Dectris Arina应用分享|通过深度分辨电子衍射成像揭示埋藏的铁电拓扑结构-夜雨聆风

Dectris Arina应用分享|通过深度分辨电子衍射成像揭示埋藏的铁电拓扑结构

摘要

纳米尺度的拓扑极性结构为铁电存储器和逻辑器件提供了新的功能，但它们的三维结构和介观组织仍难以通过实验获得。在这里，我们引入了深度分辨电子衍射成像（DREDI），这是一种快速、无损的方法，可以在不到一秒的时间内以小于50纳米的横向灵敏度和小于10纳米的深度灵敏度绘制极化分布。其高采集速度使得首次实现跨越六个数量级长度尺度（从纳米到毫米）的连续极化分布成为可能。利用外延BiFeO₃薄膜，DREDI揭示了极性结构的隐藏深度演化：表面71˚条纹演变为次表面闭合通量涡旋，并在底部界面附近分叉形成三重顶点。横截面多片电子衍射成像和相场模拟确认了这些埋藏的构型，并将其归因于SrRuO₃电极中的应变异质性和铁弹性孪晶。大面积分析进一步显示，类似顶点的挫折在超过4微米的临界长度尺度上形成一个介观尺度渗流网络。DREDI实现了对铁性纳米材料中埋藏拓扑结构的实时三维体积研究。

该论文以“Revealing buried ferroelectric topologies by depth-resolved electrondiffraction imaging” 为题目发表于arXiv，来自南加州大学的Ting-Ran Liu为论文第一作者，Yu-Tsun Shao为通讯作者。

实验方法

MEP 数据集是使用 Dectris ARINA 直接电子探测器采集的，帧时间为 35 µs，探针在样品上方 25 nm 处失焦，扫描步长为 0.37 Å，总剂量约为 1.6×10^5 电子/Å²。PtyRAD 软件包中的自动微分算法被用作重建算法。在重建中，使用了总共 20 个切片，切片厚度为 1 nm。为了考虑束流的部分相干性，使用了十种独立的探针模式。所呈现的结果是在沿束流方向逐渐放松层正则化后经过 2000 次迭代获得的。通过使用质心精化和二维高斯拟合相结合的方法，采用 Atomap 软件包实现了亚像素精度的原子位置确定。使用自定义 Python 脚本分析了原子位移并提取了 BFO 薄膜的极化矢量。局部偶极矩通过测量阳离子（Bi 和 Fe 原子）相对于阴离子（O 原子）质心的位移来量化。

实验结果

图1 | BiFeO₃ 薄膜中嵌入的三维极化畴的 DREDI。(A) 在 SEM 中实现的 DREDI 装置示意图。使用分段 DBS 探测器可以捕捉对极性敏感的基库氏带的强度不对称。(B) 全动量空间基库氏图案，其中 (104) 带显示出明显的强度不对称。显示了来自两个相邻铁电畴的基库氏图案之间的差异。(C,D) 通过 DREDI (C) 和 PFM (D) 获得的极化图，显示 71˚ 畴。(E) 在不同入射能量 2 kV、5 kV 和 15 kV 下获取的深度分辨 DREDI 图，揭示嵌入的三维极化畴图案，形似水豚。比例尺：1 µm (C,D)；500 nm (E)。箭头表示极化方向，‘pc’ 表示拟立方结构。

图2 | 条纹域向涡旋和顶点的深度演化。(A, D, G) 在电子能量为2kV (A)、5kV (D) 和15kV (G) 下获取的DREDI图像，显示表面下嵌入的受挫域模式。白线突出显示三重和四重域的边界。(B, E, H) 对应的铁电畴构型相场模拟，在膜厚方向的三个代表性平面 (z = 1、19 到 30 nm，从上到下) 上进行。白色矢量表示平面内极化方向。其他颜色表示不同的铁电畴（对应的极化方向如右侧所示）。模拟显示了域从顶部附近的条纹状状态 (B)，到中间区域的四重涡旋构型 (E)，最终到膜底部附近的一对三重顶点 (H) 的清晰演化。(C, F, I) 从相场模拟中提取的局部极化放大图，对应于(B, E, H) 中的框选区域，颜色对比表示平面内极化旋度 (𝛻 × 𝑃)𝑍，突出显示随膜厚方向域分叉相关的拓扑转变。(J) BFO薄膜中域壁网络的三维可视化，显示顶部附近的条纹状域以及底部朝向受挫的区域，在该处观察到域壁分裂。比例尺：1 µm (A, D, G)，50 nm (B, E, H)，10 nm (C, F, I)。

