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研究生： 柯政宏
Ko, Cheng-hung
論文名稱： 鐵酸鉍(111)磊晶薄膜鐵電電域之動態鬆弛
Dynamic relaxation of ferroelectric domains in epitaxial BiFeO3(111) films
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： 2009
畢業學年度： 97
語文別： 中文
論文頁數： 99
中文關鍵詞： 電域 、鐵酸鉍 、鬆弛 、表面電位 、壓電力顯微鏡
外文關鍵詞： domain, surface potential, PFM, relaxation, BiFeO3
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    • 鐵電電域在奈米尺度下的鬆弛(保留)行為為高密度鐵電記憶體(high-density ferroelectric memory device)發展中一相當重要的課題。在本研究中，主要以壓電力顯微鏡(Piezoelectric Force Microscopy, PFM)及表面電位顯微鏡(Kelvin Probe Force Microscopy, KFM)對鐵酸鉍(BiFeO3, BFO)(111)磊晶薄膜的電域動態鬆弛行為與其表面電位動態改變進行探討。由正向(10 V)與反向(–10 V)脈衝電壓下所極化出的電域隨其初始直徑d0由小增大呈現兩階段過渡至三階段退極化過程，其過渡區電域尺寸吻合電域動態非活化成長中亞穩態(meta-stable state)的尺寸，凸顯出電域初始直徑d0於電域鬆弛行為的重要性；而相對於較正向脈衝電域穩定之人造極化電域在反向脈衝電壓下被觀察到。更進一步地以KFM的量測結果成功地解釋正向與反向脈衝極化電域鬆弛時間τ1¬內電域退極化的主要機制，此結果亦暗示了表面電位對電域於長脈衝時間(>1 s)下之快速成長階段有著極大貢獻。

    To develop the high- density ferroelectric memory device, researching the domain relaxation (retention) behaviors of ferroelectrics in nano-scale is an important issue. In this study, domain dynamic relaxations of the epitaxial (111)-oriented BiFeO3(BFO) thin film and its surface potential contrasts were measured by the piezoelectric force microscopy (PFM) and the Kelvin probe force microscopy (KFM), respectively. Both domains poled by positive (+10 V) and negative (–10 V) pulse voltage showed 2-step to 3-step depolarization processes by the increasing initial domain diameters (d0). The transitions of sizes are agreed with the meta-stable sizes observed during domain growth, indicating that d0 can be a important parameter for domain relaxations. For the domain written by negative pulse, in contrast with those by positive one, their sizes are retentive for a longer time. Furthermore, the first-step relaxation processes with τ1 can be explained by KFM measurements. The result also implied that the surface potential is a dominated mechanism for the abnormal domains growth under long time pulses (>1 s).

