Great attention has been paid to ferroelectric polymers because they are inexpensive, light, flexible, and easily processed materials. Among these polymers, poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene), P(VDF-TrFE), has a stable ferroelectric β-phase at room temperature that exhibits strong ferroelectric properties. For this reason, it has been applied to transducers, actuators, sensors and energy-harvesting devices. Currently, organic flexible electronics are being developed for practical applications such as computer displays and radio-frequency identification tags. In order to understand the ferroelectric properties of the P(VDF-TrFE) thin films, several groups performed plenty of studies with various analysis methods. Notable research includes the domain switching behavior as a function of voltage amplitude and pulse duration where it has been reported that the behavior resembles the domain nucleation and growth in ferroelectric oxide materials. The effect of surface morphology on back-switching behavior of poled domains has been studied by atomic force microscopy. However, there is still scarce information on nanoscale domain dynamics of P(VDF-TrFE) under local mechanical stimulus, which has the potential to lower the switching voltage that is too high for many applications. As such, in this study, we found optimal conditions which we can obtain the reliable surface morphology using AFM. Accurate measurement of surface morphology is very important for AFM applications, such as PFM. And we investigated nanoscale domain switching dynamics of P(VDF-TrFE) thin films using piezoresponse force microscopy.
Firstly, we imaged the topography of silicon grating having a pitch of 10 um with different pixel pitch to find the optimum resolution using atomic force microscopy (AFM). We found that the step width decreased from 1300 to 108 nm and the step height increased from 172 to 184 nm when a pixel pitch in fast scan axis decreased from 625 nm to 3.9 nm. We also measured the step width and height of etched silicon grating by a focused ion beam (FIB) using Scanning Electron Microscopy (SEM) and compared the measured step height and width with AFM data. The obtained values from SEM image were 187.3 nm ± 6.2 nm and 116 nm ± 10.4 nm, which were in agreement with AFM data with 39 nm and 23 nm of pixel pitches, respectively. Lastly, our findings that RMS roughness varied less than 1 nm and converged at the value of 77.6 nm with any pixel pitch suggest we can use the RMS roughness obtained with any resolution. Based on the assumption that our results scale linearly with the size of the features of interest, we believe that one can use the optimal pixel resolution for fast and reliable topography acquisition and surface roughness analysis.
Secondly, We have investigated the nanoscale domain bit writing under different loading force of spin-coated ferroelectric P(VDF-TrFE) thin films using PFM. The nanoscale dot domains were formed by applying voltage pulses to the bottom electrode and loading force through the probe tip. The size of the nanoscale dot domains increased with the applied voltage and loading force increased, respectively. Additionally, we found that the direction of the resulting ferroelectric dipole is the same as the direction of loading force. These results open up a way to write ferroelectric polymer memory bits using mechanical force with lower voltage.
We believe that, based on above founding, this study will provide enhanced fundamental basis for understanding of nanoscale domain dynamics of ferroelectric P(VDF-TrFE) thin films. Furthermore, this study will suggest a scientific guide vector which can facilitate accurate data acquisition of application of atomic force microscopy such as kelvin-force microscopy, electrostatic force microscopy and piezoresponse force microscopy. P(VDF-TrFE) to be applied to more various fields.
강유전성의 갖는 고분자 물질은 저렴한 가격, 가벼움, 유연성 그리고 제조의 용이성으로 인하여 각광받고 있는 소재이다. 이러한 고분자 재료중 P(VDF-TrFE) 는 상온에서 안정적인 강유전상을 유지하며 뛰어난 강유전성을 보이는 재료이다. 최근에 유기재료를 이용한 유연한 전자소자들은 컴퓨터 디스플레이나 RFID 등에도 이용되는 등 다양한 응용 분야가 존재한다. 이러한 P(VDF-TrFE) 의 강유전성을 이해하기 위하여 여러 그룹에서 다양한 분석법을 이용하여 연구가 진행되어 왔다. 주목할만한 연구로 강유전 고분자에 전압의 인가 및 인가 시간에 따른 도메인 스위칭의 연구가 있다. 이러한 연구는 atomic force microscopy를 이용하여 수행된다. 그러나 P(VDF-TrFE) 박막에 국부적인 압력을 가했을때 도메인의 반전 거동에 대한 연구는 수행된 바가 없다. 본 연구에서 우리는 AFM 을 이용한 최적화된 표면 형상을 얻는 연구를 수행함과 동시에 국부적인 압력하에서 P(VDF-TrFE) 의 도메인 반전 거동에 대해 알아보고자 한다.
첫번째로 우리는 10마이크론 피치를 갖는 실리콘 격자 샘플을 AFM 을 이용하여 표면 형상을 얻었다. 이 때 scan size 를 pixel 수로 나눈 pixel pitch 라는 새로운 변수를 도입하여 분석을 실시 하였다. 얻은 표면 형상을 SEM 분석 이미지와 비교한 결과 step height 는 비슷한 결과를 얻었으나 step width 에서 차이가 나타남을 알 수 있었다. scan size 의 감소를 통해 pixel pitch 를 더 작게 하여 분석한 결과 pixel pitch 가 3.9nm 일때 SEM 을 통해 얻어진 결과와 같아짐을 확인할 수 있었다. 또한 RMS roughness 의 경우, pixel pitch 와 무관하게 비슷한 값을 얻을 수 있음을 확인할 수 있었다. 이를 통하여, AFM 을 이용하여 정확한 표면 형상을 얻기 위해서는 pixel pitch 를 3.9nm 조정하면 되며, RMS roughness 의 경우는 pixel pitch와 무관하게 정확한 값을 얻을 수 있다는 것을 알 수 있었다. 이러한 결과를 통해 우리는 AFM 뿐만이 아닌 AFM 의 응용에 있어서 더 정확한 정보를 얻기 위한 최적화된 변수를 확립하였다.
두번재로 우리는 PFM 을 이용하여 P(VDF-TrFE) 박막에 국부적인 압력과 전압을 가하였을때 나노스케일 bit size 의 차이를 분석하였다. 나노스케일 닷 도메인의 크기는 인가한 전압과 압력의 크기가 증가할 수록 증가하는 경향을 보였다. 추가적으로, mechanical writing 실험을 통하여 국부적인 압력의 방향과 강유전 쌍극자의 회전 방향이 동일하다는 것을 확인하였다. 이러한 결과들을 통하여 강유전 고분자인 P(VDF-TrFE) 의 탐침 정보 저장 장치에의 응용에서 더 낮은 전압과 높은 압력을 이용하여 electric breakdown 이나 leakage 등을 최소화 할 수 있을 것이라고 기대된다.
이러한 결과들은 P(VDF-TrFE) 박막의 국부적인 압력 영향하에서 나노 스케일 도메인 거동을 이해하는 데 있어 이론적 기초를 제공할 것이라 생각되며, 나아가서 AFM 및 그 응용인 PFM, KFM, EFM 등의 분석에 있어 표면 이미지를 통한 정확한 데이터를 얻는데 지표가 될 것이라고 생각된다.
