“There’s plenty of room at the bottom’’, the 1959 dream statement of the legendary Richard Feyn-man has been realized in less than half a century by consistent efforts and significant contributions from the scientific community across the globe. Three decades later Feynman’s vision has become the greatest scien-tific frontier of the century. It opened a new field of “Nanostructures” having dimensions of about 1 to 100 nm.
Advances in science and technology of ferroelectrics the last decade have resulted in the development of nanoscale ferroelectric structures and devices (< 100 nm). Scaling of the device dimensions to the range where ferroelectrics start to show pronounced size effects has emphasized the importance of studies of ferroelectric properties at the nanoscale. The 1D nanostructures of ferroelectrics has been much less studied compared to nanoparticles and thin films.
Firstly, we fabricated highly ordered and well aligned TiN nanotube arrays using a template-assisted method with an AAO template and ALD technique. The dimensions and morphology of the TiN nanotube arrays were controlled by adjusting the anodization conditions and number of ALD cycles. The TiN nanotube arrays were well aligned at a low aspect ratio of 10. However, for an aspect ratio of 14, the TiN nanotubes were clustered and bundled together due to the lateral capillary forces between the nanotubes during the air drying process where water was removed. Furthermore, the films consisted of the TiN nanotube array exhibit-ed good ductility.
Secondly, the adhesion properties of the flexible TiN nanotube arrays were improved with a Pt sub-strate using a Ti interlayer. Generally, the TiN nanotube arrays that are transferred to a Pt substrate peel off, delaminate, and facet from the substrate due to their poor adhesion properties. However, the TiN nanotube arrays deposited using a Ti interlayer between the TiN nanotube arrays and Pt substrate were attached perfectly to the Pt substrate.
Thirdly, highly ordered and vertically well-aligned $TiO_2/TiN$ core/shell nanotube arrays were fabricated through coating the ALD $TiO_2$ on the TiN nanotube arrays, which were prepared via template-assisted methods using AAO templates and the ALD technique. The surface of the TiO_2/TiN layer was smooth and uniform along the nanotube length and the thicknesses of the $TiO_2$ and TiN were both approximately 12 nm. The distinct layers of $TiO_2$ and TiN were clearly observed.
Fourthly, highly ordered and well aligned ferroelectric $PbTiO_3$ (PTO) /TiN core/shell nanotube arrays converted by a PbO vapor reaction from $TiO_2/TiN$ nanotube arrays fabricated by template-assisted methods using an AAO template and ALD technique. The TiN core materials prevented the partial fracture from nanocracking by thermal expansion during the PbO vapor reaction at high temperature and during cooling down. A typical hysteresis loop saturated within the range of the applied bias was obtained from the PTO/TiN nanotube arrays and the remnant piezoresponse and coercive voltage were 37.77 pm/V and 5.42 V, respectively. Ferroelectric domains with both up and down polarization directions were observed over the full imaging area. Domains in the upward and downward polarized directions were randomly distributed in the PTO/TiN core/shell nanotube arrays.
노벨물리학상 수상자인 Richard Feynman은 1959년 드림연설에서 “밑바닥에는 더 많은 방들이 있습니다.”라는 발표를 하면서, 나노에 대한 암시를 하였다. 이러한 발표를 한지 약 30년 후 Feynman의 예상은 실체가 되어 새로운 과학의 장이 시작되었다.
강유전체에 대한 연구가 발전하면서 나노크기의 강유전체를 개발되었고, 나노 구조의 강유전체에서는 벌크의 강유전체에서는 볼 수 없었던 새로운 특성들이 나타나기 시작하였고 그에 대한 많은 연구들이 수많은 응용 분야에 적용되기 시작하였다.
본 연구에서는 1차원으로 정렬된 나노구조를 템플레잇 방법과 ALD 기술을 이용하여 제조하였다. 게다가 나노튜브의 내부와 외부가 서로 다른 물질 된 나노구조 제조하여, 1차원으로 정렬된 코어쉘 나노구조를 제조하였다.
첫번째 연구에서는, 수직으로 정렬된 TiN 나노튜브배열을 제조하였다. TiN 나노튜브배열의 모양은 ALD 기술을 이용하여 원자단위로 제어하였다. TiN 나노튜브배열은 종횡비가 10 이하에서는 매우 잘 정렬이 되었지만, 종횡비가 14에서는 용매의 건조과정에서 모세관 힘이 발생하여 서로 달라붙는 번들링 효과가 발생한다는 것을 발견하였다. 뿐만 아니라 TiN 나노튜브배열로 구성된 박막은 우수한 연성을 가지고 있다는 것을 관찰하였다.
두번째 연구에서는, Ti interlayer를 이용하여 TiN 나노튜브배열과 Pt 기판과의 접촉 특성을 향상시켰다. 일반적으로, TiN 나노튜브배열을 Pt 기판위에 전사시키게 되면 TiN 나노튜브배열이 기판으기부터 떨어져 나오고, 조각이 나는 현상을 관찰하였다. 하지만 TiN 나노튜브배열과 Pt 기판사이에 Ti interlayer를 증착 시켜 주게 되면 접촉특성이 향상되어 TiN 나노튜브배열이 기판으로부터 떨어지거나 조각나는 현상 없이 완벽하게 전사되었다.
세번째 연구에서는, 수직으로 잘 정렬된 $TiO_2/TiN$ 코어쉘 나노튜브배열을 제조하였다. 제조된 $TiO_2/TiN$ 코어쉘 나노튜브배열의 표면은 매우 매끈하였고, 두 물질의 두께는 약 12 nm정도로 두 물질간의 경계도 분명하였다.
네번째 연구에서는, 수직으로 잘 정렬된 $PbTiO_3/TiN$ 코어쉘 나노튜브배열을 AAO 템플레잇과 ALD 기술을 이용하여 제조하였다. 이 때 TiN 코어물질은 $PbTiO_3$ 를 합성하기 위한 높은 온도의 열처리 과정 동안 발생하는 부분파괴를 막아주는 역할을 하였을 뿐만 아니라 강유전체의 전극으로도 사용되었다. 강유전특성에서는 전형적인 이력곡선을 나타내었으며, remnant piezoresponse 값과 coercive voltage 값이 각각 37.77 pm/V 와 5.42 V였다. PFM 분석을 통해, phase 이미지에서는 분극의 방향이 위쪽 아래쪽으로 향해있는 것을 관찰 하였으며, 도메인이 전체적으로 랜덤하게 분포해 있는 것을 관찰 하였다.