图3 | 顶点状极化纹理的横截面STEM和MEP验证。(A) BiFeO₃/SrRuO₃底界面的[010]pc方向LAADF-STEM图像，显示一个由两条约45˚边界包围的亮对比三角区域，获取于DREDI在平面视图中识别的相似受挫区域。(B,C) (A)中框选区域的阳离子和阴离子逐层MEP重建，显示深度依赖的极化旋转(B)和晶格畸变(C)，与顶点状构型一致。插图显示具有R3c对称性的相应BiFeO₃结构模型。投影极化PXZ由阳离子-阴离子相对位移得到，而局部四方性(c/a比)由Bi-Bi距离提取。这里，c和a分别表示面外和面内的晶格参数。(D) 四方性场的三维呈现，显示由黑色虚线曲线标示的强空间不均匀性，与DREDI观测到的分叉顶点构型及相场模拟一致。比例尺：1 nm (A); 5Å (B)。

图4 | 面内极化有序的多尺度分布。 (A) 面内取向有序参数 Ohv 随视场大小的空间平均依赖性。使用 10 µm × 10 µm 平均窗口生成的大面积 Ohv 地图，显示由垂直 71˚ 条纹主导的整体各向异性。使用 1 µm × 1 µm 窗口计算的带状区域显示局部受挫区域。左上角插图：约 3 mm BiFeO₃ 样品照片，黑色方框标记映射区域。右下角插图：完整 120 µm × 122 µm 视场的傅里叶变换，确认平均条纹周期为 183 nm。 (B) 放大取向图显示局部受挫（白色斑块），通过子区域的 FFT 得到确认。 (C) 来自相同区域的实空间 DREDI 图像，显示水平和垂直条纹取向的共存。 (D) 受挫区域的分形维数分析，显示在 ~4 µm 以下从丝状簇（DF ≈ 1.33，蓝色实线）过渡到更大尺度的面积填充网络（DF ≈ 2，红色虚线）。

图S7 | DREDI 在不同铁电材料和器件平台中的通用性。 (A) T-BFO（四方 BiFeO₃）纳米级形态转换相边界（MPB）的 DREDI 分布，解析铁弹性/铁电畴变体。周期小于 50 nm（上部，MC/T 型相）和小于 90 nm（下部，MA/R 型相）的畴可以清晰分辨。中间条带表示两个相共存的 MPB 区域。 (B) 薄膜 LiNbO₃（TFLN）波导器件堆叠中极化开关的 DREDI 成像，显示由聚焦电子束写入的盒中盒畴构型。暗点是薄膜中的固有缺陷。这些实例演示了 DREDI 在具有不同晶体对称性的铁电材料及功能器件结构中的适用性。图像用于说明畴结构和形貌。比例尺：500 nm（A），5 μm（B）。

图S8｜通过扫描电子纳米衍射揭示的 SrRuO₃ 铁弹性孪晶畴。(A, B) 从与 SrRuO₃ 结构中氧八面体旋转 (OOR) 模式相关的布拉格衍射构建的虚拟暗场图像。SrRuO₃ 层中明亮区域（黄色箭头）表示铁弹性孪晶的存在。(C) SrRuO₃ 层的平均衍射图案显示 OOR 敏感的布拉格衍射主要平行于 (002) 方向，沿垂直方向也有一些弱衍射。蓝色和绿色圆圈表示用于生成 (A) 和 (B) 暗场图像的布拉格衍射。(D) SrRuO₃ 沿 [101] 区域轴的布洛赫波模拟，厚度为 20 nm。(E) Pnma 对称的 SrRuO₃ 结构模型沿 [101] 区域轴观察，显示 OOR，导致钙钛矿单元格加倍。

