강유전체를 바탕으로 한 FRAM과 같은 electronic devices로의 가능성 살펴보기 위해, PFM의 기본 원리를 이해하고, PFM을 이용하여 대표적인 강유전체인 PZT(PbZrTiO3) 박막과 GFO 박막에 대한 나노단위 영역에서 in-plane 및 out-of-plane의 domain switching특성을 연구하고 domain의 고해상도 이미지를 나타내었으며 나노단위의 ...
강유전체를 바탕으로 한 FRAM과 같은 electronic devices로의 가능성 살펴보기 위해, PFM의 기본 원리를 이해하고, PFM을 이용하여 대표적인 강유전체인 PZT(PbZrTiO3) 박막과 GFO 박막에 대한 나노단위 영역에서 in-plane 및 out-of-plane의 domain switching특성을 연구하고 domain의 고해상도 이미지를 나타내었으며 나노단위의 3차원 구조를 시각화하였고, 박막의 방향성과 결정구조에 따른 분극의 구조를 조사하였다. 그리고 PFM의 위상이미지를 바탕으로 Zr : Ti 조성이 다른 PZT(PbZrTiO3) 박막의 결정구조, 분극의 방향, 전기적 특성, 표면 특성의 차이점을 살펴보았다. 또한 GFO 박막의 두께에 따른 변화를 domain의 형태와 domain switching 특성을 통해 알아보았다. 먼저 X선 회절 실험으로 PZT(PbZrTiO3) 박막의 Zr : Ti 조성에 따른 방향성을 알아보았다. 모두 (111) 방향으로 성장하였으며, PbZr0.3Ti0.7O3 박막은 (100) 방향성도 가지고 있었다. 그러나 (111) 방향의 성장이 우세하여 모두 (111) 방향으로 우선성장 했다고 볼 수 있다. 그리고 AFM 및 DFM을 이용하여 표면을 살펴본 결과, PZT(PbZrTiO3) 박막은 Ti 조성이 증가함에 따라 grain의 크기와 RMS표면 거칠기 값이 증가하였다. 그러나 두 박막 모두 50 nm 이하의 grain 크기를 보였으며, RMS 값이 1.5 nm이하로 균일한 표면을 가지며 조성에 따른 표면의 뚜렷한 차이는 없었다. 다음으로 PFM의 in-plane과 out-of-plane의 위상이미지를 측정하여 조성이 다른 두 PZT(PbZrTiO3) 박막에 대한 domain의 개략적인 3차원 이미지를 나타낼 수 있었다. PZT(PbZrTiO3) 박막이 성장한 방향성과 격자구조를 보면 각각의 박막마다 허용된 domain의 방향이 다른 것을 알 수 있다. PFM으로 위상이미지 뿐만 아니라 크기이미지도 조사하여 domain의 상대적인 분극의 크기 특성을 살펴보았다. PZT(PbZrTiO3) 박막과 GFO 박막 모두 domain-wall쪽의 크기가 domain의 가운데 쪽보다 작고, domain의 분극이 복잡한 구조를 가지는 영역에서 크기가 작음을 알 수 있었다. 이는 실질적인 분극의 크기는 어떤 영역 내에서 분극이 여러 방향을 가질 때, 다른 방향을 가지는 분극의 합으로 나타남을 알 수 있다. 어떤 결정의 양면에 전극을 붙여서 그 전하를 측정하면, 그 결정이 분극이 일어나지 않는 것처럼 측정되는데, 이때 이 결정 내부의 분극의 양이 위로 향한 분극과 아래로 향한 분극의 크기가 같기 때문에 이렇게 측정되어 지는 것이다. 그리고 PFM 측정에서, 압전 반응은 압전 상수와 팁의 감도의 차이, 그리고 측정환경에 따라 차이가 나는데, 이번 실험에서는 in-plane의 이미지가 out-of-plane의 이미지에 비해 contrast가 크게 나타났다. 실제로 습도가 많은 특정 환경에서 측정할 때에는 비틀림 힘을 받는 in-plane의 압전 반응이 out-of-plane보다 작게 측정 되었다. 그리고 in-plane과 out-of-plane을 측정할 때 각각 최적의 contrast를 보이는 주파수가 다르게 나왔다. 또한 스캔의 방향을 90 ° 회전함으로 domain 이미지는 팁의 스캔 방향에 무관함을 알 수 있었다. PZT(PbZrTiO3) 박막의 경우, 조성이 다른 두 박막 모두 grain 내에서는 mono-domain의 형태를 가지며, 기판과 같이 polycrystallinity를 가지지만 50 nm 이하의 크기를 가지는 grain 보다 큰 영역의 균일한 domain 형태를 나타내었다. 