[논문 리뷰] Domain wall conductivity in semiconducting hexagonal ferroelectric TbMnO$_3$ thin films

D. J. Kim, John Connell외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 17.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials참고 문헌 34인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 전기적으로 중성인 도메인 벽에서 반도체 헥사고날 TbMnO3 박막에서 도전성 원자력현미경을 사용하여 향상된 도전성을 입증한다. 도전성은 결함 분할에 의해 조절되는 역행렬 슈트키 다이오드 모델에 기인하며, 이는 페로일렉트릭 망간산염에서 도메인 벽의 도전성이 전하를 띤 도메인 벽에 의존하지 않음을 밝혀내어 이전의 메커니즘에 대한 가정을 도전한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 반도체 헥사고날 페로일렉트릭 TbMnO3 박막에서 향상된 도메인 벽 도전성의 기원을 조사하기 위해.
• h-TbMnO3에서 도메인 벽 도전성이 전하를 띤 도메인 벽에 의해 추진되는지 여부를 규명하기 위해.
• 관측된 도메인 벽에서의 도전성을 지배하는 주요 도전 메커니즘을 특정하기 위해.
• 결함 분할이 도메인 벽의 전자적 성질을 조절하는 데 미치는 역할을 조사하기 위해.
• 전하를 띤 인터페이스가 아닌, 페로일렉트릭 산화물에서 도메인 벽 도전성이 보편적으로 나타나는지 확인하기 위해.

제안 방법

• 20 단위세포(약 23 nm) 두께의 에피택셜 h-TbMnO3 박막은 펄스 레이저 증착을 통해 Pt(111)/Al2O3(0001) 기판에 성장되었으며, 현장에서 RHEED 및 스펙트로스코픽 엘리프세미를 이용하여 관찰하였다.
• 국소 도전도를 맵핑하고 나노스케일 해상도에서 전류-전압(I-V) 특성을 측정하기 위해 도전성 원자력현미경(CAFM)을 사용하였다.
• 저항 상태를 기록하고 읽기 위해 Pt 코팅된 도전성 터치를 사용하였으며, 하부 전극은 접지되었다.
• I-V 곡선은 ON 도메인, OFF 도메인, 도메인 벽, 그리고 펄스 가공하지 않은 그대로의 영역에서 별도로 측정되었다.
• 이상성 수치가 1.09이고 임의의 터널 높이를 가진 역행렬 슈트키 다이오드 모델을 사용하여 데이터를 피팅하였다.
• 다른 영역의 전류 분포를 모델링하기 위해 로그노멀 분포 함수를 사용하였으며, 좁은 OFF 분포는 제외되었다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 헥사고날 TbMnO3 박막에서 도메인 벽 도전성이 전하를 띤 도메인 벽에 의해 추진되는지, 아니면 중성 인터페이스에 의해 추진되는지?
• RQ2 h-TbMnO3에서 도메인 벽에서 향상된 도전성을 담당하는 주요 도전 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 결함 분할과 밴드 구조 변화가 도메인 벽 도전성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 단일 결정체와는 달리 박막에서 도메인 벽 도전성이 일관되게 관측되고 정량화될 수 있는가?
• RQ5 관측된 도전성이 박막의 다양한 영역에서 보편적인 도전 모델을 따르는가?

주요 결과

• 반도체 헥사고날 TbMnO3 박막에서 전기적으로 중성인 도메인 벽에서 향상된 도전도가 관측되었으며, 이는 도메인 벽 도전성이 전하를 띤 인터페이스가 필요하지 않음을 시사한다.
• 관측된 도전성은 단일 도전 메커니즘에 의해 지배되며, 이상성 수치가 1.09인 역행렬 슈트키 다이오드 모델이다.
• 결함 분할은 슈트키 터널 높이를 조절하고 도메인 벽에서 관측된 도전도를 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 한다.
• -1.5 V의 독성 전압에서 도메인 벽 도전성은 오직 OFF 영역과 펄스 가공하지 않은 영역 사이에서만 나타났으며, ON 도메인의 높은 도전성이 도메인 벽 신호를 가리기 때문에 그러한 현상이 발생했다.
• 도메인 벽과 펄스 가공하지 않은 영역의 전류 분포는 로그노멀 함수를 따르며, OFF 영역의 분포는 너무 좁아서 그러한 피팅이 불가능했다.
• 모든 영역(ON, OFF, 펄스 가공하지 않은, 도메인 벽)의 정규화된 I-V 곡선은 동일한 역행렬 슈트키 모델로 잘 기술되었으며, 이는 통합된 도전 메커니즘을 확인한다.