Nanoscale physical properties of oxide ferroelectric and multiferroic thin films grown by pulsed laser deposition and chemical solution method

Abstract

It has been reported physical properties of some oxide thin-films, which exhibit ferroelectricity and multiferroicity, on nanoscale. The films were grown by pulsed-laser deposition and sol-gel method on a variety of substrates. Time-resolved characterization by atomic force microscopy is a thematic approach to obtain polarization switching phenomena of the materials. Other structural, optical, and magnetic properties of the thin-films are also studied. Relaxor ferroelectric PbMg1/3Nb2/3O3(65%)-PbTiO3(35%) (PMN-PT) thin-films were grown with a polycrystalline texture on Pt(111)/TiO2/SiO2/Si(100) and epitaxially with (100) orientation on SrRuO3(100)/SrTiO3(100) metallic electrodes. Structural properties of the PMN-PT thin-films have been studied by x-ray diffraction and transmission electron microscopy. In case of the (100) oriented film, piezoelectric coefficient and crystallographic electrostrictive constant were determined as 150 pm/V and 2.8 x 10-3 C-2m4, respectively. Time-dependent switching behaviors for unpoled and poled domains were investigated in term of crystal growth orientation. Extended exponential decay of the polarization was observed and the scaling exponents governing the relaxation were estimated. Fatigue-free Bi3.15Nd0.85Ti3O12 (BNT) thin-films were synthesized with a deliberate annealing process under oxygenated and deoxygenated atmosphere over a range of temperature. Influence of oxygen vacancies and crystallinity on polarization switching and relaxation dynamics was studied. Using x-ray diffraction, crystal growth of the films is found to be significantly enhanced by increase of annealing temperature. The post-heat treatment generates oxygen vacancies in Bi2O2+2 layers not in TiO6-8 octahedra, which is confirmed by x-ray photoelectron spectroscopy. Four samples with different crystallinity and oxygen defects were systematically studied by time-dependent piezoelectric force microscopy. Their relaxation behaviors was explained by a dynamic model with random-walk motion of point defects and a diffusive migration of mobile and bound charges and their clusters. Polar ferrimagnetic GaFeO3 thin-films have been studied for pursuing toward a new room-temperature multiferroic material with non-zero order parameters. With addition of Fe ions into Ga sites, Ga0.6Fe1.4O3 (GFO) thin-films are considered as potentially promising for this goal. The b-axis oriented films were grown on several substrates including Pt(111)/SiO2/Si(100) and SrRuO3(111)/SrTiO3(111). The out-of plane and in-plane