Dielectric constants and switching current transients of $Pb(Zr_{1-x}Ti_x)O_3$ thin films are measured for mixing concentrations of x=0.46, 0.48 and 0.49 in the morphotropic phase boundary (MPB) region as a function of temperature from 80K to 600K. Anomalies in real part (ε') and imaginary part (ε") of dielectric constants are observed in the measuring frequency range of 10 Hz to 100KHz. The anomalies exhibiting a frequency dispersion tend to a low temperature phase transition. The MPB transition temperatures for x=0.46, 0.48 and 0.49 are located at ~490K, ~325 K and ~235K, respectively, by dielectric measurements at 50 kHz. We have found that a frequency dispersion in the peak anomaly of ε" associated with the MPB transition may be represented by Vogel-Fulcher law with a finite freezing temperature. The freezing temperatures are obtained as 309.6K, 194.9K and 182.2 K for x=0.46, 0.48 and 0.49, respectively. It is suggested that the frequency dispersion between the MPB transition and the freezing temperature may be ascribed to a coexistence between tetragonal and monoclinic (or rhombohedral) phases. The switching current transients measured at different driving fields and fitted to the Ishibashi model well characterize a low-dimensional nature of the PZT thin films in the domain dynamics. We have found that the maximum switching current density in the infinite field limit exhibits a plateau dependence across the MPB transition, which reflects a polarization saturation. The reduction of activation fields observed in the MPB transition may be caused by increasing random competitions of phase coexistence leading to local fluctuations of polar directions near the MPB. These results conform with the low temperature phase transitions in the PZT thin films of the MPB concentration.
The temperature and electric field dependences of polarization reversal could be characterized on two different orientations, (111) and (200), of PZT thin film (x=0.48) by measuring polarization hysteresis and switching current transients. Over all temperature region remnant polarizations and coercive fields are higher in the PZT films of (111) than in those of (200) orientation. Both of the PZT thin films oriented along (111) and (200) direction exhibit the Type 2 behavior of the Ishibashi model at high fields whereas exhibit the Type 1 behavior at low fields. This result shows that new nucleation may be occurred at electrical fields above a critical field dependent to temperature.
본 연구는 $Pb(Zr_{1-x}Ti_x)O_3$ thin film에서 MPB transition 근처의 특성을 파악하기 위해 시행되었다. 배향성을 가지는 MPB 근처 조성 PZT thin film에서 유전율, 분극 및 분극 반전 특성의 온도 의존성 및 전기장 의존성이 80K ~ 600K 온도 구간에서 측정되었으며 그 측정 결과가 분석되었다.
MPB 근처 $Pb(Zr_{1-x}Ti_x)O_3$ thin film의 혼합 조성비에 따른, 유전율과 분극 반전 전류 특성의 온도 의존성에 관한 실험은 x=0.46, 0.48, 0.49에서 시행되었다. MPB transition 근처에서 유전율의 실수부 ε' 뿐만 아니라 허수부 ε"에서도 anomaly를 관찰할 수 있었다. 이 MPB 근처의 anomaly들은 주파수 분산을 보이고 있으며 low temperature phase transition을 암시해 주고 있다. MPB 근처에서 관찰되는 ε" peak anomaly의 주파수 분산은 Vogel-Fulcher 법칙을 따르는 것을 알 수 있었다. MPB transition 온도와 결빙 온도 사이의 영역에서 관찰되는 주파수 분산은 tetragonal상과 monoclinic상의 공존으로부터 기인될 수 있다. PZT thin film에서 이 상 공존 영역은 PZT ceramics에서 보고된 바 있는 직각 삼각형 형태와 MPB에 평행한 형태의 중간 정도의 형태를 보인다. 이 결과는 MPB 근처에서 무작위로 분포하는 tetragonal과 monoclinic 대칭성의 두 ferroelectric cluster들간에 무작위 상호 작용으로부터 기인되는 short range ordering이 long range ordering과 경쟁 관계를 이루고 있는 상태가 그 원인일 수 있다. MPB 근처의 분극 반전 특성 조사는 분극 반전 전류 분포 곡선의 분석으로부터 이루어졌다. Saturation polarization과 밀접하게 연관된 무한 전기장 극한에서의 최대 분극 반전 전류 밀도는 MPB transition 근처에서 plateau anomaly를 보였다. 또한, 분극 반전을 위한 활성화 전기장이 MPB transition 근처에서 감소됨을 보였다. 이 결과는 MPB 근처에서의 상 공존 및 분극 축의 회전 무작위 분포에 의해 기인되는 random fluctuation의 증가가 그 원인일 수 있다.
(111)과 (200) 방향으로 배향된 x=0.48 PZT thin film에서 배향성에 따른 분극 및 분극 반전 특성의 온도 및 전기장 의존성에 관한 실험이 이루어졌다. 온도 변화에 따른 분극 이력 곡선과 동적 감수율 이력 곡선으로부터 배향성에 따른 잔류 분극과 고착 전기장의 변화를 얻을 수 있었다. 전체 온도 구간에서 잔류 분극과 고착 전기장은 (111) 배향성을 가질 때 더 크게 나타났다. 이 결과는 polar 축 방향의 등방성이 (200) 보다 (111) 배향성을 가질 때 더 낮다는 사실에 기인한다고 판단된다. 분극 반전 특성의 온도 및 전기장 의존성은 domain 확장 및 반전을 기술하는 Ishibashi model에 의해 파악될 수 있었다. 특히, 유효 성장 차수 n은 전기장이 증가됨에 따라서 1~2.2의 값을 가지며, 특성 시간 $t_0$는 (200) 배향성을 가질 때 더 작은 값을 보였다. 분극 반전 전류 측정으로부터 얻어진 결과는 (111)과 (200) 방향의 배향성에서 모두 분극 이력 곡선에서 얻어진 결과와 잘 부합됨을 보였다. 부가적으로, 구역벽 확장을 위한 활성화 전기장 η(T) 및 δ(T) 특성 시간과 전기장의 세기를 연관짓는 exponent 의 온도 변화율은 모두 MPB transition 온도에 가까운 약 300 K 근처에서 변화하고 있음을 알 수 있었다.
