructura del sustrato SrTiO3 subyacente de la película de PbTiO3.
Para comprobar la precisión de la reconstrucción de BPP, Los investigadores también midieron la polarización local de la película de PbTiO3 con microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica. Este método pasa una sonda de exploración sobre la superficie de la película para extraer información de polarización local.
Ambas técnicas arrojaron información similar sobre el patrón de dominio. Sin embargo, La microscopía de fuerza de respuesta piezoeléctrica tiene una desventaja:requiere acceso directo a la superficie que está midiendo. Si se utilizó una película ferroeléctrica como dispositivo de memoria, estaría rodeado por capas de otros componentes electrónicos, y este método de medir la polarización sería imposible.
BPP, por otra parte, se puede realizar a distancia, lo que significa que puede medir películas delgadas en entornos corrosivos o cerrados donde la obtención de imágenes con otras técnicas sería difícil o imposible. Esto hace que BPP sea una herramienta prometedora para medir cómo cambian los materiales bajo altas temperaturas y presiones.
