Measuring atomic positions in-situ under an external electric field can provide important insights into the structure-property relationship of electronic materials. In this paper, we demonstrate picometer level accuracy and precision of atomic positions in single-crystalline SrTiO3 under an electric field through annular dark-field scanning transmission electron microscopy. By carrying out electrical biasing in-situ electron microscopy at the atomic scale, the lattice constant was measured with a precision of 9.0 pm under an electric field of ±0.57 kV/cm. In addition, the Ti position in the SrTiO3 unit cell was measured with an accuracy of 20.0 pm at a confidence level of greater than 93%. This opens up a possibility of characterizing functional electronic devices at atomic resolution under operative conditions.
References
1.
N.
Yamamoto
, K.
Yagi
, and G.
Honjo
, Phys. Status Solidi A
62
, 657
(1980
).2.
X.
Tan
, Z.
Xu
, J. K.
Shang
, and P.
Han
, Appl. Phys. Lett.
77
, 1529
(2000
).3.
Y.
Ding
, J. S.
Liu
, I.
MacLaren
, and Y. N.
Wang
, Appl. Phys. Lett.
79
, 1015
(2001
).4.
X. Y.
Qi
, H. H.
Liu
, and X. F.
Duan
, Appl. Phys. Lett.
89
, 092908
(2006
).5.
W.
Qu
, X.
Zhao
, and X.
Tan
, J. Appl. Phys.
102
, 084101
(2007
).6.
C. T.
Nelson
, P.
Gao
, J. R.
Jokisaari
, C.
Heikes
, C.
Adamo
, A.
Melville
, S. –H.
Baek
, C. M.
Folkman
, B.
Winchester
, Y.
Gu
, Y.
Liu
, K.
Zhang
, E.
Wang
, J.
Li
, L. –Q.
Chen
, C. –B.
Eom
, D. G.
Schlom
, and X.
Pan
, Science
334
, 968
(2011
).7.
P.
Gao
, C. T.
Nelson
, J. R.
Jokisaari
, S. –H.
Baek
, C. W.
Bark
, Y.
Zhang
, E.
Wang
, D. G.
Schlom
, C.-B.
Eom
, and X.
Pan
, Nat. Commun.
2
, 591
(2011
).8.
H.
Chang
, S. V.
Kalinin
, S.
Yang
, P.
Yu
, S.
Bhattacharya
, P. P.
Wu
, N.
Balke
, S.
Jesse
, L. Q.
Chen
, R.
Ramesh
, S. J.
Pennycook
, and A. Y.
Borisevich
, J. Appl. Phys.
110
, 052014
(2011
).9.
C. R.
Winkler
, A. R.
Damodaran
, J.
Karthik
, L. W.
Martin
, and M. L.
Taheri
, Micron
43
, 1121
(2012
).10.
Y.
Sato
, T.
Hirayama
, and Y.
Ikuhara
, Phys. Rev. Lett.
107
, 187601
(2011
).11.
Y.
Sato
, T.
Hirayama
, and Y.
Ikuhara
, Appl. Phys. Lett.
100
, 172902
(2012
).12.
Y.
Yang
, P.
Gao
, S.
Gaba
, T.
Chang
, X.
Pan
, and W.
Lu
, Nat. Commun.
3
, 732
(2012
).13.
C.
Ma
, H.
Guo
, S. P.
Beckman
, and X.
Tan
, Phys. Rev. Lett.
109
, 107602
(2012
).14.
J.
Norpoth
, S.
Mildner
, M.
Scherff
, J.
Hoffmann
, and C.
Jooss
, Nanoscale
6
, 9852
(2014
).15.
R. J.
Kamaladasa
, A. A.
Sharma
, Y. –T.
Lai
, W.
Chen
, P. A.
Salvador
, J. A.
Bain
, M.
Skowronski
, and Y. N.
Picard
, Microsc. Microanal.
21
, 140
(2015
).16.
R. A.
Bernal
, T.
Filleter
, J. G.
Connell
, K.
Sohn
, J.
Huang
, L. J.
Lauhon
, and H. D.
Espinosa
, Small
10
, 725
(2014
). 17.
X.
Chen
, Y.
Wang
, J.
Guo
, J.
Jian
, and Z.
Zhang
, Prog. Nat. Sci: Mater. Int.
26
, 163
(2016
).18.
A.
Barreiro
, F.
Börrnert
, M. H.
Rümmeli
, B.
Büchner
, and L. M. K.
Vandersypen
, Nano Lett.
12
, 1873
(2012
).19.
M. E.
Holtz
, Y.
Yu
, D.
Gunceler
, J.
Gao
, R.
Sundararaman
, K. A.
Schwarz
, T. A.
Arias
, H. D.
Abruňa
, and D. A.
Muller
, Nano Lett.
14
, 1453
(2014
).20.
C. –L.
Jia
, S. –B.
Mi
, K.
Urban
, I.
Vreoiu
, M.
Alexe
, and D.
Hesse
, Nat. Mater.
7
, 57
(2008
).21.