structural properties of the films were examined by x-ray diffraction and transmission electron microscopy. Magnetic moment of the films was measured as a function of temperature and external magnetic field, which shows a room-temperature magnetization. Optical dielectric functions of the films were also measured by spectroscopic ellipsometry. Several methods to prove ferroelectricity of the films were attempted: macroscopic hysteretic loops and microscopic piezoelectric force microscopy. The remnant polarization is measured as 0.05 μC/cm2, however, due to its leaky behavior of the films, it is not yet completely confirmed that the material is ferroelectric.;강유전성과 다강성을 보이는 산화물 박막의 나노스케일에서의 물리적 특성에 대해 살펴본다. 다양한 기판 위에 펄스페이져 증착법과 솔젤방법을 이용하여 박막을 성장시켰다. 박막의 분극 스위칭 현상을 알아보기 위해 주로 주사탐침현미경을 이용하여 시간분석형 특성에 대해 알아본다. 박막의 구조적, 광학적, 그리고 자성특성에 대해서도 알아보았다. 릴랙서 강유전체인 PbMg1/3Nb2/3O3(65%)-PbTiO3(35%) (PMN-PT) 박막을 다결정으로 배향된 Pt(111)/TiO2/SiO2/Si(100)와 에피택시얼하게 (100)으로 성장 전도성 기판인 SrRuO3(100)/SrTiO3(100) 전극에 성장시켰다. (100)으로 배향된 박막의 경우, 압전상수는 약 150 pm/V, 결정학전인 전기적변형 상수 2.8 x 10-3 C-2m4를 각각 얻었다. 비극화된 도메인과 극화된 도메인에서의 시간의존성 스위칭 현상을 결정 성장 배향에 따라 살펴보았다. 분극의 확장 지수함수형 감소 형태가 관찰되었고, 분극완화를 지배하는 스케일링 지수가 추정되었다. 피로현상이 없는 Bi3.15Nd0.85Ti3O12 (BNT) 박막을 다양한 온도 범위 내에서 산소분위기와 산소가 제거된 분위기 하에서 열처리 과정을 거쳐 제작하였다. 산소결함과 결정성에 따른 분극 스위칭과 완화동역학에 대해서 연구하였다. X-ray 회절방법을 이용해서 높은강유전성과 다강성을 보이는 산화물 박막의 나노스케일에서의 물리적 특성에 대해 살펴본다. 다양한 기판 위에 펄스페이져 증착법과 솔젤방법을 이용하여 박막을 성장시켰다. 박막의 분극 스위칭 현상을 알아보기 위해 주로 주사탐침현미경을 이용하여 시간분석형 특성에 대해 알아본다. 박막의 구조적, 광학적, 그리고 자성특성에 대해서도 알아보았다. 릴랙서 강유전체인 PbMg1/3Nb2/3O3(65%)-PbTiO3(35%) (PMN-PT) 박막을 다결정으로 배향된 Pt(111)/TiO2/SiO2/Si(100)와 에피택시얼하게 (100)으로 성장 전도성 기판인 SrRuO3(100)/SrTiO3(100) 전극에 성장시켰다. (100)으로 배향된 박막의 경우, 압전상수는 약 150 pm/V, 결정학전인 전기적변형 상수 2.8 x 10-3 C-2m4를 각각 얻었다. 비극화된 도메인과 극화된 도메인에서의 시간의존성 스위칭 현상을 결정 성장 배향에 따라 살펴보았다. 분극의 확장 지수함수형 감소 형태가 관찰되었고, 분극완화를 지배하는 스케일링 지수가 추정되었다. 피로현상이 없는 Bi3.15Nd0.85Ti3O12 (BNT) 박막을 다양한 온도 범위 내에서 산소분위기와 산소가 제거된 분위기 하에서 열처리 과정을 거쳐 제작하였다. 산소결함과 결정성에 따른 분극 스위칭과 완화동역학에 대해서 연구하였다. X-ray 회절방법을 이용해서 높은 온도에서 열처리한 박막에서 결정성이 뛰어남을 알 수 있었다. X-ray 광전자 방출 분광법을 통해 TiO68- 팔면체가 아닌 Bi2O22+ 층에서 산소결함이 발생한다는 것을 알 수 있다. 압전현미경을 이용해서 서로 다른 결정성과 산소결함을 보유한 네 가지 박막에 대해 연구를 하였다. 우리는 이들의 분극완화현상을 점결함의 랜덤워크 운동과 유동전하 및 속박전하의 확산 이동에 대해서 설명한다. 영이 아닌 질서변수를 갖는 새로운 상온 다강체를 위한 양극 페리자성체인 GaFeO3 (GFO) 박막을 연구하였다. Ga 자리에 Fe 이온이 첨가됨에 따라, GFO 박막은 상온다강체의 유망한 후보로 여겨진다. Pt(111)/SiO2/Si(100) 과 SrRuO3(111)/SrTiO3(111)을 포함한 다양한 기판 위에 박막을 b 축으로 성장시켰다. 박막의 면외와 면내 구조 특성을 x-ray 회절, 투과전자현미경을 통해서 조사하였다. 시간과 걸어준 외부 자기장에 대한 함수로 측정된 박막의 자기 모멘트는 상온 자화를 보인다. 분광 타원계 측정법을 통해서 박막의 광학 유전 상수를 얻었다. 또한 거시적 그리고 미시적인 방법을 통해서 박막의 강유전성을 증명해보았다. 박막의 누설특성으로 인해 이 물질이 강유전체인지에 대해서는 아직은 완벽하게 확신할 수 없지만, 그 잔류 분극값이 약 0.05 μC/cm2 로 측정되었다.