Real-time Imaging of Polar Domain Dynamics in WTe2
WTe2의 실시간 이미징을 이용한 분극 도메인 동역학 분석
- 주제어 (키워드) Operando TEM , two-dimensional vdW materials , vdW ferroelectric , nucleation , Operando TEM , 이차원 반데르발스 물질 , 반데르발스 강유전체 , 핵
- 발행기관 서강대학교 일반대학원
- 지도교수 김현정
- 발행년도 2025
- 학위수여년월 2025. 2
- 학위명 석사
- 학과 및 전공 일반대학원 물리학과
- 실제 URI http://www.dcollection.net/handler/sogang/000000079562
- UCI I804:11029-000000079562
- 본문언어 영어
- 저작권 서강대학교 논문은 저작권 보호를 받습니다.
초록 (요약문)
Ferroelectricity is a characteristic of certain materials that have a spontaneous electric polarization which can be reversed by the application of an external electric field. Most ferroelectrics are insulators, as polarization in metals is typically screened by free electrons[1]. Interestingly, WTe2, a two-dimensional van der Waals (vdW) material, exhibits ferroelectricity as a semimetal. Previous studies have suggested a correlation between ferroelectric switching and changes in resistance in WTe2, as observed through transport measurements[2]. Further research on ferroelectricity in two-dimensional vdW materials, including various TMD, has revealed that polarization switching in these materials can occur through inter-layer sliding[3-5]. Studies on sliding ferroelectric materials with a 3R structure have shown that, unlike in traditional displacive type ferroelectric, polarization switching occurs through the movement of existing domain walls without the nucleation of new domains[6]. In this study, we study the polarization switching behavior of Td-WTe2, a material with a structure distinct from that of 3R-TMD sliding ferroelectrics. By utilizing transmission electron microscopy (TEM) with dark-field imaging to observe, in real space and real time. Through operando TEM, we simultaneously conducted TEM imaging and transport measurements within the TEM environment. Our observations revealed that, unlike 3R-TMD, Td-WTe2 exhibits nucleation during the switching process. Additionally, the domain walls in Td-WTe2 displayed unique characteristics, further distinguishing its switching behavior from that of 3R-TMD sliding ferroelectrics.
more초록 (요약문)
WTe₂에서의 분극 도메인 동역학 실시간 관찰 강유전성은 외부 전기장에 의해 방향을 반전할 수 있는 자발적 전기 분극을 가지는 물질의 특성입니다. 대부분의 강유전체는 절연체이며, 금속에서는 자유 전자에 의해 분극이 차폐되기 때문에 일반적으로 강유전성이 나타나지 않습니다[1]. 그러나 WTe₂는 2차원 반데르발스(vdW) 준금속 물질로서, 예외적으로 강유전성을 보입니다. 이전 연구에서는 전기 수송 측정을 통해 WTe₂에서의 강유전 전환과 저항 변화 사이에 상관관계가 있음을 밝혀냈습니다[2]. 또한, 다양한 전이금속 다이칼코게나이드(TMD)와 같은 2차원 vdW 물질의 강유전성 연구는 이들 물질에서 분극 전환이 층간 슬라이딩을 통해 발생할 수 있음을 보여주었습니다[3-5]. 특히, 3R 구조를 가진 슬라이딩 강유전체 연구에 따르면, 전통적인 변위형 강유전체와 달리 기존 도메인 벽의 이동으로 분극 전환이 이루어지며 새로운 도메인 핵 생성은 일어나지 않습니다[6]. 본 연구에서는 투과전자현미경(TEM)과 암시야(dark-field) 이미징을 사용하여 Td-WTe₂의 분극 전환 거동을 실공간 및 실시간으로 관찰하였습니다. Td-WTe₂는 3R-TMD 슬라이딩 강유전체와는 구조적으로 상이한 특징을 가지고 있습니다. TEM 환경에서 전기 수송 측정을 병행하는 operando TEM 분석을 통해, Td-WTe₂가 3R-TMD와 달리 전환 과정에서 새로운 도메인의 핵 생성이 발생함을 확인하였습니다. 또한, Td-WTe₂의 도메인 벽은 독특한 특성을 보여, 3R-TMD 슬라이딩 강유전체와는 차별되는 전환 거동을 나타냄을 관찰할 수 있었습니다.
more목차
Chapter 1: Introduction 11
1.1 Research Background 11
1.2 Theoretical Background 12
1.2.1 Sliding Ferroelectric 12
1.2.2 Dislocation 16
1.2.3. Transmission Electron Microscopy 18
Chapter 2: Methods 24
2.1 Sample Preparation 24
2.1.1 Dual gate device fabrication 24
2.1.2 Dual gate and WTe2 resistance measurable device fabrication 27
2.2 TEM Analysis 29
2.2.1 DF-TEM Imaging 29
2.2.2 Operando TEM 30
2.2.3 Transport Measurement 31
Chapter 3: Results and Discussion 32
3.1 Structural Characteristics and Tilt dependence 32
3.2. vdW Ferroelectrics Dynamics 44
3.2.1 Domain Dynamics in WTe2 44
3.2.2 Nucleation in WTe2 50
3.3.3 Operando TEM With Transport Measurement 52
3.3 Domain Wall of WTe2 58
Chapter 4: Conclusion 63
References 66
