Latent Mechanisms of Polarization Switching from In Situ Electron Microscopy Observations

材料科学 人工智能 介观物理学 模式识别(心理学) 生物系统 计算机科学 自编码 极化(电化学) 人工神经网络 物理 化学 生物 量子力学 物理化学
作者
Reinis Ignatāns,Maxim Ziatdinov,Rama K. Vasudevan,Mani Valleti,Vasiliki Tileli,Sergei V. Kalinin
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:32 (23) 被引量:12
标识
DOI:10.1002/adfm.202100271
摘要

Abstract In situ scanning transmission electron microscopy enables observation of the domain dynamics in ferroelectric materials as a function of externally applied bias and temperature. The resultant data sets contain a wealth of information on polarization switching and phase transition mechanisms. However, identification of these mechanisms from observational data sets has remained a problem due to a large variety of possible configurations, many of which are degenerate. Here, an approach based on a combination of deep learning‐based semantic segmentation, rotationally invariant variational autoencoder (VAE), and non‐negative matrix factorization to enable learning of a latent space representation of the data with multiple real‐space rotationally equivalent variants mapped to the same latent space descriptors is introduced. By varying the size of training sub‐images in the VAE, the degree of complexity in the structural descriptors is tuned from simple domain wall detection to the identification of switching pathways. This yields a powerful tool for the exploration of the dynamic data in mesoscopic electron, scanning probe, optical, and chemical imaging. Moreover, this work adds to the growing body of knowledge of incorporating physical constraints into the machine and deep‐learning methods to improve learned descriptors of physical phenomena.
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