摘要
组合材料库能够高效覆盖多维成分空间，但对其中的高分辨率功能表征仍然困难。在此，我们展示了一个自主扫描探针显微镜平台，用于对三元Al1-x-yScxByN薄膜库的铁电行为进行多目标探索。由贝叶斯实验规划指导的自动化压电响应力显微镜（PFM）沿成分空间绘制了表面形貌、压电响应幅度和局部开关回线面积的分布图。该工作流程并非寻找单一最优解，而是重构了结构稳定性与铁电功能之间的帕累托景观。自主决策循环仅基于PFM测量数据运行。波长色散光谱和 photoluminescence（PL）为同一材料库提供了空间配准的相关映射图。随后，X射线衍射验证了探索中发现的成分、缺陷与性能之间的关系。数据揭示了两种与成分相关的区域。在阳离子亚晶格上Sc含量低于约35%时，薄膜保持光滑且织构良好。此时的开关描述符与一种对缺陷敏感的PL信号相关。超过该成分时，X射线衍射显示晶态织构丧失，从而限制了开关响应。自主探索在无人工干预的情况下定位了该边界，仅用6小时的仪器时间，而网格法需约一个月。因此，组合材料库成为可处理的、耦合成分-缺陷-结构-性能关系的图谱。
1 引言
功能材料的发现越来越依赖于在大型成分空间中导航的能力，在这些空间中结构、缺陷和涌现性质以强耦合的方式演变[1-3]。组合材料库为此问题提供了强大的框架，因为它们能够在单个样品中实现成分的连续变化，从而允许通过一次合成步骤获取相空间中的广阔区域。在过去数十年间，此类材料库加速了在广泛系统中的发现，包括催化剂、半导体、光学材料和复杂氧化物[4-12]。然而，组合合成的根本承诺仍只部分实现，因为合成通量往往快于能够从这些样品中提取机理洞察的表征策略的发展[13、14]。
对于其技术相关行为无法仅从成分或结构推断的功能材料，这种限制尤为严重。例如，在铁电体中，极化开关、机电响应、矫顽行为和局部变异性都是纳米尺度现象，必须直接测量。类似约束也适用于许多其他材料类别，其中输运、磁性、离子运动或缺陷介导的响应在空间上是异质的且强烈依赖于历史。虽然高通量光学和结构测量现已成为常规[15、16]，但直接映射组合材料库中的局部功能行为仍然困难得多。因此，组合材料研究中的关键瓶颈已不仅是产生成分多样性，而是能够以保留具有物理意义的结构-性能关系的方式来探测这种多样性。
扫描探针显微镜在处理这一挑战方面具有独特优势，因为它提供了纳米级空间分辨率的局部功能响应的直接访问途径[17-20]。特别是，压电响应力显微镜（PFM）能够成像机电活动并进行铁电开关的局部探测，使其成为研究薄膜库中成分相关极化行为的自然工具[21-23]。更广泛地说，扫描探针方法能够提供直接的功能可观测量和具有物理信息的代理信号，包括形貌、畴结构、局部输运和光谱学[24、25]。这些能力使SPM成为组合表征的诱人平台。然而，与此同时，SPM测量本质上是顺序进行的，经常需要重复仪器调谐和探针重新定位，且当应用于大面积材料库时变得耗费大量时间。因此，穷举的基于网格的探索扩展性很差，特别是当必须在每个位置获取多个局部可观测量时。
第二个挑战源于材料优化很少由单一目标决定这一事实。在许多系统中，最有意思的物理区域产生于有利和不趋势之间的竞争。铁电氮化物提供了一个清晰的例子。合金化可以软化极化开关的能量景观并增强机电响应，但相同的成分变化也可能促进缺陷形成、表面粗糙化、结构不稳定性或相分离。在此条件下，相关目标不仅仅是确定单一"最佳"成分，而是重构竞争材料属性得到最佳平衡的边界[26、27]。该边界自然由帕累托前沿描述，它为结构质量与功能性能之间的权衡提供了实验上有意义的表示。以这种方式使用时，多目标探索不仅是优化策略，也是发现组织复杂材料系统的物理约束的途径。
组合铁电体已有大量先验文献。顶电极电容器阵列长期以来已筛选成分分散的氧化物和氮化物材料库。它们定量测量剩余极化、矫顽场、耐久性和泄漏，这些是纳米探针无法做到的[28-31]。最近的纤锌矿氮化物研究已在器件水平绘制了磁滞、泄漏和循环耐久性[31]，并已在材料库上绘制了织构和局部化学成分[32]。自适应策略也已使用闭环贝叶斯学习和自主同步辐射映射来采样成分分散[33、34]。我们的贡献在范围上有所不同。我们使用自主PFM在纤锌矿氮化物材料库上绘制多个与铁电相关的描述符。这些映射图与成分和对缺陷敏感的光学信号相关联。该方法补充了器件级测量。它在早期探索阶段很有用，当时泄漏、分流和顶电极加工可能会阻止在陌生成分上形成可靠电容器阵列。与我们自己的先前自主显微镜工作[26、27、35]相比，本工作做出了三个扩展。优化是多目标的而非单目标的。在每个位置同时获取三个与铁电相关的描述符。所得映射图与同一材料库的独立成分和对缺陷敏感的光学映射图相关联。
纤锌矿氮化物铁电体的最新进展使这一观点尤为及时。Sc合金化的AlN已成为主要铁电平台，因为Sc合金化增强了极化开关和机电响应，同时保持与半导体加工的兼容性[36、37]。与此同时，激进的Sc掺杂推动系统走向晶格软化、缺陷积累和微观结构退化。与此并行，B取代的AlN已成为AlN家族中获得铁电性的替代途径，提出了硼可能以独特方式重塑开关动力学、结构稳定性和缺陷化学之间平衡的可能性。因此，三元(Al,Sc,B)N体系为研究多条合金化途径如何相互作用以定义可及铁电景观提供了特别丰富的机会。近期研究已为(Al,Sc,B)N确立了更广泛的背景。AlN和AlScN的硼合金化已被提议用于谐振器应用[38]，溅射靶膜已通过压电和铁电测量进行评估[39]。溅射的(Al,Sc,B)N也已与n-GaN集成[