이런 mono-domain의 생성 원인은 각각의 grain 내에서 domain이 결정화 온도에서 냉각되는 동안 주위의 grain의 속박에 의해 형성된다고 볼 수 있다. 그러나 두 조성 모두 mono-domain을 가지므로 여기서는 PZT(PbZrTiO3) 박막의 조성에 따른 차이는 나타나지 않았다. 따라서 PZT(PbZrTiO3) 박막의 domain switching에 대한 특성을 비교하기 위해서 ±6 V의 DC전압으로 22 μm2 영역중 11 μm2 영역을 domain switching 실험을 하였다. DC전압을 인가하지 않은 가장자리 부분은 계속적인 imaging에서 같은 위상을 보여주었으나 ±6 V의 DC전압을 인가한 부분은 domain switching을 볼 수 있었다. 상대적으로 항전기장이 작은 PbZr0.52Ti0.48O3 박막이 PbZr0.3Ti0.7O3 박막에 비해 많은 영역에서 domain switching이 되었으며, 두 박막 모두 확연한 domain switching을 확인하였다. 또한 인가하는 전압의 증가에 따른 domian 특성을 살펴보기 위해 PbZr0.3Ti0.7O3 박막에 +3 V, +6 V, +9 V, -3 V, -6 V, -9 V의 순서의 DC전압으로 쓰기를 하였다. ±3 V, ±6 V의 전압을 인가했을 때 domain growth는 domain wall에서부터 진행되는 경향을 보였으며, ±9 V의 인가전압에서 급격한 domain switching이 나타남을 확인 하였다. 이는 domain growth가 분극핵 생성 후 축방향으로 빠르게 성장한 다음 2차원 적으로 domain wall에서부터 측면방향으로 성장한다고 볼 수 있다. 또한 ±9 V의 전압에서의 급격한 변화는 낮은 전압에서 보다 높은 전압에서 domain switching 속도가 빠른 것을 확인 할 수 있었다. 다음으로 PZT(PbZrTiO3) 박막에 대해 20 Hz의 빠른 속도로 +9 V전압을 연속적으로 인가함에 따라 domain switching의 특성을 살펴보았다. 20 Hz의 스캔은 약 44 nm2의 영역에 10 ms의 시간동안 전압을 인가하는 속도이다. 일반적으로 분극핵 생성에 대해서 domain switching 시간이 수 μs 정도이고, 핵이 생성되는 시간은 수 ns 정도이므로 20 Hz의 스캔속도는 domain switching을 일으키기에 충분 시간임을 알 수 있다. 그러나 포화되지 않은 이력곡선을 가지는 PbZr0.52Ti0.48O3 박막은 전압을 인가할 때마다 연속적으로 domain switching되는 영역을 보였고, 포화된 이력곡선을 가지는 PbZr0.3Ti0.7O3 박막은 최초의 전압인가에서만 domain switching을 보여주었다. 이는 거시적인 이력곡선의 형태가 11 μm2 영역에서의 domain switching 효과를 잘 설명하는 것을 알 수 있다. GFO 박막에 대한 PFM 분석을 위해 두께가 50 nm, 100 nm, 200 nm인 세 가지 박막을 비교 하였다. 먼저 AFM으로 표면이미지를 측정하여 두께 증가에 따라 grain 크기와 RMS 표면거칠기 값이 증가함을 알 수 있었다. Domain의 형태는 PZT(PbZrTiO3) 박막과는 다르게 grain boundary를 따라 형성되어 grain 크기의 증가에 의해 domain 크기도 같이 증가하는 특성을 보였다. 그리고 일반적인 BaTiO3 박막의 경우 poly-domain은 약 400 nm 이상의 grain 크기에서 형성되는 것과 다르게, GFO 박막에서는 약 100 nm 크기의 한 grain 안에서 두 개 이상의 domain이 존재하는 poly-domain의 존재를 확인하였다. 항전기장과 잔류분극이 작고 leakage current가 큰 GFO 박막의 경우 ±9 V의 전압에 따른 domain switching 실험에서 in-plane 위상 이미지에서는 domain의 변화를 볼 수 있었지만 out-of-plane 위상 이미지에서는 뚜렷한 변화를 확인할 수 없었다.