A. Y.
Borisevich
, E. A.
Eliseev
, A. N.
Morozovska
, C.-J.
Cheng
, J.-Y.
Lin
, Y. H.
Chu
, D.
Kan
, I.
Takeuchi
, V.
Nagarajan
, and S. V.
Kalinin
, Nature Commun..
3
, 775
(2012
).22.
C. –L.
Jia
, K.
Urban
, M.
Alexe
, D.
Hesse
, and I.
Vrejoiu
, Science
331
, 1420
(2011
).23.
A. K.
Yadav
, C. T.
Nelson
, S. L.
Hsu
, Z.
Hong
, J. D.
Clarkson
, C. M.
Schlepütz
, A. R.
Damodaran
, P.
Shafer
, E.
Arenholz
, L. R.
Dedon
, D.
Chen
, A.
Vishwanath
, A. M.
Minor
, L. Q.
Chen
, J. F.
Scott
, L. W.
Martin
, and R.
Ramesh
, Nature (London)
530
, 198
(2016
).24.
A. B.
Yankovich
, B.
Berkels
, W.
Dahmen
, P.
Binev
, S. I.
Sanchez
, S. A.
Bradley
, A.
Li
, I.
Szlufarska
, and P. M.
Voyles
, Nat. Commun.
5
, 4155
(2014
).25.
L.
Jones
, H.
Yang
, T. J.
Pennycook
, M. S. J.
Marshall
, S. V.
Aert
, N. D.
Browning
, M. R.
Castell
, and P. D.
Nellist
, Adv. Struct. Chem. Imaging
1
:8 (2015
).26.
S.
Bals
, S.
Van Aert
, G.
Van Tendeloo
, and D. Á.
vila-Brande
, Phys. Rev. Lett.
96
, 096106
(2006
).27.
L.
Houben
, A.
Thust
, and K.
Urban
, Ultramicroscopy
106
, 200
(2006
).28.
K.
Kimoto
, T.
Asaka
, X.
Yu
, T.
Nagai
, Y.
Matsui
, and K.
Ishizuka
, Ultramicroscopy
110
, 778
(2010
).29.
Y. –M.
Kim
, J.
He
, M. D.
Biegalski
, H.
Ambaye
, V.
Lauter
, H. M.
Christen
, S. T.
Pantelides
, S. J.
Pennycook
, S. V.
Kalinin
, and A. Y.
Borisevich
, Nat. Mater.
11
, 888
(2012
).30.
H.
Rose
, Ultramicroscopy
56
, 11
(1994
).31.
L.
Jones
and P. D.
Nellist
, Microsc. Microanal.
19
, 1050
(2013
).32.
D. W.
Marquardt
, J. Soc. Ind. Appl. Math.
11
, 431
(1963
).33.
T.
Tsurumi
, T.
Teranishi
, S.
Wada
, H.
Kakemoto
, O.
Fukunaga
, M.
Nakada
, and J.
Akedo
, J. Ceram. Soc. Jpn.
114
, 774
(2006
).34.
K.
Kamarás
, K. L.
Barth
, F.
Keilmann
, R.
Henn
, M.
Reedyk
, C.
Thomsen
, M.
Cardona
, J.
Kircher
, P. L.
Richards
, and J. L.
Stehlé
, J. Appl. Phys.
78
, 1235
(1995
).35.
J.
Harada
, J. D.
Axe
, and G.
Shirane
, Acta Crystallogr. A
26
, 608
(1970
).36.
B.
Khanbabaee
, E.
Mehner
, C.
Richter
, J.
Hanzig
, M.
Zschornak
, U.
Pietsch
, H.
Stöcker
, T.
Leisegang
, D. C.
Meyer
, and S.
Gorfman
, Appl. Phys. Lett.
109
, 222901
(2016
).37.
W.
Zhong
, D.
Vanderbilt
, and K. M.
Rabe
, Phys. Rev. B
52
, 6301
(1995
).38.
G. H.
Kwei
, A. C.
Lawson
, S. J. L.
Billinge
, and S. W.
Choeng
, J. Phys. Chem.
97
, 2368
(1993
).39.
H.
Takahasi
, J. Phys. Soc. Jpn.
16
, 1685
(1961
).40.
K.
Tsuda
, R.
Sano
, and M.
Tanaka
, Phys. Rev. B
86
, 214106
(2012
).41.
R. H.
Mitchell
, A. R.
Chakhmouradian
, and P. M.
Woodward
, Phys. Chem Miner.
27
, 583
(2000
).42.
K.
Momma
and F.
Izumi
, J. Appl. Crystallogr.
44
, 1272
(2011
).43.
Q. H.
Zhang
, L. J.
Wang
, X. K.
Wei
, R. C.
Yu
, L.
Gu
, A.
Hirata
, M. W.
Chen
, C. Q.
Jin
, Y.
Yao
, Y. G.
Wang
, and X. F.
Duan
, Phys. Rev. B
85
, 020102(R)
(2012
).© 2017 Author(s).
2017
Author(s)
You do not currently have access to this content.
