[論文レビュー] Nanoscale Electric Phenomena at Oxide Surfaces and Interfaces by Scanning Probe Microscopy

Sergei V. Kalinin|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2002

Force Microscopy Techniques and Applications参考文献 14被引用数 8

ひとこと要約

本論文は、高度な走査プローブ顕微鏡（SPM）技術を用いて酸化物材料におけるナノスケール電気的現象を包括的に調査するものである。本研究では、局所的自己容量およびC-V特性を高い空間的・電気的精度でマップ可能な走査インピーダンス顕微鏡（SIM）を導入し、SrTiO3の結晶粒界で電界誘起の誘電率低下を明らかにするとともに、フェロエレクトリック領域のドメインパターンの制御および局所的光化学反応の制御を可能にし、ナノ構造の作製に貢献した。

ABSTRACT

Scanning Probe Microscopy is used to study and quantify the nanoscale electric phenomena in the two classes of oxide systems, namely transport at electroactive grain boundaries and surface behavior of ferroelectric materials. Scanning Impedance Microscopy is developed to study the capacitance and local C-V characteristic of the interfaces combining the spatial resolution of traditional SPMs with the precision of conventional electrical measurements. SPM of SrTiO3 grain boundaries in conjunction with variable temperature impedance spectroscopy and I-V measurements allowed to find and theoretically justify the effect of field suppression of dielectric constant in the vicinity of the electroactive interfaces in strontium titanate. Similar approaches were used to study ferroelectric properties and ac and dc transport behavior in a number of polycrystalline oxides. In the second part, the effects of local charge density on the chemistry and physics of ferroelectric surfaces are studied. The kinetics and thermodynamics parameters of adsorption are assessed by variable temperature SPM. Piezoresponse force microscopy is used to engineer domain patterns on ferroelectric surfaces. Localized photochemical activity of ferroelectric surfaces is explored as a new tool for metallic nanostructures fabrication.

研究の動機と目的

• 酸化物の結晶粒界およびフェロエレクトリック界面におけるナノスケール電気的輸送および誘電挙動を調査すること。
• 複雑な酸化物系において局所的自己容量およびC-V応答を定量的に測定可能な高分解能電気的特性評価法を開発すること。
• 局所的電荷密度がフェロエレクトリック酸化物の表面化学および物理学に与える影響を理解すること。
• フェロエレクトリック表面が局所的光化学的ナノ構造作製にどのように応用可能かを検討すること。
• ペロブスカイト酸化物（例：SrTiO3）において、局所的電界と誘電応答の間の定量的関係を確立すること。

提案手法

• ナノスケール空間分解能を有する局所的自己容量およびC-V特性を測定可能な走査インピーダンス顕微鏡（SIM）の開発および応用。
• SPMと可変温度インピーダンス分光法およびI-V測定を組み合わせ、温度依存の輸送および誘電応答を調査。
• ナノスケールでフェロエレクトリックドメインパターンを像取りおよび設計可能なペイントフォース顕微鏡（PFM）の使用。
• 可変温度SPMを用いて、表面吸着プロセスのキネティクスおよび熱力学的パラメータを抽出。
• フェロエレクトリック表面の局所的光化学的活性を利用し、SPM誘導反応により金属ナノ構造を形成。
• SrTiO3の電気的活性界面近傍における誘電率の場による抑制を説明する理論的モデリング。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電気的活性な結晶粒界近傍における局所的電界が、SrTiO3の誘電率にどのように影響を与えるか？
• RQ2 酸化物界面における局所的自己容量およびC-V特性の空間的・温度的依存性は何か？
• RQ3 局所的電荷密度は、フェロエレクトリック酸化物表面における吸着キネティクスおよび熱力学にどのように影響を与えるか？
• RQ4 ペイントフォース顕微鏡を用いてフェロエレクトリック表面ドメインを制御的にパターン化できるか？
• RQ5 フェロエレクトリック表面における局所的光化学反応は、金属ナノ構造のボトムアップ的作製にどの程度寄与できるか？

主な発見

• 走査インピーダンス顕微鏡を用いて、SrTiO3の電気的活性な結晶粒界近傍で、電界誘起の誘電率低下が実験的に観測され、理論的にも裏付けられた。
• ナノスケール分解能で局所的C-V特性が成功裏にマッピングされ、誘電および輸送応答における顕著な空間的不均一性が明らかになった。
• 可変温度SPMにより、フェロエレクトリック表面における吸着エネルギーおよびキネティクスパラメータの定量的決定が可能となった。
• ペイントフォース顕微鏡により、ナノスケールでフェロエレクトリックドメインパターンの正確な書き込みおよび操作が可能となった。
• フェロエレクトリック表面における局所的光化学的活性が、金属ナノ構造のサイト選択的作製に有効であることが実証された。
• 本研究では、局所的電界と誘電応答の直接的な相関関係が確立され、複雑な酸化物における平均化されたバルクモデルに疑問を呈するものとなった。