Hydrothermal epitaxy법으로 상전이 온도 이하에서 제조된 강유전체 박막의 SPM-based data storage 응용에 대한 연구

Abstract

최근에 비휘발성 저장 매체로서 강유전체 박막에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 일반적인 강유전체의 분역벽의 두께가 수 격자 정도로 얇다. 따라서 SPM을 활용한 초고밀도 정보 저장 (SPM-based data storage)에 관련된 연구가 많은 주목을 받고 있다. 비휘발성 정보 저장 매체의 조건으로는 빠른 작동 시간, 작은 bit 크기, 그리고 retention과 fatigue와 관련된 높은 신뢰성이 요구된다. 그러나 강유전체 분극 반전에 관련된 대부분의 연구가 writing 시간과 전압에 대해서 분역의 크기에 대해서만 이루어지고 있다. 분역의 안정성, 즉, retenion loss에 관련된 연구는 매우 드문 실정이다. 일부 관련된 연구가 c/a 다분역 구조 또는 다결정 강유전체 박막에서 이루어진 바는 있으나, 이는 활용가능성이 매우 떨어진다. 결국, c 단분역 구조를 갖는 단결정 강유전체 박막에 대한 연구는 전무한 실정이다. 본 연구는 단결정 강유전체 박막을 제조하기 위해서 수열합성법을 활용하였다. 이는 비교적 저온의 범위에서 박막의 source를 포함하는 수용액 내에 단결정 기판을 넣어 증착하는 방법이다. 본 연구에서는 (001) Nb-doped SrTiO3 단결정을 활용하여 PbTiO3 와 PZT 박막을 제조하였다. 제조된 박막의 강유전 특성은 P-E 이력곡선과 PFM을 이용한 분극 반전 실험을 통해서 확인하였다. 확인 결과 매우 뚜렷한 강유전성을 보였고, 박막의 표면을 향하는 분극만을 갖는 c 단분역 구조를 갖는 단결정 박막이 제조되었다. 본 연구에서는 36 nm의 평균 직경을 갖는 dot 분역과 square 형태의 분역을 전도성을 갖는 AFM tip을 이용하여 반전시킨 후 시간에 따른 분역의 크기 변화를 관찰함으로써 retention loss 특성을 평가하였다. 외부 전기장이 AFM tip을 통해서 가해지는 경우, 박막 내부의 전기장은 불균질하게 적용된다. 따라서 반전된 분역과 초기 분역을 구분하는 c/c 분역벽이 박막의 두께 방향에 대해서 수직적이지 못하고 곡선의 형태를 나타내는 것을 가정할 수 있다. 이와 같이 곡선의 형태를 갖는 분역벽을 따라서 head-to-head 분극 구조가 나타나게 되어 반분극 전계가 생성된다. 따라서 곡선 c/c 분역벽을 포함하는 영역에 대해서 자유 에너지가 높아지는 효과를 유발시킨다. 이러한 분역벽의 불안정성에 의해서 반전된 분역의 크기가 작아지는 결과가 나타나게 되었다. 본 연구에서 나타낸 결과와 논의로부터 AFM tip에 의해서 반전된 분역에 retention loss 현상은 c/c 분역벽의 구조와 매우 밀접한 연관이 있는 것을 확인할 수 있었다. 결과적으로 주어진 박막에서 AFM tip을 이용하여 분역 반전을 일으킬 때, 직선적인 c/c 분역벽을 갖는 cylinder 형태의 분역이 되도록 반전 시켜야 retention loss로부터 자유로울 수 있을 것이다.