[논문]SrTiO3기판 위에 증착한 BiFeO3박막의 강유전 및 자기적 특성

이은구; 김선재; 이재갑

doi:10.4191/kcers.2008.45.6.358

SrTiO3기판 위에 증착한 BiFeO3박막의 강유전 및 자기적 특성
Ferroelectric and Magnetic Properties of BiFeO3 Thin Films Deposited on SrTiO3 Substrate 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.45 no.6 = no.313, 2008년, pp.358 - 362

이은구 (조선대학교 신소재공학과) , 김선재 (세종대학교 나노공학과) , 이재갑 (국민대학교 신소재공학부)

Abstract ▼ AI-Helper

$BiFeO_3$ films were hetero-epitaxially grown on $SrTiO_3$ substrate with a various orientation by pulse laser deposition. $BiFeO_3$ films grown on (111) $SrTiO_3$ substrate have a rhombohedral structure, identical to that of single crystals. On the other hand, films grown on (110) or (001) $SrTiO_3$ substrate are monoclinically distorted from the rhombohedral structure due to the epitaxial constraint. The easy axis of spontaneous polarization is close to [111] for the variously oriented films. Dramatically enhanced polarization and magnetization have been found for $BiFeO_3$ thin films grown on $SrTiO_3$ substrate comparing to that of $BiFeO_3$ crystals. The results are explained in terms of an epitaxially-induced transition between cycloidal and homogeneous spin states, via magneto-electric interactions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(4) 이종에피층은 격자의 스트레스에 의해 구조적인 변형이 야기될 수 있으므로 특성의 변화를 가져올 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 다양한(001), (110), 및 (111) 단결정 SrTiO₃ 기판 위에 BiFeS 박막을 이종에피 방법으로 증착하여 구조 변화와 이에 따른 강유전특성과 강 자성 특성의 변화를 조사하고자 한다.

제안 방법

SrTiO₃ 기판 위에 증착된 다양한 방위를 갖는 BiFeO₃ 박막의 구조와 강유전 및 자기적 특성을 측정하였다. (ill) BiFeO₃ 박막은 단결정과 같은 능면정 구조를 하였으나, (001)과 (110) 박막은 단사정으로 변형된 능면정 구조를 하였다.
이종에피 박막의 구조를 분석하기 위하여 Phillips 사의 MPD를 사용하여 이 차 원역 격자 분석을 하였다. 강유전체의 분극-전장 이력곡선 (Polarization-Electric field hysteresis loop) 특성은 Radiant 사의 RT66A측정기를 사용하였다. 자화-자장 이력곡선(DC M-H hysteresis loop) 특성은 SQUID magnetometer (Quantum Design, 모델 XL7)를 이용하여 300 K에서 측정 분석하였다.
단결정과 박막의 자화 특성 (M・H hysteresis loop)을 측정하였으며 그 결과를 Fig. 3에 나타내었다. Fig.
SRO와 BFO의 두께는 각각 50nm과 200nm이었다. 이종에피 박막의 구조를 분석하기 위하여 Phillips 사의 MPD를 사용하여 이 차 원역 격자 분석을 하였다. 강유전체의 분극-전장 이력곡선 (Polarization-Electric field hysteresis loop) 특성은 Radiant 사의 RT66A측정기를 사용하였다.
강유전체의 분극-전장 이력곡선 (Polarization-Electric field hysteresis loop) 특성은 Radiant 사의 RT66A측정기를 사용하였다. 자화-자장 이력곡선(DC M-H hysteresis loop) 특성은 SQUID magnetometer (Quantum Design, 모델 XL7)를 이용하여 300 K에서 측정 분석하였다.

대상 데이터

) 위에 전도성 산화물전극으로 SrRuO₃ (SRO)를 PLD 법으로 층착한 후 BiFeO₃ (BFO) 를 증착하였다. BFO 용 target으로 Bi2O₃₇} 10% 과잉으로 첨가된 Bii.iFeQ를 사용하였다. PLD 증착조건에서 KrF (248nm) 레이저 펄스 주기는 5 Hz, 에너지밀도는 l-1.
다양한 방위를 갖는 단결정 SrTiO₃ (STO) 기판 (SCI Engineered Materials Co.) 위에 전도성 산화물전극으로 SrRuO₃ (SRO)를 PLD 법으로 층착한 후 BiFeO₃ (BFO) 를 증착하였다. BFO 용 target으로 Bi2O₃₇} 10% 과잉으로 첨가된 Bii.

