Ferroelectric $Pb(Zr_{0.2} Ti_{0.8} )O_3 (PZT) thin films were fabricated for application to the media for electrostatic force microscopy (EFM)-based storage system. Silicon and MgO single crystals were used as substrates, respectively, to grow PZT thin films with different crystallographic orientation. The PZT thin films on Si substrates showed random orientation, while those on MgO substrates showed random or c-axis preferred orientation in accordance with the orientation of the Pt bottom electrode underneath the films. The domain images of the PZT thin films with random orientation exhibited uniform a- and c-domains coexisting structure. On the other hand, downward directed c-domains were observed in the films with c-axis preferred orientation, where only few portion of antiparallel 180° domains. The domain switching properties of the PZT thin films with two types of crystallographic orientations were investigated by EFM. When the DC bias applied to the films for writing in micro-scale area, electrostatic force images showed that the domain switching was hard in the PZT thin films with random orientation, while the pattern could clearly be written in the PZT films with c-axis orientation. The difference of the domain switching properties of each PZT thin films were investigated in the crystallographic orientations point of view, and the long tern retention properties of the domains were also measured by investigating the nano-sized dot switching behavior with respect to the width of the applied voltage pulse. The relaxation of the polarization was fitted with stretched exponential decay model that followed the random walk process. The characteristic time constant $t_0$ and the dimensionality n demonstrated pulse width dependence. The variation of $t_0$ and n, which affected the relaxation dynamics seemed to be due to the local depolarization field induced by the defects and the grain boundaries of the films.
정전기력 현미경 방식의 저장 장치용 매체로 사용하기 위한 강유전체 Pb$(Zr_{0.2}Ti_{0.8})O_3 (PZT) 박막을 제작하였다. PZT 박막은 결정 방향을 달리 하여 제조하기 위해 실리콘 기판과 MgO 기판을 각각 사용하였다. 실리콘 기판 위에 형성된 PZT 박막은 무배향성 결정 방향을 가지며, 반면에 MgO기판 위에 형성된 박막의 결정 방향은 하부전극의 결정 방향에 따라 그 방향성이 달라진다. 정전기력 현미경을 사용하여 도메인 이미지를 관찰한 결과, 무배향성 박막의 도메인은 a- 도메인과 c-도메인이 균일하게 혼재해 있는 모습을 보이며, c-축 배향성을 가지는 박막의 도메인은 한 방향으로 정렬된 도메인들이 관찰 되며 약간의 180° 도메인들이 존재하였다. 또한 정전기력 현미경으로 서로 다른 방향성을 갖는 두 종류의 PZT 박막에 대한 분극 반전 특성을 알아보았다. 각 박막의 미소 영역에 대하여 직류 전압을 인가하여 각 박막의 분극을 반전 시켰을 때, 무 배향성 박막의 도메인 들은 반전을 일으키기 어려운 반면, c-축 배향성 박막의 경우에는 분극의 반전으로 인하여 선명한 선 및 점 패턴을 형성 할 수 있었다. 이러한 두 종류의 박막에 대한 서로 다른 분극 반전 특성과 박막의 결정학적 방향과의 관계를 고찰하였고, 또한 각 박막에 대한 분극의 경시 유지 특성에 대해 반전 인가 전압의 pulse 폭의 변화에 따라 고찰 하였다. 그리고 분극의 시간에 따른 유지 및 손실 특성에 대한 동역학적 거동을 고찰하였다. 분극의 손실 거동은 지수함수 적으로 감소하는 경향을 보였는데, 이는 random walk process model로 설명될 수 있다. 분극 유지 특성에 대한 동력학적 특성을 나타내는 주요 인자들인 시상수 $t_0$ 와 dimensionality 상수 n 은 반전 인가전압의 폭에 따라 변하는 값을 보였는데, 이는 박막 내부에 존재 하는 defect 들과 grain boundary에 의한 depolarization field 의 형성에 의한 영향으로 판단된다.
