Recently, topological defects have attracted many attentions because of their stability against small perturbations and potential applications for non-volatile high density memory and electrical logic system. However, theoretical and experimental studies of the ferroelectric vortex structures have been lacking as compared with magnetic materials. Although ferroelectric vortex structures have been restricted by boundary conditions, dynamical control of topological defects have not been investigated intensively. A complete change of a topological structure takes enormous energy consumption due to its topological protection. However, local control of topological defects consumes much lower energy than modulating the whole boundary condition. In this thesis, demonstration of this topological concept has achieved by applying local electric fields to a ferroelectric film through a conductive probe. We use a BiFeO3 thin film (BFO) to demonstrate controlling of topological defects. BFO is an appropriate material to create and detect topological defects since BFO has 8-variant polarization orientations. BFO thin film and SRO bottom electrode have been deposited on (110)-oriented DSO substrate through pulsed laser deposition. Locations of ferroelectric vortex and ferroelectric antivortex are carefully identified through the winding number calculation before performing topological defect control. It is demonstrated that a ferroelectric vortex-antivortex pair can be created by applying an electric pulse to a conductive probe. And then, a separation of the vortex and antivortex pair has been realized by dragging of a negative biased conductive probe. The pair separation has been performed toward a specific direction, which depends on the location of the antivortex.The angle-resolved piezoresponse force microscopy (angle-resolved PFM) and the winding number calculation are carried out to confirm the existence of topological defects in ferroelectric materials. The vector mapping can be made in an integrative way by gathering individual lateral PFM (LPFM) images with different probe orientations. The piezoresponse vector, that is linearly correlated with ferroelectric polarization, at a specific position can be determined using our software-based pixel alignment among associated images and sinusoidal fitting for the piezoresponses obtained as a function of tip orientation. Each ferroelectric vortex point can be confirmed by winding number calculation of 60nmⅹ60nm square loops in vector map. The findings provide a unique pathway into dynamical ferroelectric defects control.
최근에, 강유전체/강자성체 위상학적 결함은 비휘발성, 고밀도 메모리 및 전기적 논리 시스템에 대한 응용가능성을 이유로 많은 주목을 받고있다. 그러나, 강유전체 소용돌이 구조는 자성 물질에 비해 이론적 및 실험적 연구가 부족하다. 강유전체 소용돌이 구조는 특정 경계 조건으로 인해 나타날 수 있지만, 위상 구조의 동적인 제어는 집중적으로 연구되지 않았다. 전체적인 위상학적 구조를 변경하려면, 위상학적 특성으로 인해 많은 에너지가 요구된다. 적은 에너지를 인가하여, 위상 구조를 국지적으로 제어하면 시스템 전체의 위상 구조는 바뀌지 않지만, 국소적인 영역에서 소용돌이-반소용돌이 쌍을 생성하는 것은 가능하다. 하지만 지금까지는 소용돌이-반소용돌이 쌍의 정확한 위치를 관측하고, 이를 조절하는 연구가 부족했다. 본 석사 논문에서는 각도 분해형 고정밀 압전 감응 힘 현미경을 이용하여, 강유전체 박막에서 소용돌이-반소용돌이 구조를 생성, 관측 및 조절하는 연구에 대해 소개한다.본 연구를 위한 시료로써 스칸디늄산 다이프로슘 기판 위에 증착된 비스무트 철산화물 박막 (두께 50 nm)이 사용되었다. 비스무트 철산화물 박막 및 루테늄산 스트론튬 하부 전극은 펄스 레이저 증착법을 통해 (110) 배향된 스칸디늄산 다이프로슘 기판 위에 증착되었다. 탐침을 고정시킨 후, 전기장 펄스를 인가하여 강유전성 소용돌이와 강유전성 반소용돌이 쌍 생성이 가능하다는 것을 확인하였으며, 탐침이 접촉모드로 시료 표면을 스캔할 때, 탐침에 전압을 인가하면, 소용돌이와 반소용돌이 쌍 분리가 가능하다는 것을 확인하였다. 뿐만 아니라, 소용돌이-반소용돌이 쌍의 분리가 탐침의 스캔 방향에 의존한다는 것을 확인하였으며, 이를 위한 시나리오를 소개하였다.소용돌이-반소용돌이 구조의 정확한 위치를 파악하기 위해, 각도 분해형 고정밀 압전 감응 힘 현미경을 이용하여, 비스무트 철산화물 박막의 압전반응 지도를 얻었다. 압전반응 지도를 이용하여 60 nm × 60 nm 영역의 주회 횟수 계산을 수행하였으며, 이를 통해서 소용돌이-반소용돌이 구조가 어떻게 분포되어 있는지 관측하였다. 이 연구의 결과들은 강유전성 결함 제어를 위한 초석을 마련하였다.