讨论

DREDI观察到的深度依赖极化挫折可以归因于应变松弛、未补偿电荷和氧八面体旋转（OOR）的耦合影响。与均匀的71˚条纹畴不同，DREDI和MEP都显示嵌入的、受挫的三维纳米畴。横截面四维（4D）STEM纳米衍射显示，SrRuO₃底电极形成具有不同OOR变体的铁弹性孪晶（补充图S8）。这些孪晶局部松弛外延应变，并在BiFeO₃/SrRuO₃界面引入异质八面体连接，破坏了条纹形成的边界条件。铁电畴形态对界面对称性和应变状态的敏感性与缓冲层工程异质结构中先前的观察一致。我们需要指出的是，15 kV下的DREDI测量原则上可能包括来自底层SRO电极层的贡献，因为更高的入射能量会增加电子相互作用体积。然而，观察到的对比特征的典型长度尺度与已知的SRO结构特征不一致。横截面4D-STEM测量（图S8）显示，SRO孪晶畴的宽度约为50 nm。相比之下，15 kV DREDI图像（图2G）中观察到的受挫畴特征的横向尺寸约为500 nm。这一典型长度尺度的不匹配表明，主要的衍射对比来自BiFeO₃层，而非SRO底层。

除了结构约束之外，静电边界条件也对观察到的纹理有显著贡献。DREDI检测到的许多畴壁是倾斜的，在某些情况下在边界处表现出电荷积累。平面内极化散度图的相场计算，∇∙P, 与束缚电荷密度成正比，显示涡旋和顶点结构的核心处束缚电荷增强（补充图 S6B-S6D）。这些带电或部分补偿的畴壁增加了形成能，使其对局部应变梯度和界面屏蔽敏感。由弹性兼容性、八面体倾斜连通性和束缚电荷最小化之间的竞争产生的结果，为四重涡旋在底部界面附近分叉成不对称三重顶点提供了自然解释。除了揭示这些埋藏的纹理外，DREDI还提供了一个可广泛使用的平台，用于跨多个长度尺度的极化有序定量非破坏性分布。由于其在标准扫描电子显微镜上操作，DREDI能够进行深度分辨的极化成像，其采集速率比传统扫描探针方法快几个数量级，同时仍然兼容在线计量和原位偏置环境。目前，DREDI使用分段 DBS 探测器，仅捕捉基库奇带的强度不对称性。若进一步与记录背散射电子全动量分布的新兴反射基库奇衍射（RKD）几何结构相结合，则可将DREDI扩展为探测诸如极化、手性、对称性破缺及完整三维晶格变形场的量。这一能力将允许对铁电开关、应变驱动的相变以及器件老化进行原位研究。通过弥合原子分辨电子显微镜与晶圆尺度检测之间的差距，DREDI将拓扑铁电态的基础性发现与可扩展的后CMOS铁电技术表征途径联系起来。

专为4D STEM设计的直接电子探测器

DECTRIS ARINA^®可伸缩电子计数探测器是专门为4D STEM应用开发的。它采用了一个全新的专有集成电路设计（ASIC），结合高达每秒12万帧的理想速度、高动态范围和无噪音的读出能力，从而使高质量的数据采集达到传统STEM探测的原生速度。得益于DECTRIS的混合像素技术，ARINA可以采用不同的传感器材料，并能在30-300KeV的整个能量范围内都有理想表现。它拥有结构紧凑的设计和一个20mm乘20mm或192像素乘192像素的有效区域。DECTRIS ARINA适合于停留时间低于10μs的广泛4D STEM应用，包括从晶相和取向分布分析到层叠成像技术，以及使用虚拟探测器进行灵活的STEM图像重建。

-END-

扫码关注我们

上海微纳国际贸易有限公司

了解更多相关资讯