铁电还是非铁电？机器学习助您识别电滞回线

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 P-E loop的简介

 Polarization-electric field(P-E) loop，即电场-极化滞回曲线，也称为电滞回线，是判断材料是否具有铁电性的重要依据之一，被广泛应用于铁电材料的研究中。

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P-E loop的测量

为了测量P-E loop，需为待测材料制备顶、底电极形成电容器结构，然后通过铁电仪和探针台进行测量，如图一(a)所示。测量过程中，铁电仪施加电压波形如图一(b)所示，其中preset波形是为了将极化初始化至向上方向(假定电压施加于顶电极)，而measure波形先后将极化转至向下、向上两个方向，并测量极化翻转过程中的位移电流，将电流与时间积分后获得极化值并绘制P-E loop。

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 P-E loop的识别

如果待测材料为绝缘性良好的铁电体，那么测得电流将主要来源于极化翻转电流的贡献，所测得的P-E loop可以很好地表征极化翻转过程(如图一(c)所示)。如果待测材料为绝缘性较差的非铁电体，我们也能测得具有滞回窗口的P-E loop(如图一(d)所示)，因为此时漏电流贡献了电流信号，经过积分后也产生“剩余极化”。

在之前的研究中，不少人将具有滞回窗口和“剩余极化”的非铁电P-E loop作为材料具有铁电性的判据，引起了不小的争议。针对该问题，著名铁电学家J. F. Scott还专门发表了题为“Ferroelectrics go bananas”的论文[1]，指出P-E loop需要经过仔细甄别后才能作为铁电性的证据。

然而，实际材料中可能铁电性、漏电流共存，导致P-E loop的形状并不像图一(c)、(d)那样能够一目了然地进行区分。这些P-E loop的甄别对于初学者而言尤为困难，极易造成误判。另一方面，如果测得P-E loop数量特别多，依靠人工方式进行识别将会非常低效甚至难以实现。

图一、(a)电滞回线测量线路连接示意图；(b)施加电压波形图；(c) 绝缘性良好的铁电体和(d) 绝缘性较差的非铁电体的P-E loop。

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基于机器学习的P-E loop甄别器

为了更快、更准确地对P-E loop进行识别，华南师范大学黄啟成硕士生、樊贞副研究员等开发了一种基于机器学习的甄别器。它利用机器学习方法，通过对数据库中大量P-E loop进行识别训练，提取出铁电、非铁电loop的特征，并建立这些特征与loop所属类别之间关联(方法详见[2])。

该甄别器工具可以在www.peloop.top网站进行免费使用。使用十分简便，方法如下：

(1)拖动实验测试得出的.dat文件进入下图所示指定区域：

(2)电滞回线识别结果将会在显示在下图所示位置:

(3)希望您能够贡献自己的数据到数据库，用来提升模型性能。请点击下图所示位置：

 （4）然后填入相关信息并上传数据文件(可批量上传)：

目前网站功能还比较初级，只有待数据量更大之后，才能开发更多有用的功能，如加入反铁电类别、自动扣除漏电等。因此，希望您能够踊跃贡献自己的数据。网站将对贡献数据的用户进行致谢，并承诺这些数据不会被用于论文发表或商业活动中。如果大家使用过程中遇到问题或有任何建议，可联系[e-mail]。

    注：华南师范大学樊贞副研究员，研究方向为铁电、阻变薄膜材料、器件及物理。近年来一共发表SCI论文70余篇，总引用1600余次。其中第一/通讯作者论文24篇，包括Adv. Mater.、Prog. Mater. Sci. (高被引)、J. Phys. Chem. Lett. (高被引)、NPG Asia Mater. (亮点文章)、Phys. Rev. Appl. (2篇)、Appl. Phys. Lett. (亮点文章)等论文。主持国家自然科学基金2项、广东省自然科学基金1项，参与国家重点研发计划1项。在国际学术会议做邀请报告7次。

参考文献：

[1] J. Scott, J. Phys. Condens. Matter, 2007, 20, 021001.

[2] Q. Huang, Z. Fan, L. Hong, S. Cheng, Z. Tan, G. Tian, D. Chen, Z. Hou, M. Qin, M. Zeng, X. Lu, G. Zhou,  X. Gao,  J.‐M. Liu, Adv. Theory Simul., https://doi.org/10.1002/adts.202000106.

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● 感谢阅读

供稿 | 黄啟成，樊贞

编辑 | 材料研究大管家

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