[논문 리뷰] Robust ferroelectric properties of organic Croconic Acid films grown on spintronically relevant substrates

Sambit Mohapatra, V. Da Costa외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 09.

Ferroelectric and Piezoelectric Materials참고 문헌 34인용 수 15

한 줄 요약

이 연구는 코발트 기판 상에서 성장한 유기 크로코니크 산 박막에서 실온에서 강력한 편극화 스위칭을 입증한다. 반면 금 기판 상에서는 스위칭이 거의 관찰되지 않는다. 외부에서 측정한 피에조반응력형태현미경(PFM)을 통해 저자들은 기판에 의존하는 행동을 기판 표면과의 상호작용으로 기인하며, 이는 크로코니크 산 분자 네트워크를 안정화시켜 스핀트로닉스 및 나노전자 소자 통합에 필수적인 신뢰할 수 있는 편극화 반응을 가능하게 한다고 밝혔다.

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.

연구 동기 및 목표

• 금과 코발트와 같이 스핀트로닉스에 관련된 기판 상에서 크로코니크 산 박막의 편극성 특성을 조사하는 것.
• 기판 선택이 유기 편극성 박막에서 극성 반전 행동에 미치는 영향을 규명하는 것.
• 크로코니크 산을 다기능성 나노전자 및 스핀트로닉스 소자에 통합할 수 있는지 평가하는 것.
• 기판 유도 분자 네트워크 안정성이 강력한 편극성의 가능성을 제공하는 데서의 역할을 이해하는 것.

제안 방법

• 진공 열증착을 통해 단결정 Au(111) 및 Co(0001) 기판 상에 크로코니크 산 박막을 성장시키는 것.
• 실온에서 편극성 도메인 스위칭을 탐측하기 위해 외부에서 측정한 피에조반응력형태현미경(PFM)을 사용하는 것.
• 두 기판 간의 직접 비교를 보장하기 위해 동일한 실험 프rotocol를 적용하는 것.
• 기판 표면이 분자 네트워크 정렬에 미치는 영향을 평가하기 위해 도메인 형태 및 스위칭 특성 분석을 수행하는 것.
• 금 기판과 코발트 기판 상의 박막 간의 극성 반전 효율을 비교하여 기판에 의존하는 영향을 규명하는 것.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 금 기판과 코발트 기판을 선택할 경우 크로코니크 산 박막에서 편극성 반전에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 기판에 의존하는 분자 네트워크 구조가 유기 박막에서 편극성 도메인을 안정화시키는 데서의 역할은 무엇인가?
• RQ3 스핀트로닉스 소자에 사용되는 금속 기판 상에서 크로코니크 산 박막에서 강력하고 재현 가능한 극성 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ4 크로코니크 산과 기판 간의 인터페이스가 편극성 도메인의 안정성과 스위칭 동역학에 어느 정도의 영향을 미치는가?

주요 결과

• 코발트 기판 상의 크로코니크 산 박막에서 강력한 극성 반전이 관찰되어 안정적인 편극성 행동을 나타낸다.
• 동일한 실험 조건에서 금 기판 상의 크로코니크 산 박막에서는 극성 스위칭이 거의 감지되지 않는다.
• 스위칭 행동의 차이는 크로코니크 산 박막에서 기판에 의존하는 분자 네트워크 안정화로 기인한다.
• 코발트-크로코니크 산 인터페이스는 잘 정렬된 스위칭 가능한 편극성 도메인 구조를 지원하며, 소자 통합에 유리하다.
• 결과적으로 기판 선택이 나노스케일 소자에서 유기 편극성 박막의 功能성에 결정적인 영향을 미친다는 것이 입증되었다.
• 코발트 상의 크로코니크 산는 유기 편극성 물질 중에서 보고된 바 가장 높은 극성 값을 나타내어 고급 전자 응용 분야 잠재력을 확인한다.