Scanning probe microscope lithography를 이용한 $PbTiO_3$ 강유전체 cell의 2차원 배열

Abstract

강유전체 박막은 비휘발성 메모리, 초전 센서, 마이크로 액츄에이터 등의 다양한 분야에서 응용되어왔다. 강유전체의 보다 폭넓은 응용을 위해서는 마이크로, 너 나아가 나노 크기의 셀 패터닝이 요구된다. 현재 연구되고 있는 셀 제조 방법은 크게 top-down 방식과 bottom-up 방식으로 나뉜다. Focused ion beam patterning, electron-beam direct writing, nanoimprint lithography등의 top-down 방식의 셀 제조법은 박막을 입힌 후에 외부 식각으로 셀 형상을 구현하는 방법으로 공간 분해능은 뛰어나지만 식각 과정에서 발생하는 손상을 피할 수 없을 뿐 아니라 결정화를 위해서 상전이 온도 이상의 고온 열처리가 수반되어야 한다. 이러한 고온 열처리는 열적 응력이 재료 내부에 발생하고, 납과 산소이온의 휘발, 강유전체 셀과 기판간의 확산, 다분역 구조 등이 생성되어 마이크로나 나노 크기의 응용에 걸림돌로 작용한다. 반면, bottom-up 방식은 셀 자체의 형상으로 제조가 되므로 외부의 기계적인 손상을 배제할 수 있지만 원하는 위치에 셀을 배열시키는 데에는 한계가 있다. Scanning Probe Microscope(SPM) lithography는 nano scale의 lithography 방법으로서 nano-device를 구현하는데 사용될 수 있는 방법이다. Scanning Tunneling Microscope(STM)을 이용하는 방법은 재료 표면에 tip으로 음전류를 가해서 표면의 원자나 분자를 공기 중으로 떼어내는 방법으로서 원자 단위의 표면 제어가 가능하다. 전도성 AFM tip으로 표면에 전류를 가하면 부분적으로 화학적 성질을 바꿀 수 있다. 그러나, 아직 Atomic Force Microscope(AFM)을 이용한 lithography 방법은 그 변수가 매우 다양하고 적용되는 물질도 다양하기 때문에 정확한 mechanism은 규명되지 않은 상황이다. 상전이 온도 이하에서 bottom-up 방식으로서 강유전체 셀을 제조할 수 있는 방법이 수열합성법이다. 이 방법은 비교적 저온(100~350℃)과 고압(<15MPA) 상태에서 powder 가 녹아있는 수용액 내의 화학적 반응에 의해서 무기물질을 합성해 내는 방법이다. 수열합성법을 통하여 나노크기의 강유전체 powder를 제조하였고, 1995년에는 $SrTiO_3$ 기판에 $PbTiO_3$ 강유전체 박막을 제조하였다. 이 후, 수열합성법을 통한 강유전체 박막 제조에서 많은 연구가 시행되었지만 강유전성 평가는 이루어지지 못하다가 최근 본 연구실에서 Nb doping된 $SrTiO_3$ 기판에 $PbTiO_3$ 박막을 제조한 후 P-E 이력곡선을 측정함으로써 강유전성 평가가 이루어지게 되었다. 본 연구에서는 AFM lithography와 수열합성법을 도입하여 bottom-up 방식으로 강유전체 셀을 2차원 배열하였다. Nb 도핑된 $SrTiO_3$ 단결정 기판을 0.6M KOH 용액을 이용해 표면처리 한 후, 산소 분위기의 furnace내에서 1000℃, 1시간 정도 열처리 한 후에 기판으로 사용하여 $PbTiO_3$ 강유전체 셀을 배열하였다. 이 때에 강유전체 셀이 배열될 핵생성 site를 공급하기 위해 AFM lithography를 실시하였는데, 전도성 tip으로 -28~30V의 전류를 가하여 기판의 원하는 부분을 화학적으로 변형시킨 후, 40% HCl 용액에 30분 정도 담궈 변형시킨 부분을 파내어 패턴된 핵생성 site를 제공하였다. 이렇게 핵생성 site가 배열되어있는 기판을 anatase $TiO_2$ 와 $Pb(NO_3)_2$ powder가 각각 0.1g, 0.5g 녹아있는 6M KOH용액 20ml에 넣어 200℃에서 1시간 정도 합성한 후, SEM과 AFM을 통하여 핵생성 site가 배열된 자리에 $PbTiO_3$ 셀이 배열되었다는 것을 확인하였고, piezoresponse 이력곡선 측정과 Piezo-response Force Microscope(PFM)