    目錄 摘要 I Abstract II 誌謝 III 目錄 V 表目錄 VII 圖目錄 VIII 第一章 緒論 1 第二章 文獻回顧 3 2.1 鐵電特性理論基礎 3 2.2 鐵酸鉍材料特性及研究發展現況 7 2.2.1 多鐵性材料簡介 7 2.2.2 多鐵性材料理論基礎 9 2.2.3 鐵酸鉍材料基本性質 11 2.2.4 鐵酸鉍材料研究發展現況 13 2.3 介電理論 18 2.3.1 介電極化 18 2.3.2 介電鬆弛 21 2.4 掃描式探針對於電域動態相關研究 25 第三章 實驗原理與方法 28 3.1 掃描式探針顯微鏡 29 3.1.1 原子力顯微鏡表面形貌量測 31 3.1.2 壓電力顯微鏡電性量測 33 3.1.3 表面電位顯微鏡電性量測 36 3.1.4 綜合討論 37 3.2 實驗量測步驟與方法 39 第四章 結果與討論 42 4.1 正向脈衝電壓下，鐵酸鉍(111)電域動態鬆弛行為 44 4.1.1 初始電域尺寸對正向電域鬆弛行為的影響 44 4.1.2 正向電域鬆弛過程定量分析 59 4.2 反向脈衝電壓下，鐵酸鉍(111)電域動態鬆弛行為 64 4.2.1 初始電域尺寸對反向電域鬆弛行為的影響 65 4.2.2 反向電域鬆弛過程定量分析 80 4.3 表面電位於電域鬆弛行為的影響 85 4.3.1 正向電壓極化電域之表面電位動態行為 85 4.3.2 反向極化電域之表面電位探討 92 第五章 結論 94 參考文獻 96 表目錄 表2-1 鐵酸鉍材料相轉變分界。 11 表3-1 不同操作模式下常用的探針參數範圍。 37 表3-2 各式用來掃描鐵電材料的顯微術。 38 表4-1 電域鬆弛過程曲線擬合參數(正向)。 61 表4-2 反向脈衝電壓–10 V下，脈衝時間與初始直徑對照表。 76 表4-3 電域鬆弛過程曲線擬合參數(反向)。 82 表4-4 正向10V極化電域之表面電位隨時間指數衰減擬合參數表。 90   圖目錄 圖2-1 鐵電材料之電域極化示意圖。 4 圖2-2 鐵電體的電滯曲線圖。 5 圖2-3 鐵電晶格溫度與介電係數關係圖。 6 圖2-4 多鐵性與磁電物質分佈關係圖[9] 8 圖2-5 (a)鐵磁性、(b)鐵電性、(c)多鐵性物質對時間反轉、空間倒轉性質[9]。 8 圖2-6 Pb(Zr0.2Ti0.8)O3 結構晶胞受極化圖[29]。 9 圖2-7 鐵酸鉍晶體結構示意圖。 12 圖2-8 菱長晶與六方晶轉換關係圖[45]。 12 圖2-9 鐵酸鉍晶體的八個自發極化方向示意圖。 13 圖2-10 薄膜製程下鐵酸鉍結構與塊材飽和極化量比較差異圖[24]。 14 圖2-11 (a)單晶基板之選擇，(b)受限極化向量示意圖[46]。 14 圖2-12 (a)極化前及(b)極化後之OP PFM(左)與IP PFM(右)[47]。 15 圖2-13 依序施加不同外加電壓的水平方向壓電訊號圖[16]。 16 圖2-14 箭頭方向表示鐵電極化方向，彩色平面表示反鐵磁平面。(a)為未加電場之情形。外加電場後呈三種反轉機制 [10]。 16 圖2-15 (a)極化前和(b)極化後的PEEM影像及(c)極化前和(d)及化後的PFM圖像，將(c)與(d)疊合得(e) [10]。 17 圖2-16 介電材料置於平行版電極示意圖。 19 圖2-17 介電係數與頻率關係圖[48]。 20 圖2-18 鬆弛規律。 22 圖2-19 雙位井鬆弛模型。 23 圖2-20 鋯鈦酸鉛薄膜其(a)電域半徑與脈衝時間之關係圖，及(b)電場倒數與域壁擴散速度之關係圖[50]。 26 圖2-21 (a)以不同脈衝電壓及脈衝時間動態激發鐵酸鉍(111)電域動態成長，(b)域壁擴散度對電場倒數作圖。 27 圖3-1 Veeco di-CP II 園子力顯微鏡。 28 圖3-2 掃描探針顯微術裝置示意圖。 29 圖3-3 原子間距離與其所對應交互作用力關係圖。 31 圖3-4 探針受外力作用下，振幅與頻率之變化關係。 32 圖3-5 壓電力顯微鏡(PFM)裝置示意圖。 33 圖3-6 (a)長方晶結構的鐵電材料，其延{111}方向家族四組對角線有八個可能的自發極化，將極化投影至垂直面上示意為(b)，投影至水平面上示意為(c)。(d)四象限二極體示意圖。 35 圖3-7 表面電位顯微鏡裝置圖。 36 圖3-8 導電探針之SEM圖像，(a)俯視圖；(b)側面圖。 39 圖3-9 脈衝量測示意圖，(a)正向脈衝，亮(白)色為向上極化的圓形電域；(b)反向脈衝，暗(棕)色圓形為向下電域。 41 圖4-1 (a)鐵酸鉍(111)磊晶薄膜之表面形貌；(b)OP PFM和(c)OP PHASE為在一2 μｍ × 2 μｍ的方正內，於中央區域以10 V電壓向上極化一1 μｍ × 1 μｍ的方正。(d)沿(c)中黑橫截線取相位訊號。 42 圖4-2 鐵酸鉍薄膜與極化易軸之關係示意。 43 圖4-3 脈衝電壓10 V下，施加不同脈衝時間的電域尺寸的OP PFM：(a)1 ms、(b)10 ms、(c)100 ms、(d)1 s、(e)2 s、(f)3 s、(g) 4 s；將各圖以Y軸方向測量初始電域直徑對脈衝時間作圖(h)，綠星點及紅方點分別為彈力常數k=4.2 N/m及k=0.2 N/m的結果。 46 圖4-4 (a)~(l)為脈衝電壓10 V下，以脈衝時間1 ms、10 ms、100 ms、1 s極化之電域隨時間退極化的OP PFM。 48 圖4-5 (a)~(l)為脈衝電壓10 V下，以脈衝時間1 ms、10 ms、100 ms、1 s極化之電域隨時間退極化之OP PFM所對應的OP PHASE。 