강유전체를 바탕으로 한 FRAM과 같은 electronic devices로의 가능성 살펴보기 위해, PFM의 기본 원리를 이해하고, PFM을 이용하여 대표적인 강유전체인 PZT(PbZrTiO3) 박막과 GFO 박막에 대한 나노단위 영역에서 in-plane 및 out-of-plane의 domain switching특성을 연구하고 domain의 고해상도 이미지를 나타내었으며 나노단위의 3차원 구조를 시각화하였고, 박막의 방향성과 결정구조에 따른 분극의 구조를 조사하였다. 그리고 PFM의 위상이미지를 바탕으로 Zr : Ti 조성이 다른 PZT(PbZrTiO3) 박막의 결정구조, 분극의 방향, 전기적 특성, 표면 특성의 차이점을 살펴보았다. 또한 GFO 박막의 두께에 따른 변화를 domain의 형태와 domain switching 특성을 통해 알아보았다. 먼저 X선 회절 실험으로 PZT(PbZrTiO3) 박막의 Zr : Ti 조성에 따른 방향성을 알아보았다. 모두 (111) 방향으로 성장하였으며, PbZr0.3Ti0.7O3 박막은 (100) 방향성도 가지고 있었다. 그러나 (111) 방향의 성장이 우세하여 모두 (111) 방향으로 우선성장 했다고 볼 수 있다. 그리고 AFM 및 DFM을 이용하여 표면을 살펴본 결과, PZT(PbZrTiO3) 박막은 Ti 조성이 증가함에 따라 grain의 크기와 RMS 표면 거칠기 값이 증가하였다. 그러나 두 박막 모두 50 nm 이하의 grain 크기를 보였으며, RMS 값이 1.5 nm이하로 균일한 표면을 가지며 조성에 따른 표면의 뚜렷한 차이는 없었다. 다음으로 PFM의 in-plane과 out-of-plane의 위상이미지를 측정하여 조성이 다른 두 PZT(PbZrTiO3) 박막에 대한 domain의 개략적인 3차원 이미지를 나타낼 수 있었다. PZT(PbZrTiO3) 박막이 성장한 방향성과 격자구조를 보면 각각의 박막마다 허용된 domain의 방향이 다른 것을 알 수 있다. PFM으로 위상이미지 뿐만 아니라 크기이미지도 조사하여 domain의 상대적인 분극의 크기 특성을 살펴보았다. PZT(PbZrTiO3) 박막과 GFO 박막 모두 domain-wall쪽의 크기가 domain의 가운데 쪽보다 작고, domain의 분극이 복잡한 구조를 가지는 영역에서 크기가 작음을 알 수 있었다. 이는 실질적인 분극의 크기는 어떤 영역 내에서 분극이 여러 방향을 가질 때, 다른 방향을 가지는 분극의 합으로 나타남을 알 수 있다. 어떤 결정의 양면에 전극을 붙여서 그 전하를 측정하면, 그 결정이 분극이 일어나지 않는 것처럼 측정되는데, 이때 이 결정 내부의 분극의 양이 위로 향한 분극과 아래로 향한 분극의 크기가 같기 때문에 이렇게 측정되어 지는 것이다. 그리고 PFM 측정에서, 압전 반응은 압전 상수와 팁의 감도의 차이, 그리고 측정환경에 따라 차이가 나는데, 이번 실험에서는 in-plane의 이미지가 out-of-plane의 이미지에 비해 contrast가 크게 나타났다. 실제로 습도가 많은 특정 환경에서 측정할 때에는 비틀림 힘을 받는 in-plane의 압전 반응이 out-of-plane보다 작게 측정 되었다. 그리고 in-plane과 out-of-plane을 측정할 때 각각 최적의 contrast를 보이는 주파수가 다르게 나왔다. 또한 스캔의 방향을 90 ° 회전함으로 domain 이미지는 팁의 스캔 방향에 무관함을 알 수 있었다. PZT(PbZrTiO3) 박막의 경우, 조성이 다른 두 박막 모두 grain 내에서는 mono-domain의 형태를 가지며, 기판과 같이 polycrystallinity를 가지지만 50 nm 이하의 크기를 가지는 grain 보다 큰 영역의 균일한 domain 형태를 나타내었다. 이런 mono-domain의 생성 원인은 각각의 grain 내에서 domain이 결정화 온도에서 냉각되는 동안 주위의 grain의 속박에 의해 형성된다고 볼 수 있다. 그러나 두 조성 모두 mono-domain을 가지므로 여기서는 PZT(PbZrTiO3) 박막의 조성에 따른 차이는 나타나지 않았다. 따라서 PZT(PbZrTiO3) 박막의 domain switching에 대한 특성을 비교하기 위해서 ±6 V의 DC전압으로 22 μm2 영역중 11 μm2 영역을 domain switching 실험을 하였다. DC전압을 인가하지 않은 가장자리 부분은 계속적인 imaging에서 같은 위상을 보여주었으나 ±6 V의 DC전압을 인가한 부분은 domain switching을 볼 수 있었다. 상대적으로 항전기장이 작은 PbZr0.52Ti0.48O3 박막이 PbZr0.3Ti0.7O3 박막에 비해 많은 영역에서 domain switching이 되었으며, 두 박막 모두 확연한 domain switching을 확인하였다. 또한 인가하는 전압의 증가에 따른 domian 특성을 살펴보기 위해 PbZr0.3Ti0.7O3 박막에 +3 V, +6 V, +9 V, -3 V, -6 V, -9 V의 순서의 DC전압으로 쓰기를 하였다. ±3 V, ±6 V의 전압을 인가했을 때 domain growth는 domain wall에서부터 진행되는 경향을 보였으며, ±9 V의 인가전압에서 급격한 domain switching이 나타남을 확인 하였다. 이는 domain growth가 분극핵 생성 후 축방향으로 빠르게 성장한 다음 2차원 적으로 domain wall에서부터 측면방향으로 성장한다고 볼 수 있다. 또한 ±9 V의 전압에서의 급격한 변화는 낮은 전압에서 보다 높은 전압에서 domain switching 속도가 빠른 것을 확인 할 수 있었다. 다음으로 PZT(PbZrTiO3) 박막에 대해 20 Hz의 빠른 속도로 +9 V전압을 연속적으로 인가함에 따라 domain switching의 특성을 살펴보았다. 20 Hz의 스캔은 약 44 nm2의 영역에 10 ms의 시간동안 전압을 인가하는 속도이다. 일반적으로 분극핵 생성에 대해서 domain switching 시간이 수 μs 정도이고, 핵이 생성되는 시간은 수 ns 정도이므로 20 Hz의 스캔속도는 domain switching을 일으키기에 충분 시간임을 알 수 있다. 