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研究生: 方政幃
Fang, Jheng-Wei
論文名稱: 鐵酸鉍薄膜的電場切換導電態之研究
Study on electric-switching of conduction states in BiFeO3 film
指導教授: 陳宜君
Chen, Yi-Chun
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2011
畢業學年度: 99
語文別: 中文
論文頁數: 78
中文關鍵詞: 鐵酸鉍導電
外文關鍵詞: BiFeO3, conduction
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  • 在本研究中,以壓電力顯微鏡(Piezoelectric Force Microscopy,PFM)與導電式原子力顯微鏡(conductive-Atomic Force Microscopy,c-AFM)探討磊晶鐵酸鉍(BiFeO3,BFO)薄膜的導電態切換特性與特殊向心狀鐵電域壁的導電特性。利用施加不同時間與強度的外加電場,調控薄膜與探針之間的載子濃度分布,以PFM和c-AFM同時觀察到了壓電訊號屏蔽與導電性增強現象,並由電流電壓曲線擬合發現Pt/BiFeO3/SrRuO3結構的傳導機制在低電場時為蕭特基發射,高電場狀態時則為福勒-諾德漢穿隧效應所主導。施加的外場吸引氧空缺累積於薄膜表面降低局部位障成為高導電狀態。
    凝態物理中域壁作為拓樸缺陷,在近來的研究中受到很大的重視,尤其多鐵性材料的域壁有低維度電子傳輸及磁電耦合特性,擁有發展新式電子裝置的潛力。透過單點脈衝電壓的施加,可在鐵酸壁薄膜中形成向心狀電域結構,結構內部域壁相對於電域中心皆為高導電狀態。能夠由多次的脈衝電壓操控電域與域壁形貌,進而改變局部的導電狀態。

    In this study, I present the conduction switching and central-type-domain conductivity in epitaxial BiFeO3 (100) films by the piezoresponse force microscopy (PFM) and conductive-atomic force microscopy (c-AFM). The local carrier density of the BFO film can be controlled by electric field with different time and magnitude through applying voltage pulses from the tip. The phenomenon of conductivity enhancement can be observed directly on the c-AFM image and also revealed in the PFM image by the shielding of piezoresponse signal. From the current-voltage curve fitting, the transmission mechanism in the domain of Pt/BiFeO3/SrRuO3 structure was confirmed as Schottky emission and Fowler-Nordheim tunneling under low and high bias voltages, respectively. The applied field attracted the oxygen vacancies which were accumulated at the film surface and reduced the barrier for electron transport.
    Domain walls (DWs), as the topological defects in condense materials, had attracted a lot of interests recently. In multiferroics, DW is potential for application in novel functional electronic devices, given their low-dimensional confinement for electron transport as well as the particular magneto-electric coupling behaviors. Through applying pulse voltage through tip, we can create the central-type-domain. The domain walls have high conductivity in central-type-domain structure. We can control the domain wall by applied pulse voltage, and change the local conduction state.

    摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 IV 表目錄 VI 圖目錄 VI 第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧 3 2.1 電阻式記憶體 3 2.2 鐵電性材料 6 2.2.1 鐵電性材料基本介紹 6 2.2.2 鐵電性材料導電特性之文獻回顧 10 2.3 金屬氧化物之漏電流機制 14 2.3.1 接面限制電流傳導機制 14 2.3.2 本質限制電流傳導機制 16 2.3.3半導體表面狀態與接觸位障 18 第三章 實驗方法 21 3.1 原子力顯微鏡(AFM) 21 3.1.1 掃描式探針顯微鏡的原理與架構 21 3.1.2 原子力顯微鏡之系統與架構 22 3.1.3 原子力顯微鏡之成像原理 24 3.2 壓電力顯微鏡(PFM) 29 3.3 導電式原子力顯微鏡(c-AFM) 32 3.4 實驗量測方法 34 3.4.1 外加電場引致導電變化量測 34 3.4.2 向心狀電域之形成與域壁導電特性量測 36 第四章 實驗結果與討論 37 4.1鐵酸鉍薄膜受外加電場引致導電特性變化 39 4.1.1 極化向下與極化向上區域之導電特性差異 40 4.1.2 薄膜極化向下區域受外加電場之導電特性變化 45 4.1.3 薄膜極化向上區域受外加電場之導電特性變化 51 4.1.4 極化向下與極化向上區域的表面狀態變化 57 4.2 向心狀電域之操控與域壁導電特性 63 4.2.1向心狀電域之形成與域壁導電特性 64 4.2.2 向心狀電域之操控與局部導電特性切換 69 第五章 結論 73 參考文獻 74 表目錄 表3-1 不同操作模式下的探針選用列表 28 表4.1 極化向下區域改變施加電壓大小之蕭特基位障擬合結果 50 表4.2 極化向下區域改變施加電壓速度之蕭特基位障擬合結果 50 表4.3 極化向上區域改變施加電壓大小之蕭特基位障擬合結果 54 表4.4 極化向上區域改變施加電壓速度之蕭特基位障擬合結果 54 圖目錄 圖2-1 典型PrCaMnO3薄膜的電脈衝引致電阻切換機制 3 圖2-2 單極(Unipolar)與雙極(Bipolar)電阻切換機制示意圖 4 圖2-3 鐵電材料的電滯曲線圖 8 圖2-4 鐵酸鉍晶體結構及其極化軸示意圖 10 圖2-5 鐵酸鉍薄膜180゚和109゚域壁導電特性 12 圖2-6 鐵酸鉍薄膜導電特性能帶模型 12 圖2-7 外加場使導電性增強區域壓電訊號受載子屏蔽 13 圖2-8 鐵電極化引致二極體整流特性 13 圖2-9 蕭特基位障能帶示意圖 14 圖2-10 福勒-諾德漢穿隧效應能帶示意圖 15 圖2-11 普爾-法蘭克發射示意圖 17 圖2-12 表面態與金屬-半導體接觸能帶圖 19 圖3-1 原子力顯微鏡系統架構圖 22 圖3-2 兩原子間距離與相對位能之關係圖 24 圖3-3 Veeco di-CP II原子力顯微鏡 27 圖3-4 壓電力顯微鏡之示意圖 29 圖3-5 四象限光電二極體示意圖 31 圖3-6 導電式原子力顯微鏡之示意圖。 32 圖3-7 原始極化向下區域與極化翻轉向上區域之(a) IP-PFM, (b) OP-PFM示意圖 34 圖3-8 樣品初始電域狀態下於探針掃描同時施加電壓示意圖 35 圖3-9 樣品翻轉後極化向上區域施加電壓之(a)IP-PFM, (b)OP-PFM 示意圖 35 圖3-10 向心狀電域製造、操控與量測實驗儀器配置示意圖 36 圖4-1 懸臂掃描方向與鐵酸鉍結構示意圖 38 圖4.1-2 BFO/SRO/DSO(100) (a)表面, (b) IP-PFM, (c)OP-PFM 39 圖4.1-3 初始極化向下與翻轉後極化向上區域(a) IP-PFM, (b)OP-PFM 40 圖4.1-4 OP-PFM極化向下與向上區域c-AFM圖,掃描電壓(a) 3 V, (b) 5 V, (c) 7 V 41 圖4.1-5 極化向下與向上區域之電流電壓曲線 42 圖4.1-6 極化向下與向上區域之電流電壓曲線以蕭特基發射公式做 圖 43 圖4.1-7 表面受體態密度很高時,金屬、半導體接觸能帶示意圖(a) 