상전이 온도 이하에서 수열합성법에 의한 에피텍셜 $PbTiO_{3}$ 박막의 증착과 특성 평가

Abstract

본 연구에서 상전이 온도 이하에서 수열합성법을 이용하여 $PbTiO_{3}$ 박막을 $(001)Nb-SrTiO_{3}$ 단결정 기판 위에 에피텍셜하게 성장 시켰다. 이는 XRD, TEM을 통해서 확인 하였다. $Pt/PbTiO_{3}/Nb-SrTiO_{3}$ 캐패시터 구조에서 P-E 이력곡선을 측정하여 강유전 특성을 평가 하였다. 80 μC/㎠의 큰 잔류 분극 값을 확인하였다. 이는 상전이를 거치지 않아 박막 내에 a-domain 없이 외부 전계에 반전되는 c-domain만 존재 하고, 결함들이 최소화 되어 큰 잔류분극 값을 가지는 것으로 생각된다. 다만 n-type 반도체인 하부전극의 영향으로 (-)방향으로 임프린트 현상이 나타났다. 그리고 증착된 $PbTiO_{3}$박막의 분역 구조는 up-polarization의 single c-domain구조를 가짐을 PFM을 통하여 확인 하였다. 이는 P-E 이력곡선을 통한 결과와는 반대방향을 나타낸다. 즉 수열합성법에 의해 $PbTiO_{3}$박막이 증착 될 때는 어떠한 영향으로 준안정 상태인 up-polarization상태를 이루고 있다가 Pt전극이 증착 되고 전압을 가할 경우 본래의 안정한 상태인 down-polarization으로 되는 것이다. 이는 수열합성 조건에 의해 영향을 받는 것으로 예상되나 아직 명확한 분석을 하지는 못한 실정이다. $Pt/PbTiO_{3}/Nb-SrTiO_{3}$ 캐패시터의 fatigue 실험을 하였다. $10^{8}$후에 $2P_{r}$값이 감소하기 시작한다. 그러나 매우 큰 초기 분극 값에 의해 $10^{10}$승 까지의 bipolar voltage pulse후에도 잔류 분극 값은 54.6 μC/㎠의 큰 값을 유지 하였다. 이는 소자 응용에 있어서 큰 장점이 될 것이다.