Adv. Mater.: 面向极性材料的高通量光学二次谐波显微成像技术

2023-03-23 03:03

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新材料研发作为支撑战略性新兴产业和重大工程不可或缺的重要物质基础，一直受到学术界和工业界的高度关注和重视。然而，传统新材料研发方法常常是“试错式”或“炒菜式”，研究周期较长，不能满足人们日益增长的高性能材料需求。“材料基因组计划”的提出，为加速新材料的设计与开发提供了新思路。高通量制备技术可并发式完成“一批”而非“一个”材料样品，而高通量表征技术则可实现材料的系统筛选和优化，进而加快材料的发现到应用过程。

以铁电材料为代表的极性材料，存在本征偶极矩且缺乏反演对称中心，具备丰富多样的物理效应，可为数据存储、功耗降低以及固态热管理带来变革，成为备受瞩目的新材料之一。由于光学二次谐波（SHG）响应与材料的非对称性结构呈现强关联特性，SHG已发展成一种探测宏观极化、微观极性结构的高灵敏度技术之一，尤其是在微弱极化信号探测方面具有独特的优势。

南方科技大学的李江宇讲席教授与中国科学院深圳先进技术研究院钟高阔副研究员联合团队，在Advanced Materials上发表了题为“High-throughput scanning second harmonic generation microscopy for polar materials”的研究论文。作者团队面向极性材料高通量制备和高通量表征的重要需求，开发了高通量光学二次谐波扫描成像技术（HT-SHG），如图1所示，该技术不仅具备精确定位和快速扫描功能，还可实现极性样品的快速筛选，更能避免电滞回线或原子力显微镜测试时面临的漏电流或静电干扰造成的伪影。

图1 高通量光学二次谐波扫描成像技术示意图

相比于远场SHG系统，HT-SHG系统可实现铁电畴包括畴壁的直接成像，如图2所示，其空间分辨率大约为400 nm。对于R3c相结构的PPLN单晶，其SHG信号源自于周期性180°条带畴，畴壁处信号基本为零，归因于畴壁附近的相消干涉或畴壁处的极化降低。对于四方相结构的PbZr_0.2Ti_0.8O₃ (PZT)薄膜，其SHG信号源自于面内畴，局部电压写畴时，探针尖端拖尾场引起的面内畴翻转是导致SHG信号随外电场变化的根本原因。

图2 PPLN单晶和PZT薄膜SHG成像结果

通过HT-SHG系统，该团队对高通量组分梯度(100−x)%BaTiO₃−x%SrTiO₃薄膜实现了成像探测，如图3，其SHG信号强度随着BaTiO₃组分的较少而降低。

图3 组分梯度(100−x)%BaTiO₃–x%SrTiO₃薄膜HT-SHG测试结果

此外，通过HT-SHG系统，该团队还对高通量厚度梯度PZT薄膜实现了成像探测，如图4，SHG信号强度随着PZT厚度的增加呈平方倍数的关系增加。

图4 厚度梯度PZT薄膜HT-SHG测试结果

本文第一作者为南方科技大学研究助理教授张园，南方科技大学张园研究助理教授、黄博远副教授、李江宇讲席教授和中国科学院深圳先进技术研究院钟高阔副研究员为共同通讯作者。以上研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省重点实验室建设项目、广东省基础与应用基础研究基金、深圳市优秀科技创新人才项目及广东省教育创新团队项目的资助，同时作者还感谢南方科技大学核心研究设施和计算科学与工程中心的协助，以及深圳市杰出人才培养基金的支持。

论文信息：

Yuan Zhang, Yangchun Tan, Yangda Dong, Liyufeng Dai, Chuanlai Ren, Fengyuan Zhang, Lingping Zeng, Feng An, Changjian Li, Boyuan Huang, Gaokuo Zhong, Jiangyu Li, High-Throughput Scanning Second Harmonic Generation Microscopy for Polar Materials. Advanced Materials, 2023,2300348.

论文链接：

https://doi.org/10.1002/adma.202300348

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