[논문 리뷰] Synthesis of ferroelectric LaWN3 -- the first nitride perovskite

Kevin R. Talley, Craig L. Perkins외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 02.

Perovskite Materials and Applications인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 안정적이고 산소가 없는 극성 퍼보스카이트 구조를 가진 질화탄장 퍼보스카이트인 라ン타넘 tungsten 질화물(LaWN3)의 첫 번째 실험적 합성을 보고한다. 스펙트로스코피, 산산산란 및 스캐닝 프로브 현미경을 이용해 저자들은 큰 피에조전기 반응과 강한 반도체성의 증거를 확인하였으며, 이는 LaWN3가 향후 질화물 기반 고주파 전자 소자에 통합될 수 있는 첫 번째 안정된 반도체성 질화물 퍼보스카이트임을 입증한다.

ABSTRACT

Next generation telecommunication technologies would benefit from strong piezoelectric and ferroelectric response in materials that are compatible with nitride radio-frequency electronic devices. Ferroelectric oxides with perovskite structure have been used in sensors and actuators for half a century, and halide perovskites transformed photovoltaics research in the past decade, but neither of them is compatible with nitride semiconductors. Nitride perovskites, despite numerous computational predictions, have not been experimentally demonstrated and their properties remain unknown. Here we report the experimental realization of the first nitride perovskite: lanthanum tungsten nitride (LaWN3). Oxygen-free LaWN3 thin films in a polar perovskite structure are confirmed by spectroscopy, scattering, and microscopy techniques. Scanning probe measurements confirm a large piezoelectric response and strongly suggest ferroelectric behavior, making it the first stable nitride ferroelectric compound. These results should lead to integration of LaWN3 with nitride semiconductors for wireless telecommunication applications, while enabling synthesis of many other predicted nitride perovskites.

연구 동기 및 목표

• 퍼보스카이트 재료와 질화물 반도체 기술 간 격차를 메우기 위해 반도체성 질화물 퍼보스카이트를 합성하는 것.
• 오랜 기간에 걸쳐 광범위한 계산 예측이 있었음에도 불구하고 아직 달성되지 않은 예측된 질화물 퍼보스카이트를 실현하는 데 있어 장기적인 실험적 과제를 해결하는 것.
• III-질화물 전자공학에 적합한 산소가 없는 퍼보스카이트 구조에서 반도체성 및 피에조전기 성질을 입증하는 것.
• 미래의 고기능성 질화물 퍼보스카이트 개발을 가능하게 하기 위한 것.

제안 방법

• 산소 침식을 방지하기 위해 질소 농도가 높은 조건에서 펄스 레이저 증착을 이용해 sapphire 기질 위에 LaWN3의 박막을 성장시켰다.
• X선 회절 및 전자 산산산란 회절을 통해 박막의 퍼보스카이트 결정 구조와 에피택셜 품질을 확인하였다.
• X선 광전자 스펙트로스코피를 통해 산소의 부재를 확인하고, W⁵⁺ 및 N³⁻ 산화 상태의 존재를 확인하였다.
• 피에조반응력 현미경(PFM)을 이용한 스캐닝 프로브 현미경을 통해 국소적인 반도체성 도메인을 탐지하고 피에조전기 반응을 측정하였다.
• 심크로트론 기반 X선 산산산란 및 투과전자현미경을 통해 원자 해상도에서의 구조적 및 화학적 특성을 분석하였다.
• 이론적 분석을 통해 LaWN3 퍼보스카이트 구조의 안정성과 극성 성질을 뒷받침하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 질화물 기반 재료 체계에서 안정적이고 산소가 없는 퍼보스카이트 구조를 합성할 수 있는가?
• RQ2 합성된 LaWN3는 소자 통합에 적합한 반도체성 및 피에조전기 성질을 나타내는가?
• RQ3 여러 상보적인 특성 분석 기법을 통해 LaWN3의 퍼보스카이트 구조가 확인되었는가?
• RQ4 통제된 성장 조건 하에서 질화물 퍼보스카이트를 안정화시킬 수 있는가? 이는 향후 고기능성 재료 개발을 가능하게 하는가?
• RQ5 첫 번째로 실험적으로 실현된 질화물 퍼보스카이트의 전자적 및 구조적 성질은 무엇인가?

주요 결과

• LaWN3는 높은 결정성 품질을 가진 단일 상, 산소가 없는 퍼보스카이트 구조로 성공적으로 박막 형태로 합성되었다.
• X선 회절 및 전자 산산산란 패턴을 통해 이론적 예측과 일치하는 격자 상수를 가진 퍼보스카이트 구조가 확인되었다.
• X선 광전자 스펙트로스코피를 통해 산소의 부재와 함께 W⁵⁺ 및 N³⁻의 존재가 확인되어 질화물 퍼보스카이트 조성에 대한 지지를 받았다.
• 스캐닝 프로브 현미경을 통해 큰 피에조전기 반응이 관찰되었으며, 전기장 작용 하에서 측정 가능한 수직 이완이 관찰되었다.
• 극성 PFM 측정 결과, 스위칭 가능한 반도체성 도메인이 관찰되어 LaWN3에서 반도체성의 강력한 증거가 제시되었다.
• 물리적 및 화학적 안정성이 대기 조건에서도 유지되어 소자 응용 가능성에 대한 지지를 받았다.