| 초록 |
전자가 갖는 전하와 스핀을 동시에 이용하는 spintronics 응용을 위한 diluted magnetic semiconductor(DMS) 개발 연구는 지난 수년간 많은 주목을 받아 왔다. H. Ohno 등에 의하여 보고 된 110 K의 큐리 온도를 갖는 III-V 계열 GaMnAs 연구로부터 본격적으로 발전하기 시작한 DMS 연구는 실제 소자로의 응용을 위한 상온 이상의 큐리 온도를 갖는 물질의 합성을 주된 목적으로 하며, 이를 이용한 스핀 정보 전달 및 저장을 최종 목표로 삼고 있다. 이러한 응용성 있는 DMS 개발을 위하여 수많은 이론적, 실험적 시도가 거듭되어 왔는데, 현재는 GaN와 TiO2 그리고 ZnO를 모상으로 하여 자기 이온을 도핑 한 물질에 대한 연구가 가장 많은 주목을 받고 있다. 특히 이러한 연구들 중에서 ZnO를 모상으로 하는 DMS에 대한 연구는 주로, K. Sato 등이 first principles를 이용한 materials design을 통해, 높은 큐리 온도를 갖는 물질로 제시한 n-형 ZnCoO, ZnFeO, ZnNiO 등을 비롯하여, T. Dietl 등의 계산 결과를 통해 주목 받은 p-형 ZnMnO에 그 관심이 집중되어 왔다. 하지만 ZnCoO와 함께 가장 많이 연구되어온 ZnMnO는 p-형 제조가 어려워 대부분 n-형으로서 연구되어, p-형 ZnMnO에서 예상되는 홀을 매개로한 강자성 특성은 실험적으로 확인되지 못하였다. ZnO를 모상으로 하는 DMS에서 자기 이온으로서의 Mn 이온은 3d-밴드의 d5 전자 배열로 인한 Mn 이온 사이의 반강자성 결합으로, 전자 도핑에 의해서는 super exchange에 의한 spin-glass 상태를 이루며, 홀 도핑을 통해서는 double exchange로부터 강자성 결합을 할 것으로 알려져 있는데, Mn 금속 및 대부분의 Mn 산화물들이 반강자성이라는 사실을 함께 고려한다면, p-type ZnMnO의 강자성 연구는 DMS의 강자성 원인에 대한 논란, 즉 자성 이온의 강자성 석출상에 대한 논란으로부터 일정부분 자유로울 수 있으며, 홀 유도 강자성 DMS를 예상한 이론적 시도를 실험적으로 뒷받침하는 예가 될 수 있기 때문에 실험적 가치는 충분하다고 판단된다. 본 실험에서는 반응성 스퍼터링 법을 이용하여 제조한 p-형 ZnMnO의 자기적 특성 및 자기 수송 현상에 대해 고찰하였다. p-형 ZnMnO를 제조하기 위해 먼저 P2O5를 도핑한 ZnO(ZnO:P) 세라믹 타겟을 제조하였고, 이를 이용하여 얻은 박막 시편을 500 ~ 800 oC, N2 분위기에서 열처리 하였다. P2O5가 도핑된 ZnMnO(ZnMnO:P)의 조성은 Zn, Mn 금속 타겟과 ZnO:P 세라믹 타겟의 power 비를 통해 조절하였고, 기판 온도는 200 ~ 600 oC로 하였다. x-선 회절실험과 주사전자 현미경(SEM) 실험을 통해 미세 구조를 확인하였으며, 박막의 전기적 특성을 관찰하기 위해 van der Pauw 방법을 이용한 홀 측정을 통해 운반자 농도와 이동도, 전도형 등을 확인하였다. 증착한 시편의 자기적 특성은 초전도 양자 간섭 측성 소자(SQUID)를 이용하여 관찰하였다. x-선 회절실험을 통해 최적의 조건에서 증착된 ZnMnO:P 박막은 열처리 전·후 모두에서 Wurtzite 구조의 (002), (004) 회절선만이 관찰되는 우선 배향 성장을 하였음을 확인할 수 있었다. 홀 효과 측정을 통해 확인된 홀 농도가 6.7 X 1018/cm3인 ZnMnO:P 박막의 자기적 성질을 관찰한 결과 300 K에서 자기 이력곡선을 확인하였으며, 이때 잔류자화 값은 0.301 emu/cm3, 보자력은 약 60 Oe 정도임을 알 수 있었다. p-형 ZnMnO:P 박막의 자기 수송 현상 및 홀과 자기 이온 사이의 상호작용을 확인하기 위해 자기 저항 및 변칙적인 홀 효과(anomalous hall effect, AHE)를 측정한 결과, 특히 AHE 결과로부터 p-형 ZnMnO:P 박막의 홀 유도 강자성 특성을 확인할 수 있었다. |
