[论文解读] Delineating complex ferroelectric domain structures via second harmonic generation spectral imaging

Wei Li, Yunpeng Ma+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 9, 2022

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用 5

一句话总结

本研究提出一种激光扫描二次谐波生成（SHG）光谱成像方法，用于表征(K,Na)NbO3单晶中复杂的铁电畴结构。通过结合监督模型拟合与无监督矩阵分解，该方法可定量分析极化矢量取向、畴变体分数及其热演化行为，揭示了意外的正交相持久存在现象，实现了无需先验材料知识的无标记、定量畴结构分析。

ABSTRACT

Understanding the mechanisms and spatial correlations of crystallographic symmetry breaking in ferroelectric materials is essential to tuning their functional properties. While optical second harmonic generation (SHG) has long been utilized in ferroelectric studies, its capability for probing complex polar materials has yet to be fully realized. Here, we develop a SHG spectral imaging method implemented on a home-designed laser-scanning SHG microscope, and demonstrate its application for a model system of (K,Na)NbO3 single crystals. Supervised model fitting analysis produces comprehensive information about the polarization vector orientations and relative fractions of constituent domain variants as well as their thermal evolution across the polymorphic phase transitions. We observe an unexpected persistence of the orthorhombic phase at low temperatures, pointing to the phase competitions. Besides, we show that unsupervised matrix decomposition analysis can quickly and faithfully reveal domain configurations without a priori knowledge about specific material systems. The SHG spectral imaging method can be readily extended to other ferroelectric materials with potentials to be further enhanced.

研究动机与目标

• 开发一种全面的SHG光谱成像方法，用于探测钙钛矿氧化物中复杂的铁电畴结构。
• 实现对复杂铁电材料中极化矢量取向及畴变体相对分数的定量映射。
• 研究(K,Na)NbO3单晶在多型相变过程中的畴结构热演化行为。
• 展示无监督矩阵分解在无需先验知识条件下的快速、无假设畴构型分析能力。
• 利用高灵敏度光谱SHG成像揭示铁电材料中隐藏的相竞争效应。

提出的方法

• 采用自主研发的激光扫描SHG显微镜，获取铁电样品上空间分辨的SHG光谱。
• 应用监督模型拟合方法，基于二阶非线性极化率的唯象模型对SHG光谱进行分析，提取极化取向与畴变体分数。
• 采用无监督矩阵分解（NMF）方法，将SHG光谱数据分解为代表不同畴态的基函数成分，无需预先假设。
• 通过分析温度依赖测量中的光谱变化，实现对畴变体分布及其热演化的映射。
• 从二次谐波强度响应的光谱拟合中定量获得极化矢量取向与相对畴分数。
• 该方法在(K,Na)NbO3单晶上得到验证，该体系是复杂铁电相行为的典型模型体系。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何利用SHG光谱成像技术定量表征复杂铁电畴中极化矢量取向的空间分布？
• RQ2 (K,Na)NbO3中的畴变体在多型相变过程中的热演化行为如何？
• RQ3 在缺乏对材料体系先验知识的条件下，无监督矩阵分解在多大程度上可揭示畴构型？
• RQ4 在(K,Na)NbO3中是否存在相竞争的证据，特别是正交相在低温下的持久存在？
• RQ5 SHG光谱成像能否分辨复杂铁电微结构中不同畴变体及其相对分数的细微差异？

主要发现

• SHG光谱成像方法成功以高空间与光谱分辨率分辨出(K,Na)NbO3中的多种畴变体。
• 在低温下观察到正交相的意外持久存在，表明存在强烈的相竞争效应。
• 监督模型拟合可实现对相变过程中极化矢量取向与相对畴分数的定量测定。
• 无监督矩阵分解在无需预先了解材料体系或预期畴态的条件下，能准确重构畴构型。
• 该方法揭示了畴结构的详细热演化过程，包括菱方、正交与四方相之间的转变。
• 该技术对复杂铁电材料中微弱的对称破缺效应与局部结构畸变具有高灵敏度。