未 接觸, (b) 緊密接觸 43 圖4.1.8 極化翻轉對表面電位之影響 44 圖4.1-9 (a)藍色與橘色方框區域分別施加-15 V與+15 V電壓,施加 速度分別為2 μm/s 與1 μm/s, (b) IP-PFM 與 (c)OP-PFM 45 圖4.1-10 施加電壓-15 V與+15 V區域的(a)c-AFM (b)截線分析 46 圖4.1-11 施加電壓-15 V與+15 V區域的(a)OP-PFM壓電訊號訊號 (b)截線分析 47 圖4.1-12 固定施加電壓速度1.5μm/s,改變不同施加電壓大小 -10 V、 -15 V、-20 V 48 圖4.1-13 固定施加電壓大小-15 V,改變施加電壓速度 0.5、1、1.5 μm/s 48 圖4.1-14極化向下不同導電態之電流電壓曲線以蕭特基發射、F-N 穿隧線性做圖 49 圖4.1-15 探針施加負電壓吸引帶正電氧空缺累積於薄膜表面 50 圖4.1-16 施加電壓大小-25 V,施加電壓速度 1 μm/s之(a)c-AFM圖, (b)截線分析。 51 圖4.1-17施加電壓大小-25 V,施加電壓速度 1 μm/s之(a)OP-PFM 壓電訊號值, (b)截線分析。 52 圖4.1-18 固定施加電壓速度,0.5 μm/s,改變施加電壓大小 -10、 -15、-25 V 53 圖4.1-19 固定施加電壓大小-15 V,改變施加電壓速度 0.5μm/s、 1μm/s、2 μm/s 53 圖4.1-20向上不同導電態之電流電壓曲線以蕭特基發射、F-N穿 隧線性做圖 54 圖4.1-21加電壓-15 V,施加速度1 μm/s 區域的 (a)OP-PFM 極 化值, (b)c-AFM圖, (c)平行域壁方向截線數據, (d)垂直域壁 方向截線數據。 56 圖4.1-22 初始極化向下區域的 (a)IP-PFM, (b)OP-PFM phase。 57 圖4.1-23 極化向下區域使用白金探針量測I-V曲線的蕭特基發射模型擬合結果。 57 圖4.1-24 極化向下區域使用黃金探針量測I-V曲線的蕭特基發射模型擬合結果。 58 圖4.1-25 極化向下區域使用鈷鉻探針量測I-V曲線的蕭特基發射模型擬合結果。 58 圖4.1-26 極化向下區域與不同金屬探針的接觸位障。 59 圖4.1-27 極化翻轉向上區域的 (a)IP-PFM, (b)OP-PFM phase。 60 圖4.1-28 極化向上區域使用白金探針量測I-V曲線的蕭特基發射模型擬合結果。 60 圖4.1-29 極化向上區域使用黃金探針量測I-V曲線的蕭特基發射模型擬合結果。 60 圖4.1-30 極化向上區域使用鈷鉻探針量測I-V曲線的蕭特基發射模型擬合結果。 61 圖4.1-31 極化向上區域與不同金屬探針的接觸位障。 61 圖4.2-1 向心狀電域結構形成示意圖 63 圖4.2-2 向心狀電域結構 (a) IP-PFM , (b) OP-PFM 64 圖4.2-3 向心狀電域結構c-AFM,掃描電壓sample bias +4 V 65 圖4.2-4 向心狀電域內頭對頭域壁之(a) IP-PFM與(b) c-AFM圖 65 圖4.2-5 頭對頭電域域壁形成鋸齒狀結構示意圖 66 圖4.2-6 向心狀電域之(a)c-AFM, (b)頭對尾與 (c)頭對頭域壁導電區 域之截線訊號分析。 67 圖4.2-7 單點負脈衝電壓施加於偏移電域中心位置示意圖 69 圖4.2-8 向心狀電域中心往右上方拖動再回復原點 70 圖4.2-9 向心狀電域中心往左下方拖動再回復原點。 70 圖4.2-10 向心狀電域中心往左上方拖動再回復原點。 70 圖4.2-11向心狀電域操控IP-PFM圖,十字圓為脈衝電壓施加位置 71 圖4.2-12向心狀電域操控與對應之c-AFM圖,順序為(a), (b), (c), (d) 71

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    下載圖示 校內:2013-08-23公開
    校外:2013-08-23公開
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