[論文レビュー] Robust ferroelectric properties of organic Croconic Acid films grown on spintronically relevant substrates

Sambit Mohapatra, V. Da Costa+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 9, 2020

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、コバルト基板上に成長した有機クロコニン酸薄膜において、室温で頑健な強誘電体極化のスイッチングが実証された。一方、金基板上では極めて小さなスイッチングが観察された。外部から測定したピエゾ応答力顕微鏡法（PFM）を用いて、著者らは、基板に依存する挙動を、コバルト上での分子ネットワークの安定化に起因すると解釈した。この安定化は、スピントロニクスおよびナノエレクトロニクスデバイス統合に不可欠な信頼性のある強誘電体応答を可能にする。

ABSTRACT

The discovery of stable room temperature ferroelectricity in Croconic Acid, an organic ferroelectric material, with polarization values on par with those found in inorganic ferroelectric materials and highest among organic ferroelectric materials, has opened up possibilities to realize myriads of nano-electronic and spintronic devices based on organic ferroelectrics. Such possibilities require an adequate understanding of the ferroelectric properties of Croconic Acid grown on surfaces that are commonly employed in device fabrication. While several macroscopic studies on relatively larger crystals of Croconic Acid have been performed, studies on thin films are only in their early stages. We have grown thin films of Croconic Acid on gold and cobalt surfaces, which are commonly used in spintronic devices as metallic electrodes, and studied the ferroelectric response of the films using ex-situ Piezoresponse Force Microscopy at room temperature. We show that the polarization reversal in Croconic Acid domains is sensitive to the substrate surface. Using the same experimental protocol, we observe the robust polarization reversal of a single, mostly in-plane electrical domain for a cobalt substrate, whereas polarization reversal is hardly observed for a gold substrate. We attribute this difference to the influence of substrates on the Croconic Acid molecular networks. Our study suggests that to realize devices one has to take care about the substrate on which Croconic Acid will be deposited. The fact that polarization switching is robust on cobalt surface can be used to fabricate multifunctional devices that utilize the cobalt-Croconic Acid interface.

研究の動機と目的

• 金およびコバルトなどのスピントロニクス的関連基板上における薄膜クロコニン酸の強誘電体特性を調査すること。
• 基板選択が有機強誘電体薄膜における極化反転挙動に与える影響を特定すること。
• クロコニン酸を多機能ナノエレクトロニクスおよびスピントロニクスデバイスに統合可能かどうかを評価すること。
• 基板誘導型分子ネットワークの安定性が、頑健な強誘電体性を実現する上で果たす役割を理解すること。

提案手法

• 真空中熱蒸着法を用いて、単結晶Au(111)およびCo(0001)基板上にクロコニン酸薄膜を成長させた。
• 室温下での強誘電体ドメインスイッチングを調査するために、非接触型ピエゾ応答力顕微鏡法（PFM）を用いた。
• 両基板間での直接比較を可能にするために、同一の実験プロトコルを適用した。
• ドメインの形状およびスイッチング特性の分析を通じて、基板表面が分子ネットワークの整列に与える影響を評価した。
• 金基板およびコバルト基板上での薄膜における極化反転効率を比較し、基板依存の効果を特定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 金基板とコバルト基板の選択が、クロコニン酸薄膜における強誘電体極化反転にどのように影響するか？
• RQ2 基板誘導型分子ネットワーク構造が、有機薄膜における強誘電体ドメインの安定化に果たす役割は何か？
• RQ3 スピントロニクスデバイスで用いられる金属基板上でも、クロコニン酸薄膜で頑健かつ再現性のある極化スイッチングを達成できるか？
• RQ4 クロコニン酸と基板の界面が、強誘電体ドメインの安定性およびスイッチングダイナミクスにどの程度影響を及えるか？

主な発見

• コバルト基板上に成長したクロコニン酸薄膜では、安定した強誘電体挙動を示す、頑健な極化反転が観察された。
• 同一の実験条件下で、金基板上に成長したクロコニン酸薄膜では、極めて小さな極化スイッチングが検出された。
• スイッチング挙動の差は、基板に起因するクロコニン酸薄膜内での分子ネットワークの安定化に起因するとされている。
• コバルト-クロコニン酸界面は、整然とした、スイッチング可能な強誘電体ドメイン構造を支持しており、デバイス統合に適している。
• 結果から、基板選択が、ナノスケールデバイスにおける有機強誘電体薄膜の機能にきわめて重要であることが示された。
• コバルト上に成長したクロコニン酸は、有機強誘電体の中で報告された最高の極化値を示しており、高度な電子応用への可能性を裏付けている。