그러나 포화되지 않은 이력곡선을 가지는 PbZr0.52Ti0.48O3 박막은 전압을 인가할 때마다 연속적으로 domain switching되는 영역을 보였고, 포화된 이력곡선을 가지는 PbZr0.3Ti0.7O3 박막은 최초의 전압인가에서만 domain switching을 보여주었다. 이는 거시적인 이력곡선의 형태가 11 μm2 영역에서의 domain switching 효과를 잘 설명하는 것을 알 수 있다. GFO 박막에 대한 PFM 분석을 위해 두께가 50 nm, 100 nm, 200 nm인 세 가지 박막을 비교 하였다. 먼저 AFM으로 표면이미지를 측정하여 두께 증가에 따라 grain 크기와 RMS 표면거칠기 값이 증가함을 알 수 있었다. Domain의 형태는 PZT(PbZrTiO3) 박막과는 다르게 grain boundary를 따라 형성되어 grain 크기의 증가에 의해 domain 크기도 같이 증가하는 특성을 보였다. 그리고 일반적인 BaTiO3 박막의 경우 poly-domain은 약 400 nm 이상의 grain 크기에서 형성되는 것과 다르게, GFO 박막에서는 약 100 nm 크기의 한 grain 안에서 두 개 이상의 domain이 존재하는 poly-domain의 존재를 확인하였다. 항전기장과 잔류분극이 작고 leakage current가 큰 GFO 박막의 경우 ±9 V의 전압에 따른 domain switching 실험에서 in-plane 위상 이미지에서는 domain의 변화를 볼 수 있었지만 out-of-plane 위상 이미지에서는 뚜렷한 변화를 확인할 수 없었다.
A mechanism for the switching behavior of ferroelectric thin films has been investigated using PFM(piezoresponse force microscopy). PFM successfully visualized the magnitude and phase of domain. PZT(PbZrTiO3) thin films with (111) texture were deposited onto commercially Pt/Ti/SiO2/Si substrates via...
A mechanism for the switching behavior of ferroelectric thin films has been investigated using PFM(piezoresponse force microscopy). PFM successfully visualized the magnitude and phase of domain. PZT(PbZrTiO3) thin films with (111) texture were deposited onto commercially Pt/Ti/SiO2/Si substrates via the sol-gel technique. A combination of in-plane and out-of-plane mode at PFM has been used to reconstruct the three-dimensional polarization distribution. And, allowed domain configurations for the PZT films according to different symmetries and different textures has been illustrated schematically. Also, domain and domain switching properties were studied for the PZT films with different compositions using by applied DC bias voltage at localized area. Moreover, GaFeO3 thin films of multiferroic materials were prepared on Pt/Ti/SiO2/Si substrates by using a pulsed laser deposition method and ferroelectric properties have been investigated.
A mechanism for the switching behavior of ferroelectric thin films has been investigated using PFM(piezoresponse force microscopy). PFM successfully visualized the magnitude and phase of domain. PZT(PbZrTiO3) thin films with (111) texture were deposited onto commercially Pt/Ti/SiO2/Si substrates via the sol-gel technique. A combination of in-plane and out-of-plane mode at PFM has been used to reconstruct the three-dimensional polarization distribution. And, allowed domain configurations for the PZT films according to different symmetries and different textures has been illustrated schematically. Also, domain and domain switching properties were studied for the PZT films with different compositions using by applied DC bias voltage at localized area. Moreover, GaFeO3 thin films of multiferroic materials were prepared on Pt/Ti/SiO2/Si substrates by using a pulsed laser deposition method and ferroelectric properties have been investigated.
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