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利用接触式开尔文探针力显微镜和机器学习解耦PLZT材料在铁电-弛豫相变过程中的介观尺度功能响应

DOI：10.1021/acsami.8b15872 期刊：ACS Applied Materials & Interfaces 出版年份：2018 更新时间：2025-09-23 15:21:01
摘要： 弛豫铁电体展现出一系列有趣的物质行为，包括高机电响应、极化旋转以及温度和电场驱动的相变。由于对纳米尺度极化动力学的认知有限，这种特殊功能行为的起源仍不明确。压电力显微镜及其相关开关光谱技术可获取微纳尺度的局部机电特性，有助于填补这些知识空白。然而这些技术易受探针与样品间静电相互作用产生的信号伪影干扰。因此要理解弛豫材料这类具有未知机电特性的复杂无序体系的功能行为，需要能区分机电响应与静电响应的技术。本研究采用接触式开尔文探针力显微镜（cKPFM），探究典型弛豫材料锆钛酸铅镧从铁电态到弛豫态相变过程中局部机电与电容特性的演变。通过无监督机器学习算法处理获得的多维数据集，检测了探测区域和温度范围内的功能响应变化。进一步分析显示：在50°C以下形成两个独立的cKPFM响应带，为极化翻转提供了证据；更高温度下仅观测到一个响应带，表明测量信号源自静电作用。此外从cKPFM数据中定性提取的结点电位差在弛豫态下呈现温度无关性。这种多维电压光谱技术与机器学习的结合，既能识别测量功能响应的起源，又能解耦铁电现象与静电现象——这对理解弛豫材料等复杂无序体系的功能行为至关重要。
作者： Sabine M. Neumayer，Liam Collins，Rama Vasudevan，Christopher Smith，Suhas Somnath，Vladimir Ya. Shur，Stephen Jesse，Andrei L. Kholkin，Sergei V. Kalinin，Brian J. Rodriguez
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研究概述 实验方案 设备清单

研究目的

利用接触式开尔文探针力显微镜（cKPFM）和机器学习，研究典型弛豫体材料锆酸镧铅从铁电态到弛豫态相变过程中局部机电与电容特性的演化规律。

研究成果

该研究成功运用cKPFM和k均值聚类技术，确定了PLZT材料在从铁电态向弛豫态转变过程中局部功能响应的起源。研究发现所有晶粒的相变均发生在约50°C附近，表现为cKPFM响应中能带的坍塌。这些发现为理解铁电-弛豫转变温度下局部机电与静电响应的发展提供了见解，并有助于解读类似材料的PFM和cKPFM数据。

研究不足

该研究受限于压电力显微镜及其相关开关光谱固有的伪影，这些伪影源于针尖与样品间静电相互作用产生的信号贡献。此外，由于针尖-样品接触变化导致的技术对局部形貌的敏感性，可能影响所测量的cKPFM信号。

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