Last decades, ferroelectric materials are of significant importance in nonvolatile memories, sensors, and actuator applications. With increasing demand for miniaturization in microelectronics, ferroelectric nanostructures have attracted considerable practical and theoretical interest. However, patterned films generally lead to degraded performance, with higher values of field being required to switch polarization and lower values of remnant polarization being attained. In this study, we investigate the effect of nano/micro patterning on the ferroelectricity of both ferroelectric oxides and ferroelectric polymers using PFM. Ferroelectric oxides were patterned by using e-beam lithography and FIB, and the ferroelectric domain structure was investigated by AR-PFM, which is advanced polarization domain imaging technique. The patterning of thin films to mesa structures can be useful for nanoelectronic applications because of reducing the ferroelectric domain complexity. For ferroelectric polymers, meanwhile, spin coating of the polymer on the patterned substrate was carried out to maximize the alignment without damaging the polymer through a simple process. We analyzed the length and the angle of crystalline lamellae depending on the period of line-patterned substrate and annealing condition. LPFM and VPFM measurements reveal that not only crystalline lamellae, but also polymer chain are well aligned. We believe that, based on above findings, this study will provide enhanced fundamental basis for understanding of patterned ferroelectric materials. Furthermore, the precise ferroelectric domain structures have been investigated using a ferroelectric domain imaging technique, PFM. This study would help us to understand the fundamental analysis of the ferroelectric domain structure and improve the performance of ferroelectric devices using confinement effect of patterning.
지난 수십 년 동안, 강유전성 재료는 비휘발성 메모리, 센서 및 액추에이터 등의 응용 분야에서 많이 연구되어왔다. 전자기기의 소형화에 대한 요구가 증가함에 따라, 패턴 된 강유전성 나노 구조의 연구의 필요성이 대두되고 있다. 일반적으로 패턴 된 강유전성 재료는 성능이 저하되는 문제를 보인다. 본 연구에서는 PFM을 이용하여 패턴 된 강유전성 재료의 특성을 조사하였다. 전자빔 리소그래피를 이용하여 강유전성 산화물을 패턴 한 뒤, 향상된 분극 도메인 영상 기법인 AR-PFM을 이용하여 강유전체 도메인 구조를 조사하였다. 패턴 된 메사 구조는 필름 대비 강유전성 도메인 복잡성이 낮게 나타나기에, 이는 전자소자에 활용 될 가능성을 나타내었다. 한편, 강유전성 고분자의 경우, 패턴 된 기판에 스핀 코팅 공정을 통해 박막을 증착하여 고분자의 정렬을 연구하였다. 패턴의 주기와 열처리 조건에 따른 고분자 결정의 정렬 정도를 분석하였으며, LPFM 및 VPFM 측정을 통해 결정의 정렬 및 내부의 중합체 사슬의 정렬을 확인하였다. 우리는 본 연구를 통하여 패턴 된 강유전성 재료의 이해를 위한 기초 정보를 제공하고자 한다. 또한 강유전성 도메인 분석 기술인 PFM을 사용하여 정확한 강유전성 도메인 구조의 조사 가능성을 열었다. 이러한 연구는 강유전체 도메인 구조의 근본적인 분석 및 패턴의 제한 효과를 통한 강유전체 재료의 특성 향상에 도움이 될 것으로 보여진다.