The scanning probe microscope is a surface measuring instrument with an atomic resolution, which is widely used in exploring surface physical properties such as morphology, electric, electronic, magnetic, thermal, and optical properties. The scanning probe microscope measures various physical quantities of local sample area underneath a tip with the typical apex curvature of several nanometers. In this dissertation, three major topics regarding configurable topological textures and electronic conduction in strain graded ferroelectrics and magnetostriction measurement in a ferromagnetic film are addressed.
First, ferroelectric domain textures are analyzed in terms of topology. In mathematics, topology is concerned about space properties that are conserved by continuous deformations. Topological isomorphism means two objects are transformed to each other without changing the topological number by stretching, wrinkling, and bending. The concept of topology has been used in various fields. In solid state physics, topology is related to various properties of materials such as electric conductivity, spin textures, and optical transmission. Topological defects are singular points where order parameters are discontinuous such as domain walls or vortex points. Recently, topological defects have attracted much attention for applications of the high-density information storage medium because vortex cores and skyrmions have a few nanometer sizes. In the case of magnetic materials, many theoretical and experimental studies have been made. Although theoretical studies on ferroelectric materials have reported that topological defects can be stabilized in small sizes and controlled by external stimuli with a smaller energy compared to ferromagnetic ones, experimental observations of vortex structures are relatively little progressed in ferroelectric materials.
In order to make a topological vortex in a ferroelectric material, a curing structure of ferroelectric polarization is demanded leading to a considerable energy consumption in deforming the lattice. It is the reason why ferroelectric vortex structures are rarely observed in usual cases. In this dissertation, an inhomogeneous strain field associated with misfit strain relaxation is introduced to stabilize topologically non-trivial textures in ferroelectrics. The ferroelectric vortex structures are emergent in ferroelectric nanoplates which undergo a strong compressive strain at the bottom interface while the side and top surfaces are stress-free. In this nanoplate structure, a radial compressive strain relaxation occurs exhibiting a quadrant in-plane ferroelectric domain texture as well as stabilizing a ferroelectric vortex structure. It is directly observed by using angle-resolved piezoresponse force microscopy and local winding number analysis. The topological invariant of the nanoplate can be configured from −1 to 3 by selective non-local domain switching. These findings offer a useful concept for the multi-level topological defect memory.
Electrical conduction in the ferroelectric nanoplates is also investigated. Controllable conduction level has been suggested by arranging two opponent polarizations in a head to head (or tail to tail) configuration. However, the charged domain walls in ferroelectric materials are rarely observed due to the electrostatically unstable feature. The ferroelectric nanoplate provides a promising opportunity into stabilization and manipulation of electronic conduction by their highly anisotropic mechanical boundary condition. Electronic conduction near the sidewalls is reversibly adjustable up to about 20 times by $180^Wcirc$ ferroelectric switching that is ferroelastically protected. The findings provide a pathway into electronic conduction modulation applicable to nanoscale ferroelectric logic devices.
Finally, a new conceptual magnetostriction force microscopy is introduced. Magnetostriction is a property whereby the volume of the material changes in response to an external magnetic field due to the reorientation of magnetization. Magnetostriction property has been applied to ultrasonic cleaning, fishfinder, water depth meter, pressure gauge, vibration meter. The local magnetostriction measurement has become an emerging issue because strain-mediated nanocomposites have received considerable attention due to their potential applications for high sensitivity sensors and high density energy harvesters. Here, magnetostriction measurement based on scanning probe microscopy on a cobalt thin film is reported. The distribution of magnetostrictive response is mapped by atomic force microscopy in contact mode with a few nanometer lateral resolution and lock-in detection of second harmonic sample vibration in response to oscillating magnetic field. The phase and amplitude signals observed in each domain are interpreted in aspect of the magnetic easy axis. Our findings provide a specific pathway to understand the local magnetostrictive response based on scanning probe microscopy.
주사 탐침 현미경은 원자단위의 분해능을 갖는 표면 계측 장비로서, 최근의 소자 소형화 동향과 결부되어 나노구조의 물성 분석에 널리 활용되고 있다. 주사 탐침 현미경은 끝부분 지름이 수 나노미터인 예리한 바늘을 이용하여 시료 표면을 스캐닝할 때 시료와 탐침 사이에 작용하는 물리량을 측정하는 장비이다. 주사 탐침 현미경의 다양한 기능을 이용하여 물질의 3차원 표면 형상, 전기적, 자기적 특성 분석 등에 활용되고 있다. 이 논문에서는 주사 탐침 현미경을 활용하여 나노구조에서 위상 구조 및 전기적 특성, 자기적 특성을 분석한 크게 세가지 연구를 포함하고 있다.
