Study of the Temperature Dependence of Ferroelectric Properties in van der Waals Bilayers using TEM Dark Field Analysis
투과전자현미경 암시야상 분석을 활용한 반데르발스 강유전 특성의 온도 의존성 연구
- 주제어 (키워드) Transmission Electron Microscopy(TEM) , 2-D van der Waals structure , Transition Metal Dichalcogenide , Domain analysis , ferroelectrics; 투과 전자 현미경(TEM) , 이차원(2-D) 반데르발스(vdW) 소재 , 전이 금속 디칼코게나이드(TMDs) , 도메인 분석 , 강유전체
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 유효빈
- 발행년도 2024
- 학위수여년월 2024. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000077264
- UCI I804:11029-000000077264
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록
2차원 (2-D) 반데르발스 (vdW) 이종 구조체는 층과 층사이의 뒤틀린 각도를 조절하여 물성을 제어할 수 있는 새로운 플랫폼을 제시한다. 붕화질소(hexagonal boron nitride) 및 전이금속 다이칼코제나이드 (transition metal dichalcogenides, TMD) 계열 소재를 기반으로 뒤틀린 각도를 제어하여 이중층을 제작하면 격자의 중심대칭성을 깨어주고 새로운 형태의 강유전 특성을 발현시킬 수 있다. 이러한 강유전체에서는 수직 방향의 이온 이동 없이 평면 격자 슬라이딩에 의한 스위칭 메커니즘이 보고되어 기존의 강유전 물질에서 관찰된 스위칭 특성과 상이함을 보여주었다. 더 나아가 최근 연구에 따르면 vdW 강유전체의 퀴리에 온도에서의 강유전상에서 상유전상으로의 전이는 반대 방향의 분극을 보이는 두 강유전상의 시간 평균에 의해 발생할 것으로 예측되었다. 이는 승온 과정에 따른 구조적 상전이로 인해 대칭성이 변화하는 기존 강유전 물질의 상전이와 다름을 의미한다. 비록 최근에는 강유전상 전이에 관한 많은 연구가 이루어졌지만, 상전이와 관련된 구조의 변화는 아직 실험적으로 관찰되지 않았다. 본 연구에서는 소자 형태의 TEM 시편을 제작하고 실환경 투과전자현미경 분석 플랫폼을 구축했다. 투과 전자 현미경(TEM) 암시야상(DF) 이미징 기술을 활용하여 전기장 인가에 따른 도메인 벽(domain wall) 운동을 관찰하였다. 더 나아가, TEM 시편에 온도 제어가 가능한 MEMS 줄 히터를 제작하여 넓은 온도 범위에서의 강유전 분극 도메인 동역학을 분석하였다. 기존 이론 연구에서 예측된 퀴리에 온도 이상의 온도에서도 강유전 스위칭이 일어남을 확인하였으며, 단결정 시편의 국소적 영역이 다결정화되는 T=1000K 이상의 고온 조건에서도 일부 스위칭이 일어남을 관찰하였다. 반데르발스 강유전체의 상전이와 관련된 구조적 특성에 대한 연구가 더 필요할 것으로 보인다.
more초록
The study of 2-dimensional (2-D) van der Waals (vdW) heterostructures have presented a new platform where one could engineer the physical properties by manipulating the inter-layer twist angle. By fabricating a stacking angle engineered heterostructure using base materials such as hexagonal boron nitride and transition metal dichalcogenides(TMD), it is possible to break the central symmetry of the crystal lattice and manifest ferroelectric properties in the new structure. The mechanism of ferroelectric switching of 2-D ferroelectrics, the in-plane lattice sliding without vertical ion displacements, is different from that observed in traditional ferroelectric materials. Furthermore, a recent study suggested the cause of ferroelectric-to-paraelectric transition of vdW bilayers at Curie temperature was a time average of ferroelectric phases with opposing intrinsic polarizations. This is also different from the phase transition of conventional ferroelectric materials, where structural phase transition due to the rise in temperature causes the symmetry to change. Although ferroelectric phase transitions have been subject to much research lately, the structural dynamics of the phase transition have yet to be identified by direct observations. In this study, we built an operando TEM analysis platform and fabricated a device structured TEM specimen. Using TEM DF imaging techniques, we successfully observed the domain wall motion caused by an induced electric field. Furthermore, we utilized a temperature-controllable TEM holder and manufactured specimen grids for specimen heating. We analyzed the domain dynamics of the ferroelectric switching at a large range in temperature. We have confirmed ferroelectric switching occurring above the Curie temperatures predicted by previous research , and observed local switching in certain areas at high temperature conditions well above 1000K, where local areas of a single crystal specimen became poly-crystallized. We believe further research is needed on the structural properties regarding the phase transition of van der Waals ferroelectrics.
more목차
Chapter 1. Introduction 1
1.1 Research Background 1
1.2 Theoretical Background 2
1.2.1 Two Dimensional(2-D) van der Waals Materials 2
1.2.2 Two dimensional Ferroelectrics 3
1.2.3 Ferroelectric Curie Temperature 7
1.2.4 Transmission Electron Microscopy(TEM) 10
1.2.5 Joule Heating and Temperature Resistance Relation 12
Chapter 2. Methods 13
2.1 Materials 13
2.2 Experimental Methods 14
2.2.1 Stacking Angle Engineered Fabrication of Bilayer TMD 14
2.2.2 Completing device structure for operando TEM analysis 19
2.3 Analysis Method 22
2.3.1 Transmission Electron Microscope Dark Field Imaging 22
2.3.2 Operando TEM Imaging 23
2.3.2.1 TEM Platform for Electrical Biasing 25
2.3.2.2 TEM Platform for Temperature Control 27
Chapter 3. Results and Discussion 32
3.1 Analytic results 32
3.1.1 Analysis of the ferroelectric property of 3R-WSe2 32
3.1.2 Change in ferroelectric property of 3R-WSe2 according to temperature change 35
3.1.3 Limitations of 3R-WSe2 sample fabrication 43
3.1.4 Change in ferroelectric property of 3R-MoS2 according to temperature change 46
3.1.5 Observation of thermal degradation 49
3.1.6 Reliability of MEMS heater temperature control 52
Chapter 4. Conclusion 54
Chapter 5. References 56
