Charge Retention Behavior of Preferentially Oriented Ferroelectric Bi_(3.25)La_(0.75)Ti₃O_(12) Thin Films by Electrostatic Force Microscopy

Abstract

Ferroelectric Bi_(3.25)La_(0.75)Ti₃O_(12) (BLT) thin films have been grown by a sol-gel method. Annealing conditions after the drying process have been explored over a wide range of temperature. Highly (001) oriented BLT thin films are prepared on Pt/TiO₂ coated SiO₂/Si(100), depending on annealing temperature. Structural properties, surface morphology, and electrical properties are studied by X-ray diffraction (XRD), scanning electron microscopy (SEM), and Raman spectroscopy, X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) respectively. Ferroelectric domains in the thin films are observed by using AFM, registering the electrostatic force response of the thin films in the presence of a low ac field. It is found that the as-grown domain configuration and switching behavior strongly depend crystal orientation, suggesting that the annealing temperature is related to domain formation and its polarization-reversal dynamics. Surface charges of the films were observed as a function of time in a selected area which consists of a single-poled region and a reverse-poled region. The highly (117) oriented film shows the extended exponential decay mechanism with characteristic scaling exponents, n=1.5-1.6. The preferentially c-axis oriented film shows a remarkable retained behavior regardless of the poling. Decay and retention mechanisms of the regions are explained by space-charge redistribution and trapping of defects in the films. Raman spectra reveal the growth route of phase-formation of the BLT films. Depth-profiling of the electronic states of Bi, Ti, and La atoms shows the oxidation during the growth. ;강유전체 Bi_(3.25)La_(0.75)Ti₃O_(12) 박막을 졸-겔 방법을 이용하여 제조하였다. 건조과정 이후 열처리 온도를 달리 함에 따라 Pt/TiO₂/SiO₂/Si(100) 기판위에 c축 우선 배향된 BLT 박막이 생성됨을 확인하였다. X-ray 회절 분석기 (XRD)을 이용하여 제작된 시료의 결정학적 검증을 우선 수행하였고 주사전자현미경(SEM)을 이용하여 분역 사이즈가 약 50nm~100nm, 박막의 두께가 한 층에 200nm임을 확인할 수 있었다. 박막의 강유전체 분역구조에 대한 이미지는 정전기력 현미경을 이용하여 관찰하였다. 분역형성과 스위칭특성은 박막의 결정성에 크게 영향을 받고 있음을 알 수 있었으며 이는 열처리 온도가 분역 형성과 분극 전환 현상과 관련이 있음을 추측할 수 있게 한다. 박막의 표면전하는 국소영역의 시간에 따른 분극전환과 역 분극전환 실험을 통해 4분마다 EFM 신호를 추적하며 관찰하였다. 열처리 온도 700도에서 형성된 (117) 우선배향성을 가지는 시료의 경우는 extended exponential decay 메커니즘을 따르며 characteristic scaling exponents의 경우 n= 1.5-1.6으로 나타났다. 이에 대조적으로 C축 우선 배향성을 가지는 900도 열처리 박막의 경우, 오랫동안 안정적인 전하속박 현상을 보여주었다. 각 박막 내 전하의 감쇄와 보존의 메커니즘은 공간전하의 재분배(Space charge redistribution)와 속박전하의 이완(Bound charge relaxation)과 관련되어 있음을 알 수 있다. 라만실험을 통한 포논모드 확인을 통해 열처리 온도에 따른 상 형성 과정을 추측할 수 있었고 Depth-profiling을 통해 Bi,Ti,La 원소의 결정성장 과정의 산화 정도를 확인할 수 있었다.