성능/효과

이러한 결과로부터 (111) 박막은 단결정과 동일한능면정상으로 성장한 반면에 (110)과 (001) 박막은 능 면 정에서 (001) 단사정 방향으로 변형된 것을 알 수 있었다. 또한, 모든 박막의 면간거리가 단결정에 비해 증가한 것으로 보아 기판과 박막의 격자상수 차이에 의해 격자가 팽창되어 박막에 큰 압축응력이 인가되고 있음을 알 수 있다.
모든 방위의 박막에서 큰 분극값을 얻었으며 자발분극 방향은 [111]이었다. 박막의 자화특성은 단결정에서 나타나는 원형특성은 관찰되지 않았고 균일한 반 강 자성 특성을 보였다. 박막의 두께가 감소함에 따라 증가되는 자화 특성은 박막층의 격자 변형에 의한 압전효과와 자전효과의 상호작용임을 보여주고 있다.
또한, (001) 박막의 경우 (110)과 (111) 번/므小에 비해 큰 자화값을 보이고 있는 이유는 Table 1에서 설명한 것과 같이 박막의 변형이 가장 크기 때문으로 생각되나, 자화의 방위의존성과 응력의존성 (자 외 현상)에대한 연구가 추가로 있어야 할 것이다. 본 박막의 특징은 보자력 값이 매우 작아 좁은 M-H 이력곡선 특성을 보이며, 작은 자장에서도 자화가 포화되어 큰 자화율 값을 보이고 있다는 것이다.
14) 이 자장은 자기이방성 에너지 (壮学)에 2xlO₁₀ J/m3 정도 기여하며 이러한 값은 원형 상태로부터 균일한 상태로 상전이가 일어나는 값 (eer/=2xlO₅ J/n?)보다 매우 큰 값이다. 즉, 1%의 격자 변형이 일어났을 경우 계산한 자기이방성 에너지 값은 상전이가 일어나는 값에 비해 105 정도 큰 값이다, 본 실험에서 수행한 박막의 역 격자 스캔으로부터 박막의 격자변형은 방위에 따라 0.03%~ 1.09%까지 팽창하였으며 이러한 값은 자기전자 스핀 구조를 원형 규칙에서부터 균일한 구조로 전이시키기에 충분하고 판단되며 이전의 연구14)결과와 잘 일치된다.
최근에 BiFeO₃ 단결정을 electron spin resonance (ESR) 로 분석한 결과 높은 자장에서는 스핀규칙이 원형에서 균일한 형태로 변화된다는 결과가 있었고, (3) 이종에피 방법으로 (001) SrTiO₃ 기판 위에 성장한 박막에서 잔류 분극 값이 단결정보다 20배 정도 큰 60μC/cn?을 얻은 보고 가 있었다.(4) 이종에피층은 격자의 스트레스에 의해 구조적인 변형이 야기될 수 있으므로 특성의 변화를 가져올 수 있다.

후속연구

이러한 결과는 박막에서 격자변형으로 인하여 단결정에서 주기적으로 나타나는(2) 원형 스핀 구조에 변형이 일어나서 큰 자기감수율을 보이는 것으로 생각된다. 또한, (001) 박막의 경우 (110)과 (111) 번/므小에 비해 큰 자화값을 보이고 있는 이유는 Table 1에서 설명한 것과 같이 박막의 변형이 가장 크기 때문으로 생각되나, 자화의 방위의존성과 응력의존성 (자 외 현상)에대한 연구가 추가로 있어야 할 것이다. 본 박막의 특징은 보자력 값이 매우 작아 좁은 M-H 이력곡선 특성을 보이며, 작은 자장에서도 자화가 포화되어 큰 자화율 값을 보이고 있다는 것이다.

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