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佐治亞理工&都柏林大學(xué)Small Methods: 機器學(xué)習(xí)分析缺陷豐富的PZT薄膜中復(fù)雜納米級機電行為

佐治亞理工&都柏林大學(xué)Small Methods: 機器學(xué)習(xí)分析缺陷豐富的PZT薄膜中復(fù)雜納米級機電行為
在掃描探針顯微鏡(SPM)技術(shù)中,壓電響應(yīng)力顯微鏡 (PFM) 是探索鐵電材料極化切換的高效工具。目前,基于機器學(xué)習(xí)(ML)的 PFM數(shù)據(jù)分析通常僅限于具有特殊機電耦合的材料,通常是塊狀或薄膜單晶。鑒于新興鐵電材料的機電性能較弱,建立可廣泛使用的分析方法至關(guān)重要。
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在此,美國佐治亞理工學(xué)院Nazanin Bassiri-Gharb、愛爾蘭都柏林大學(xué)Brian J. Rodriguez等人結(jié)合使用電子顯微鏡、原子力顯微鏡以及帶激發(fā)壓電光譜與ML 分析,來表征脈沖熱處理的富含缺陷(納米級晶粒尺寸、孔隙率和第二相)的Pb(Zr,Ti)O3(PZT)薄膜樣品的微觀結(jié)構(gòu)和功能特性。
由于樣本的缺陷性質(zhì),預(yù)計會有大量異常值。因此,在ML分析之前,需要進行適當?shù)臄?shù)據(jù)預(yù)處理以及高信息密度和場內(nèi)外壓電響應(yīng)、場外接觸共振頻率的高維度疊加,這樣能夠區(qū)分鐵電開關(guān)和非鐵電滯后對納米級機電響應(yīng)的貢獻。
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圖1. K均值聚類算法識別的四個貢獻
結(jié)果表明,K均值聚類算法識別出對觀察到響應(yīng)的四個明顯貢獻,而字典學(xué)習(xí)(DL)確定了三個貢獻。作者發(fā)現(xiàn)由K均值聚類算法識別的第四個貢獻是其他貢獻的混合(由K均值聚類和DL方法識別),證明了 :
1) 異常值去除;
2) 最大化信息密度;
?3)選擇ML方法的重要性,其可以在單個探測點內(nèi)容納多個貢獻。
在機電響應(yīng)的三個主要貢獻中,兩個分別歸因于鐵電和非鐵電(靜電)現(xiàn)象,而第三個歸因于兩個或多個非鐵電現(xiàn)象的局部重疊。這項工作為增強和穩(wěn)健識別富含缺陷的鐵電體或具有弱壓電貢獻的材料(有機-無機鈣鈦礦、螢石和二維鐵電體)中的壓電響應(yīng)和滯后行為提供了藍圖。
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圖2. DL算法識別的三個貢獻
Maximizing Information: A Machine Learning Approach for Analysis of Complex Nanoscale Electromechanical Behavior in Defect-Rich PZT Films, Small Methods 2021. DOI: 10.1002/smtd.202100552

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