[論文レビュー] Domain wall conductivity in semiconducting hexagonal ferroelectric TbMnO$_3$ thin films

D. J. Kim, John Connell+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 17, 2015

Ferroelectric and Piezoelectric Materials参考文献 34被引用数 15

ひとこと要約

本研究では、導電性原子間力顕微鏡を用いて、半導体的ヒキシカルTbMnO3薄膜における電気的に中性な界面欠損の領域で、導電性の向上を示した。導電性は、欠陥の偏析によって調整される、バック・トゥ・バックのショットキダイオードモデルに起因する。これは、フェロエレクトリックマンガナイトにおける界面欠損の導電性が、帯電した界面に依存しないことを示しており、従来のメカニズムに関する仮定に挑戦するものである。

ABSTRACT

Although enhanced conductivity at ferroelectric domain boundaries has been found in BiFeO$_3$ films, Pb(Zr,Ti)O$_3$ films, and hexagonal rare-earth manganite single crystals, the mechanism of the domain wall conductivity is still under debate. Using conductive atomic force microscopy, we observe enhanced conductance at the electrically-neutral domain walls in semiconducting hexagonal ferroelectric TbMnO$_3$ thin films where the structure and polarization direction are strongly constrained along the c-axis. This result indicates that domain wall conductivity in ferroelectric rare-earth manganites is not limited to charged domain walls. We show that the observed conductivity in the TbMnO$_3$ films is governed by a single conduction mechanism, namely, the back-to-back Schottky diodes model tuned by the segregation of defects.

研究の動機と目的

• 半導体的ヒキシカルフェロエレクトリックTbMnO3薄膜における界面欠損の導電性の増強の原因を調査すること。
• h-TbMnO3における界面欠損の導電性が、帯電した界面欠損によって駆動されているのか、あるいは代替メカニズムによって駆動されているのかを特定すること。
• 観察された界面欠損における導電性を支配する主要な導電メカニズムを同定すること。
• 欠陥の偏析が界面欠損の電子的性質をどのように調整するかを検討すること。
• フェロエレクトリック酸化物において、帯電した界面に依存しない界面欠損の導電性が普遍的であるかどうかを確立すること。

提案手法

• エピタキシャルh-TbMnO3薄膜（20ユニットセル、約23 nm）を、パルスレーザー蒸着法を用いてPt(111)/Al2O3(0001)基板上に成長させ、同時にRHEEDおよび分光的屈折率測定を実施した。
• ナノスケール分解能で局所的導電度をマッピングし、電流-電圧（I-V）特性を測定するために導電性原子間力顕微鏡（CAFM）が用いられた。
• 下部電極をグラウンドにした状態で、Pt被膜の導電性チップを用いて抵抗状態の書き込みと読み取りにバイアスを印加した。
• I-V曲線は、ON領域、OFF領域、界面欠損、およびポーリングを行わないままの成長状態の領域のそれぞれで測定された。
• データは、不顕性要因1.09および任意の障壁高さを有するバック・トゥ・バックのショットキダイオードモデルでフィッティングされた。
• 電流分布は、OFF領域を除き、すべての領域に対して対数正規分布関数を用いてモデル化された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ヒキシカルTbMnO3薄膜における界面欠損の導電性は、帯電した界面欠損によって駆動されているのか、それとも中性界面によって駆動されているのか？
• RQ2 h-TbMnO3における界面欠損の導電性の増強を引き起こす主要な導電メカニズムは何か？
• RQ3 欠陥の偏析とバンド構造の変化が、界面欠損の導電性にどのように影響するか？
• RQ4 単結晶とは異なり、薄膜においても界面欠損の導電性を一貫して観察および定量できるか？
• RQ5 観察された導電性は、薄膜の異なる領域において普遍的な導電モデルに従うのか？

主な発見

• 電気的に中性な界面欠損において、半導体的ヒキシカルTbMnO3薄膜で導電性の向上が観察された。これは、界面欠損の導電性が帯電した界面を必要としないことを示している。
• 観察された導電性は、不顕性要因1.09を有する単一の導電メカニズム、すなわちバック・トゥ・バックのショットキダイオードモデルによって支配されている。
• 欠陥の偏析は、ショットキ障壁高さを調整し、界面欠損における観察された導電性を可能にする上で重要な役割を果たしている。
• -1.5 Vの読み取りバイアスでは、ON領域の高い導電性が界面欠損の信号を隠してしまうため、界面欠損の導電性は、OFF領域と未ポーリング領域の間でのみ明確に観察された。
• 界面欠損および未ポーリング領域の電流分布は対数正規関数に従ったが、OFF領域の分布はあまりに狭く、このようなフィッティングは不適切であった。
• すべての領域（ON、OFF、未ポーリング、界面欠損）における正規化I-V曲線は、同じバック・トゥ・バックのショットキモデルでよく説明されており、一貫した導電メカニズムが確認された。