Electrical and Optical Properties of Perovskite Oxide Thin-Films and Nano-Structures

Abstract

Perovskite oxides, ABO3, can have various physical properties such as ferroelectricity, ferromagnetism, piezoelectricity and so on and rarely have two different properties simultaneously, because of the structural features. Developing fabrication techniques and analysis methods for oxide thin-films with theoretical approaches, researches for perovskite oxides have been increased. Ferroelectric perovskite oxides contain spontaneous polarizations generated by atomic displacement in non-centrosymmetric structure. The spontaneous polarization can interact with a structural transformation, so called piezoelectricity. In this study, we report specific material systems related with ferroelectricity and its polarization; (i) the optical analysis for an inversion symmetry breaking related with ferroelectricity in tetragonal PbVO3 thin-films, (ii) and the experimental proof of an enhancement of piezoelectricity in monoclinic KNbO3 nanorods, (iii) reduction of the leakage current screening ferroelectric property in orthorhombic Ga0.6Fe1.4O3 thin-films by chemical doping. Highly strained PbVO3 (PVO) films have potential applications in pyroelectric sensors and optoelectronic devices. To understand how strain influences the nonlinear optical characteristic of PVO, mechanically strained PVO thin-films were fabricated on LaAlO3 (LAO) and SrTiO3 (STO) substrates by pulsed laser deposition with off-stoichiometric compositions. The second-order nonlinear susceptibility tensor components of the PVO/STO thin-films were determined to be approximately twice as large as those of PVO/LAO thin-films which indicates that the inversion symmetry breaking along c-axis in the PVO thin-film occurs due to the elongation of c-lattice constant induced by the mechanical strain. One-dimensional ferroelectric nanomaterials have applications in energy harvesting and nanodevices owing to their piezoelectric properties. Here, KNbO3 (KNO) nanorods (NRs) were considered as a potential material for lead-free piezoelectric devices. KNO NRs with monoclinic and orthorhombic structures were synthesized by a hydrothermal method. A stable monoclinic KNO phase was observed at room temperature in the nanomaterials. The piezoelectric properties of the two different types of KNO NRs were studied by piezoresponse force microscopy (PFM). The piezoelectric enhancement of monoclinic KNO is related to unconstrained rotational polarization, which is similar to the behavior in Pb(Zr,Ti)O3 or BiFeO3 with monoclinic phases of a morphotropic phase boundary. Gallium ferrite, Ga0.6Fe1.4O3 (GFO1.4), is known to be a potential multiferroic material with spontaneous polarization and magnetization at room temperature. However, it is difficult to measure the polarization reversal of the GFO1.4 thin-films because conduction electrons screen the polarization switching, which is typical for ferroelectric materials. Therefore, controlling the charge conduction of GFO1.4 thin-films is an important step for further development of this material. GFO1.4 thin-films doped with Co ions were epitaxially grown on metallic oxide-coated single crystal SrTiO3 (STO) substrates by pulsed laser deposition. We studied the effects of Co content on electrical and magnetic properties as well as carrier transport behavior and the charge conduction mechanisms in epitaxial Co-doped GFO1.4 thin-films. These results can contribute to developing device applications such as memory device and nanogenerator, for examples, ferroelectric-random access memory (Fe-RAM) and magnetoelectric-RAM (ME-RAM), and flexible piezogenerator.;페로브스카이트 산화물은 ABO3 페로브스카이트 결정 구조를 가지고 있는 물질이다. 산화물 박막의 증착 기술 및 물성 분석 방법의 발달과 함께 제일원리 계산을 이용한 이론적 연구 방법의 발달과 함께 페로브스카이트 산화물로 이루어진 소자 개발을 위한 연구 수요가 증가하였다. 페로브스카이트 산화물은 강유전성 (ferroelectricity), 강자성 (ferromagnetism), 압전성 (piezoelectricity) 등의 다양상 성질을 가질 수 있으며, 드물게 여러 성질이 동시에 발현된다. 강유전성은 물질 내에 존재하는 자발 분극이 인가된 전기장의 방향에 따라 정렬되며, 전기장의 부재에도 그대로 정렬되어 있는 성질을 말한다. 이 연구에서는 강유전성과 관련된 다양한 페로브스카이트 물질에 중점을 두고 연구를 진행하였다. 첫째로, 분극 자성체 물질인 PbVO3 (PVO)는 격자 내 큰 tetragonal distortion으로 인하여 강유전성 자발 분극이 약 150 μC/cm2으로 크게 예측되고 있다. 자발 분극은 물질의 격자 비대칭에서 기인하는 성질이며, 단결정 PVO 박막에서의 격자의 비대칭을 관찰하여 Second Harmonic Generation (SHG) 실험을 진행하였다. 기계적 응력 인가에 따른 PVO 박막의 비대칭을 관찰하고자 Off-stoichiometric PLD법을 이용하여 LaAlO3 (LAO)와 SrTiO3 (STO) 단결정 기판 위에 PVO 박막을 제작하였다. PVO/STO 박막의 c축 방향으로의 반전 대칭 깨짐이 PVO/LAO 박막보다 더 크게 일어나는 것으로 보아, X선 회절 (X-ray diffraction) 실험을 통해 증명한 c축 격자상수의 증가에서 기인하였다고 결론지을 수 있다. 둘째로, Ga0.6Fe1.4O3(GFO1.4)는 상온에서 준강자성 (ferrimagnetism)을 띄는 물질이며, 제일원리 계산을 통하여 강유전성의 가능성이 보고된 바가 있다. GFO1.4의 누설 전류는 강유전성 발현을 저해하는 요소로 인식되고 있으며, 이를 줄이기 위한 연구를 진행하였다. 누설 전류의 원인을 차단하기 위하여, pulsed laser deposition (PLD)법을 이용하여 단결정 GFO1.4 박막에 이종 원소인 Co 이온을 주입을 시도하였다. GFO1.4 박막 내 Co 이온 농도에 따른 전도 특성 및 자성 특성을 실험적으로 분석하였다. 그 결과, GFO1.4 박막의 자성 특성을 유지한 채 누설 전류가 감소되는 것을 확인하였다. 마지막으로, KNbO3(KNO)는 자발 분극에 의해 생성되는 압전성을 지니고 있는 물질로 차세대 비납계 압전체로 각광받고 있다. Hydrothermal법을 이용하여 KNO 나노 로드 제작함으로써 상온에서 안정한 monoclinic구조를 얻을 수 있었다. 압전 감응 현미경(PFM)을 이용하여 monoclinic KNO 내부의 metastable한 자발 분극의 영향으로 압전 특성 강화가 일어남을 관찰하였다.