| 학회 | 한국재료학회 |
| 학술대회 | 2003년 가을 (11/21 ~ 11/22, 연세대학교) |
| 권호 | 9권 2호 |
| 발표분야 | 세라믹스 |
| 제목 | 스피넬형 자성반도체 ZnCo2O4 박막의 구조적, 전기적 및 자기적 성질 |
| 초록 | 1. 서론 화학식이 AB2O4인 스피넬 형 산화물 구조에서 산소 음이온들은 면심입방(fcc, face-centered cubic) close packing을 형성하고 금속 양이온들은 8개의 사면체(tetrahedron) A 자리와 16개의 팔면체(octahedron) B 자리를 채운다. ZnCr2O4, ZnMn2O4와 ZnFe2O4는 대표적인 스피넬 산화물 자성 절연체로서 Cr3+, Mn3+와 Fe3+ 자성 이온들이 B 자리를 채워 모퉁이가 맞닿은 사면체 네트워크를 형성한다. 입방 스피넬 ZnCr2O4와 ZnFe2O4는 아주 낮은 반강자성 전이온도(각각 TN = 15 K와 9 K)를 가지는 반면에 정방구조의 ZnMn2O4는 ~200 K의 높은 닐 온도(Neel temperature)를 나타내는 것으로 알려져 있다. 하지만 이 물질들과는 대조적으로 입방 스피넬 ZnCo2O4에 대한 연구 결과는 보고된 것이 거의 없다. 이 논문에서 우리는 reactive magnetron sputtering 방법에 의한 입방 스피넬 ZnCo2O4 박막의 성공적인 성장에 대하여 보고하고, 박막 증착 조건이 박막의 물리적 특성에 미치는 영향을 고찰하고자 한다. 특히, 증착 시 산소 분압에 따라 ZnCo2O4 박막의 전도 형을 n-형 혹은 p-형으로 조절할 수 있다는 실험적인 증거를 제시하고, 전도형에 따른 물성의 차이에 대해 보고하고자 한다. 2. 실험 방법 본 실험에서는 Zn와 Co metal target을 이용한 reactive co-sputtering 법으로 박막을 제조하였다. 공정 압력은 1.0 × 10-2 Torr, Ar/O2 ratio는 1:9 에서 9:1 까지 변화시켰으며, 제조된 박막의 결정 구조 및 미세구조 관찰은 x-ray diffraction과 SEM, TEM을 통해 확인하였으며, hall effect 측정 및 SQUID측정을 통해 박막의 전기적, 자기적 특성을 확인하였다. 3. 결과 및 고찰 Co와 Zn metal target의 sputtering ratio(DCo/DZn)를 2 : 1 로 고정시킨 후 산소 분압을 9.0×10-3 torr(Ar/O2=1/9)에서 1.0×10-3 torr(Ar/O2=9/1)로 변화시켜 제조한 시편들의 결정 구조를 XRD로 관찰한 결과 spinel (111), (222) 그리고 (333) peak이 관찰되어, ZnCo2O4 상은 Ar과 O2의 분압 조건에는 관계없이 안정적으로 형성됨을 알 수 있었다. 또한 이러한 XRD 결과와 pole-figure 그리고 TEM 관찰로부터 ZnCo2O4의 (111)-우선 성장을 확인 할 수 있었다. 일련의 실험으로부터 얻어진 박막의 전기적 특성을 확인하고자 hall effect 측정을 하였는데, 산소 분압이 6.67 × 10-3 torr 이하의 영역에서는 n-형, 8.65 × 10-3 torr 이상의 산소 풍부 분위기에서는 p-형이 관찰되었으며, n-형에서는 운반자의 농도가 최대 3.09× 1021/㎝이었고, p-형에서는 최대 2.81× 1020/㎝ 였다. 또한 n-형과 p-형의 중간 영역에서는 홀 측정이 불가능한 절연 ZnCo2O4 박막이 얻어졌는데, 이러한 홀 측정 결과 ZnCo2O4의 전기적 특성은 산소 분압에 의존하여 그 성질이 변함을 확인할 수 있었다. 마지막으로 ZnCo2O4 박막의 자성 특성이 전도형에 의존하는지를 확인하고자 초전도 양자 간섭 측성 소자(SQUID) 실험을 하였는데, n-형 ZnCo2O4는 저온에서 상자성 거동을 보이며, p-형 ZnCo2O4는 강자성 거동을 보임을 확인 하였다. |
| 저자 | 김효진1, 송인창1, 심재호1, 김도진1, 임영언1, 김현중2, 주웅길2 |
| 소속 | 1충남대, 2한국과학기술원 재료공학과 |
| 키워드 | spinel; magnetic semiconductor |