49 圖4-6 固定脈衝電壓10 V下，以脈衝時間1 ms、10 ms、100 ms、1 s所極化出的電域作電域直徑對退極化時間關係圖。 50 圖4-7 (a)~(n)為脈衝電壓10 V下，以脈衝時間2 s極化之電域隨時間退極化的OP PFM。 52 圖4-8 (a)~(n)為脈衝電壓10 V下，以脈衝時間3 s極化之電域隨時間退極化的OP PFM。 53 圖4-9 (a)~(n)為脈衝電壓10 V下，以脈衝時間4 s極化之電域隨時間退極化的OP PFM。 54 圖4-10 固定脈衝電壓10 V下，調整不同脈衝時間所極化出不同電域尺寸之OP PFM，(a)為70.31 nm、93.75 nm、138.7 nm，如標示所示，(b)~(d)依序為159.4 nm、203.1 nm、226.6 nm。 55 圖4-11 固定脈衝電壓10 V下，以所有不同次獨立量測結果作電域直徑對退極化時間關係圖，將退極化曲線以電域初始直徑呈降冪排列。 56 圖4-12 (a)退極化曲線上相鄰兩點直徑衰減速度對相鄰兩點平均直徑作圖，(b)正向電域鬆弛過程的熱越障模型示意圖。 58 圖4-13 將圖4-11所有不同初始直徑之電域鬆弛過程擬合出的曲線：(a)線性時間軸，(b)對數時間軸，用來擬合的延伸型指數函數示於(a)中。圖(a)和(b)中之黑虛線為兩種退極化趨勢的分界。 60 圖4-14 (a)鬆弛時間τ1對初始電域直徑d0作圖，(b)鬆弛時間τ2及延伸參數β對初始電域直徑d0作圖。 62 圖4-15 以正向電壓極化一面積適中的方正電域，再對探針施以一基板相對於針尖為負的反向脈衝電壓來向下極化出一圓形電域：(a)OP PFM，(b)OP PHASE。 64 圖4-16 (a)~(e)固定脈衝電壓–10 V下，施加不同脈衝時間的電域尺寸的OP PFM：(a)800 μs、1 ms、4 ms、10 ms，(b)200 ms、300 ms、600 ms、(c)800 ms、(d)1 s、(e)2 s。(f)電域直徑對脈衝時間成長關係圖，綠星點及紅方點分別為彈力常數k=4.2 N/m及k=0.2 N/m的結果。 66 圖4-17 (a)~(l)為脈衝電壓–10 V下，以脈衝時間800 μs、1 ms、4 ms、10 ms極化之電域隨時間退極化的OP PFM，(a)顯示四種時間所對應的電域。 68 圖4-18 鐵酸鉍(111)磊晶薄膜其向上或向下極化在不對稱雙位能井中所代表之狀態示意圖。 69 圖4-19 (a)~(u)為脈衝電壓–10 V下，以脈衝時間200 ms、300 ms、600 ms極化之電域隨時間退極化的OP PFM，(a)顯示三種時間所對應的電域。 71 圖4-20 (a)~(s)為脈衝電壓–10 V下，以脈衝時間800 ms極化之電域隨時間退極化的OP PFM。 72 圖4-21 (a)~(s)為脈衝電壓–10 V下，以脈衝時間1 s極化之電域隨時間退極化的OP PFM。 73 圖4-22 (a)~(s)以脈衝時間1 s極化之電域隨時間退極化的OP PFM。 74 圖4-23固定脈衝電壓–10 V下，所有脈衝時間下的初始電域狀態[圖4-16(f)綠星點]隨時間演化，電域直徑對退極化時間關係圖：(a)線性時間軸，黑虛線為趨勢分界；(b)對數時間軸，紅實線為趨勢分界。 76 圖4-24 退極化曲線上相鄰兩點直徑衰減速度對相鄰兩點平均直徑作圖。 78 圖4-25 反向電域鬆弛過程的熱越障模型示意圖。 79 圖4-26 將圖4-23所有不同初始狀態之電域鬆弛過程擬合出的曲線：(a)線性時間軸，(b)對數時間軸，用來擬合的延伸型指數函數示於(b)上方。圖(a)和(b)中之黑虛線為兩種退極化趨勢的分界。 81 圖4-27 (a)鬆弛時間τ1對初始電域直徑d0作圖，(b)鬆弛時間τ2及延伸參數β對初始電域直徑d0作圖。 84 圖4-28 於3 μm x 3 μm的掃描範圍內以正向電壓10 V極化四個500 nm x 500 nm的方正區域，極化過程中於每數據點停留時間為500 ms、100 ms、50 ms及5 ms，各自對應的方正如(a)OP PFM所示。(b)方正極化示意圖。 86 圖4-29 (a)~(q)以正向電壓10 V極化之四方正隨時間而動態改變的表面電位圖。 87 圖4-30 表面電位隨時間變化關係圖。 88 圖4-31 將圖4-30表面電位變化趨勢以一指數函數擬合：(a)線性時間軸，(b)對數時間軸，擬合函數型式如(a)中所示。 89 圖4-32 鬆弛時間τ對四極化方正Y方向尺寸及極化時間作圖。 91 圖4-33 正向極化電域之電荷分佈示意圖。 91 圖4-34 (a) 1 μm x 1 μm反向極化電域於2 μm x 2 μm正向極化電域裡之OP PFM，(b)取(a)區域量測表面電位，(c)取(b)1.5 μm x 1.5 μm方正放大，(d)取(a)截線作圖。 93

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    下載圖示 校內：2011-08-18公開
    校外：2011-08-18公開
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