Epitaxial growth of oxide thin films has lattice mismatches to the substrate. Unique physical phenomena or bulk properties emerge by lattice mismatch. The lattice mismatch is gradually alleviated as the oxide thin film becomes thicker. This phenomenon is called strain gradient. Strain gradient induces emergent physical properties of parent materials. Because the strain gradient induces internal fields, it affects the distribution of point defects. The rearrangement of point defects induced by the strain gradient causes changes in dielectric and conductivity properties. A strain gradient is a general physical property. Since the strain gradient is a physical phenomenon applicable to bent dielectrics, it is meaningful to contribute to the development of nanoelectronics by revealing the role of the strain gradient on point defects inside the dielectric. Despite the large lattice mismatch between bismuth ferrite oxide (BiFeO$_3$, $a$$_{\rm pc}$$\sim$4.014 $\textnormal{\AA}$) and lanthanum aluminum oxide substrate (LaAlO$_3$, $a_{\rm pc}$$\sim$3.789 $\textnormal{\AA}$), BiFeO$_3$ which possesses both ferroelectricity and antiferromagnetism at room temperature is successfully deposited on LaAlO$_3$ which stabilizes the structural phase of large elongation of $c$/$a$ ratio. Especially, if the BiFeO$_3$ deposition on LaAlO$_3$ is increased over 20 nm, mixed phases which have a large strain gradient and a mixture of more than two phases appear. If the lanthanum is substituted for the bismuth site, strain inhomogeneity is enhanced along with the generation of mixed phases, and point defects are aggregated in these areas, showing great changes in electrical properties. Impedance spectroscopy measurement, X-ray scattering, neutron scattering, and atomic force microscopy are exploited to characterize the cause of changes in electronic properties in La-substituted BiFeO$_3$. Also, strain gradient can be derived from the epitaxial growth of large lattice-mismatched materials. If we deposited strontium titanate oxide (SrTiO$_3$, $a_{\rm pc}$$\sim$3.905 $\textnormal{\AA}$) on dysprosium scandinate oxide substrate (DyScO$_3$, $a$$_{\rm pc}$$\sim$3.945 $\textnormal{\AA}$) which is known to have an anisotropic lattice parameter, SrTiO$_3$ exerts a tensile strain of 1.21\% along [100]$_{\rm O}$ and 1.09\% along [1\textnormal{$\bar{1}$}0]$_{\rm O}$ on DyScO$_3$ substrate. If the thickness increases without strain relaxation, DyScO$_3$ will not stand the tensile strain and form cracks along [1\textnormal{$\bar{1}$}0]$_{\rm O}$ direction. In the crack, defect accumulates near the crack structure which involves a large strain gradient. In this thesis, we lay the basis for the application of oxide thin films to nanoelectronics by investigating the emergence of unique physical phenomena through the control of the strain gradient of the oxide thin film.
켜쌓기 성장을 통해 합성된 산화물 박막은 기판과의 부적합 변형을 가진다. 이 부적합 변형은 박막에 덩어리 상에서 나타나지 않는 새로운 물리 현상을 유도하며, 덩어리 상에서의 특성들이 강화되거나 약화한다. 부적합 변형은 산화물 박막이 두꺼워질수록 점차 완화되는 현상을 보인다. 이 현상을 변형 구배라고 부른다. 변형 구배는 부적합 변형과 더불어 기존 물질의 물성 변화를 유도한다. 변형 구배는 물질 내부에 장을 형성하므로 점결함 분포에 영향을 끼친다. 변형구배가 유도한 점 결함의 재배치는 유전성과 전도성의 변화를 일으킨다. 변형 구배는 구부러진 유전체에 적용가능한 물리 현상이므로 유전체 내부에서 변형 구배의 점결함에 대한 역할을 밝혀 나노전자공학의 발전에 기여하는데 연구 의의가 있다. 상온에서 강유전성과 반강자성이 나타나는 비스무트 철 산화물 (BiFeO$_3$, $a$$_{\rm pc}$$\sim$4.014 $\textnormal{\AA}$)은 부적합 변형이 매우 큰 란타넘 알루미늄 산화물 기판 (LaAlO$_3$, $a$$_{\rm pc}$$\sim$3.789 $\textnormal{\AA}$)에서 $c$/$a$ 격자상수가 매우 큰 상이 안정화되면서 성장을 성공했고, 덩어리 상에서 보이지 않는 새로운 상들을 관측했다. 비스무트 철 산화물을 알루미늄 산화물 기판 위에 20 nm 이상 합성하면 변형 구배가 강하게 나타나는 두 상이 공존하는 혼합상이 나타난다. 이 논문에선 란타넘을 비스무트에 치환할 경우 변형 구배가 존재하는 상과 함께 변형의 불균일성이 증폭되는 현상을 발견했고, 이 영역에서 점결함들이 결집하여 전기적 성질의 큰 변화를 보였다. 전기화학 측정, 경엑스선 산란, 중성자 산란, 원자 힘 현미경 측정 등을 이용해 란타넘이 치환된 비스무트 산화물에 발생하는 전기 특성 변화의 원인을 분석했다. 또한 변형 구배는 격자상수가 다른 두 물질을 켜쌓음으로써 인공적으로 유도할 수도 있다. 스트론튬 타이타늄 산화물 (SrTiO$_3$, $a$$_{\rm pc}$$\sim$3.905 $\textnormal{\AA}$)을 비등방적인 격자 상수를 가지는 디스프로슘 스칸디움 산화물 (DyScO$_3$, $a$$_{\rm pc}$$\sim$3.945 $\textnormal{\AA}$) 위에 증착 시킬 경우 [100]$_{\rm O}$와 [1\textnormal{$\bar{1}$}0]$_{\rm O}$ 방향으로 1.21\%와 1.09\%의 인장변형을 디스프로슘 스칸디움 산화물에 가한다. 이 상태에서 변형 완화 없이 두께가 두꺼워질 경우 인장변형을 견디지 못한 스트론튬 타이타늄 산화물이 인장 변형을 크게 받는 [1\textnormal{$\bar{1}$}0]$_{\rm O}$ 방향으로 먼저 쪼개지게 된다. 이 쪼개진 구조에서 발생한 변형 구배는 결함의 축적을 유도한다. 본 논문에서는 위와 같이 산화물 박막의 변형구배를 제어하고 나타나는 새로운 물리 현상을 조사함으로써 나노 소자로의 산화물 박막 응용 기초를 다지는데 의의가 있다.