본 논문의 순서로 먼저 주사 탐침 현미경을 활용한 위상 구조분석 연구에 대해 소개한다. 수학에서 위상학은 연속적인 변형에 대해 불변인 양에 관한 것이다. 늘이기, 구김, 굽힘과 같은 변형을 통해서 서로 변환된 두 형태의 위상수가 다르지 않을 경우, 두 형태를 위상 동형이라고 한다. 위상의 개념은 수학뿐만 아니라 다양한 분야에서 쓰이고 있는데, 특히 고체물리에서 위상학은 전기 수송, 스핀 수송, 광 전송 등 물질의 다양한 특성의 해석에 응용되고 있다. 위상 결함은 어떤 매개변수로 정의 되는 공간에서 구역벽이나 소용돌이 구조처럼 매개변수의 불연속성이 나타나는 영역이다. 위상 결함은 위상학적으로 연속적인 변형에서는 보존되기 때문에 이를 이용하기 위한 연구가 활발하다. 최근에는 소용돌이 구조나 스커미온과 같은 위상 결함이 수 나노미터 크기를 갖는다는 것이 보고됨에 따라, 고밀도 저장매체 활용을 위한 많은 연구가 진행되고 있다. 자성 물질의 경우, 위상 결함의 생성, 수송, 그리고 측정과 관련한 이론 및 실험 연구가 많이 보고되고 있다. 반면, 강유전체의 경우는 강자성체와 비교하여 소용돌이 구조의 크기가 작고 수송하기 위해 인가하는 에너지 역시 상대적으로 작은 에너지가 필요하다고 이론적으로 알려져 있지만, 실험적으로 강유전체에서 소용돌이 구조는 드물게 관측되고 있고, 그 조절 방법 역시 잘 알려져 있지 않다.
강유전체 위상 결함을 만들기 위해서는 유전 분극의 방향 전환에 따른 격자의 변형이 필요하고, 이는 격자의 변형에 상당한 에너지를 요구하기 때문에, 강유전체에서 위상학적 결함 구조가 드물게 발견되는 원인이 된다. 본 연구에서는 강유전체 나노접시 구조를 특정 기판 위에 성장시킴으로써, 나노접시 구조의 바닥면은 강한 압축 변형을 받고 있는 반면 옆면과 윗면은 변형에서 자유로운 구조를 만든다. 이러한 나노접시 구조에서는 방사형으로 압축변형 완화가 일어나서, 강유전체 위상 결함 구조가 안정화된다. 본 연구에서는 고정밀 각도-분해형 압전감응 힘 현미경을 이용하여, 강유전체 위상 결함 구조를 직접적으로 관측하고, 비국소적 도메인 전환 방법을 이용하여 5개의 위상학적 구조를 의도한 대로 구현한다. 본 연구의 결과는 ‘다단계 위상학적 결함 메모리’ 연구에 유용한 개념을 제공한다.
본 논문의 다음 순서로 주사 탐침 현미경을 이용한 강유전체 나노구조에서 전기적 특성 분석 연구에 대해 소개한다. 최근에 강유전체 구역벽에서 전도성에 관한 연구가 활발하다. 특히 유전 분극의 같은 극성이 구역벽에서 부딪치는 대전된 구역벽(charged domain wall)의 경우 전도성이 향상되고, 유전 분극의 방향을 변환함으로써 전하 밀도를 조절할 수 있기 때문에 많은 연구가 진행되고 있다. 강유전체에서 대전된 구역벽은 속박전하의 밀도가 높기 때문에 정전기적으로 불안정하여 드물게 관측된다. 이를 해결하기 위해 본 연구에서는 강한 압축 변형 완화를 받고 있는 강유전체 나노접시 구조에서 대전된 구역 연구를 수행한다. 강한 압축 변형 완화를 받고 있는 나노접시 구조에서는 유전 분극의 방향이 나노접시 중심에서 밖으로 향하는 방사형의 위상 결함 구조가 안정된다. 이러한 위상 결함 구조와 연관되어, 나노접시 가장자리는 양의 속박 전하로 구성된 대전된 구역 구조가 자연상태에서 안정되며, 나노접시 가장자리 안쪽에서 전도성이 향상됨이 관측된다. 또한 강한 압축 변형 완화를 받고 있는 나노접시는 강탄성 구조가 고정되어 유전 분극의 $180^Wcirc$ 전환만을 허용하기 때문에, 수직 방향의 전기장으로 평면 방향의 유전 분극 성분을 결정하는 것이 가능하다. 유전 분극 방향에 따라 나노접시 가장자리 안쪽에서 전도성이 대략 20 배 정도 차이가 나는 것을 관측한다. 본 연구 결과는 대전된 구역벽이 실제 나노전자소자로 사용되기 위한 중요한 개념을 제공한다.
본 논문의 다음 순서로 주사 탐침 현미경을 이용한 강자성체 박막에서 국소적 자왜 특성 연구에 대해 소개한다. 자왜는 자기장 인가에 의하여 물체에 변형이 생기는 현상으로, 자화의 방향 전환에 따른 변형이기에 자기장의 우함수의 형태로 반응한다. 자왜는 초음파 세척, 어군 탐지기, 수심 측정기, 압력계, 진동계 등 여러 가지로 응용되고 있다. 최근에 강유전체 박막에 강자성체가 나노기둥으로 박혀있는 자왜-압전 복합체가 미래형 액추에이터로서 각광받고 있는데, 나노구조 제작 기술과 결합하여 물질의 거시적인 특성이 아니라 국소적인 자왜 값을 얻는 것이 중요하다. 본 연구에서는 주사 탐침 현미경의 새로운 기술인 자왜력 현미경을 이용해서 코발트 박막의 국소적인 자왜 값을 측정하고, 락인 증폭기를 이용하여 검출된 위상신호로부터 자화용이축을 측정하는 기술을 소개한다. 본 연구 결과는 강자성체 연구뿐만 아니라 복합 다강체의 성능을 측정할 수 있는 중요한 기술을 제공한다.
