Disentangling Ferroelectric Wall Dynamics and Identification of Pinning Mechanisms via Deep Learning

铁电性 材料科学 压电响应力显微镜 极化(电化学) 凝聚态物理 非线性系统 磁畴壁(磁性) 纳米技术 光电子学 磁场 物理 磁化 电介质 量子力学 物理化学 化学
作者
Yongtao Liu,Roger Proksch,Chun Yin Wong,Maxim Ziatdinov,Sergei V. Kalinin
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:33 (43) 被引量:26
标识
DOI:10.1002/adma.202103680
摘要

Field-induced domain-wall dynamics in ferroelectric materials underpins multiple applications ranging from actuators to information technology devices and necessitates a quantitative description of the associated mechanisms including giant electromechanical couplings, controlled nonlinearities, or low coercive voltages. While the advances in dynamic piezoresponse force microscopy measurements over the last two decades have rendered visualization of polarization dynamics relatively straightforward, the associated insights into the local mechanisms have been elusive. This work explores the domain dynamics in model polycrystalline materials using a workflow combining deep-learning-based segmentation of the domain structures with nonlinear dimensionality reduction using multilayer rotationally invariant autoencoders (rVAE). The former allows unambiguous identification and classification of the ferroelectric and ferroelastic domain walls. The rVAE discovers the latent representations of the domain wall geometries and their dynamics, thus providing insight into the intrinsic mechanisms of polarization switching, that can further be compared to simple physical models. The rVAE disentangles the factors affecting the pinning efficiency of ferroelectric walls, offering insights into the correlation of ferroelastic wall distribution and ferroelectric wall pinning.
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