Local observation of correlation between ferroelectricity and electrochemical behavior in Hf1-xZrxO2 thin films

국문 초록 (Abstract)

기존의 페로브스카이트형 강유전체는 강한 강유전성을 가지고 있지만, 박막 두께가 얇아지게 되면 강유전성을 잃어버리는 사이즈 효과로 인해 차세대 소자에 적용되기에는 어려움이 있다. 하지만 Zr이 도핑된 HfO2와 같은 형석 기반 강유전체는 5 나노미터 미만의 굉장히 얇은 두께에서도 강유전성이 발현되어 비휘발성 메모리, 세라믹 커패시터, 센서 등 다양한 응용분야에 적용되기 위한 연구가 되어 왔다. 현재는 이러한 성질을 더욱 더 확대시키기 위해 여러 조건에서 박막을 형성하기도 하고 외부에서 반복적인 전기장을 인가해 강유전성을 확대시키는 연구를 진행하고 있다. 외부에서 반복적인 전기장을 형석 기반 강유전체에 인가하게 되면 박막 내부의 산소결함의 거동변화에 따른 강유전성이 변화한다고 몇몇 논문에 보고가 되었다. 하지만 해당 논문에서 사용한 P-E 측정을 기반으로 한 강유전성 분석 연구는 1 마이크로미터 국소부위에서도 서로 다른 성질을 가지는 다형체 구조의 HZO 박막의 성질의 이해 하는 데는 제한적인 부분이 있다. 또한 EIS 측정을 기반으로 한 전기화학신호 분석 또한 동일한 이유로 제한적인 부분이 있다.
우리는 해당 연구에서 기존의 논문에서 보고된 거시적인 관점에서의 분석이 아닌 미시적인 관점에서의 강유전성 HZO 박막의 전기장 사이클링에 따른 국부적인 강유전성 변화와 전기화학 거동의 변화에 관한 상관관계에 대해 보고 한다. 우리는 먼저 원자 힘 현미경(Atomic force microscopy)의 응용모드인 압전반응 힘 현미경을 이용하여 나노미터 스케일에서 HZO 박막의 편광 스위칭 동작 및 외부 반복적인 전기장 인가에 따른 강유전성 확대와 감소 효과를 조사 했다. 이후에 스캐닝 임피던스 현미경을 이용하여 강유전성 확대 및 감소가 전기화학 거동변화와 어떠한 상관관계가 있는지 조사 했다.
해당 연구의 결과는 나노미터 두께의 초박막에서 강유전성 극대화의 최적화 조건을 제시하는 것뿐만 아니라 나노크기 입자에서의 새로운 평가방법도 제안할 수 있으리라 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Interestingly, ferroelectric HfO2-based thin films exhibit a "wake-up effect", showing that residual polarization increases by several electric field cycles before the fatigue effect occurs. Since the electric field cycling can redistribute defects, there is a possibility of electrochemical origin for ferroelectric properties in ferroelectric HfO2-based thin films in nanoscale. Therefore, understanding the local physical and electrochemical properties at the nanoscale can help to improve the ferroelectricity of HfO2-based materials. Furthermore, HfO2-based thin films are polycrystalline structures with very different local properties. Therefore, it is very important to analyze individual characteristics according to the local area. Polarization-Electric field (P-E) hysteresis loop measurement is a conventional method to study the wake-up effect induced by electric field cycling. However, P-E hysteresis loop measurement is incapable to determine the underlying mechanism in the nanoscale level because of leakage current existence. In this study, we investigated the wake-up effect corresponding to the polarization switching behavior of HZO thin films at the nanoscale using resonance-enhanced piezoresponse force microscopy combined with band excitation technique. Electrochemical impedance spectroscopy (EIS) provides information on the electrochemical behavior of defects in HZO thin films that occurred by electric field cycling, but this is also limited in HZO thin films with locally different properties. Therefore, we evaluated the correlation between local ferroelectricity and electrochemical behavior induced by the wake-up effect in ferroelectric HZO thin films by applying Scanning impedance microscopy (SIM). It is expected that these findings open new opportunities for enhancing the ferroelectricity of ferroelectric HfO2-based thin films through the understanding fundamental of correlated local electrochemical behavior.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Research background 4
• 2.1. Atomic force microscopy 4
• 2.2. Piezoresponse force microscopy 6
• 2.2.1. Principle of Piezoresponse force microscopy 6
• 2.2.2. Advanced PFM technique 9
• 2.2.3. Quantification of PFM response 11
• 2.3. Scanning impedance microscopy 12
• 2.3.1. Principle of Scanning impedance microscopy 12
• Chapter 3. Experimental section 14
• 3.1. Fabrication of HZO thin film 14
• 3.2. Measurements 14
• Chapter 4. Results and discussions 16
• Chapter 5. Summary 37
• References 38
• Abstract in Korean 44