| 초록 |
전자가 가지는 전하와 스핀을 동시에 이용하는 spintronics 응용을 위한 diluted magnetic semiconductor (DMS) 개발 연구는 지난 몇 년간 많은 주목을 받아 왔다. 실제 소자로의 응용을 위한 상온 이상의 큐리 온도를 갖는 DMS 물질 합성을 위해, III-V 계열의 Ga1-xMnxAs 연구가 주로 있어왔고, H. Ohno 등은 약 110 K의 큐리 온도를 보고 하기도 하였는데, 최근에는 이론적 계산에 의해 III-V 계열 GaN와 II-VI 계열 ZnO에 자기 이온이 도핑된 시스템에서 상온 이상의 큐리 온도가 예상된다는 보고가 있어, 이와 관련한 많은 연구가 진행되어 오고 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 Zn1-xCoxO, Zn1-xFexO, Zn1-xNixO 등을 비롯하여, T. Dietl 등의 계산 결과를 통해 주목 받은 Zn1-xMnxO에 그 관심이 집중되어 왔다. 하지만 도핑 원소로 주로 이용된 Co, Mn, Fe, Ni 등의 천이 원소에 비해 Cr은 상합성이 쉽지 않으며, 고용한도가 작을 것으로 예상되어 상대적으로 실험에 적용된 예가 많지 않았고, 특히 II-VI 계열에서는 ZnTe, ZnSe에만 일부 적용되어, ZnO에 적용된 실험 결과는 거의 알려진 바가 없다. DMS에서 자기 이온으로서의 Cr 이온은 비어 있는 t2g-orbital을 통해 반도체의 band carrier와 자기 이온의 spin 의존 coupling, 즉 s(p)-d exchange interaction이나, superexchange interaction에서 강자성 coupling을 할 것으로 예상되기 때문에, Cr이 도핑된 ZnO를 합성하고, 물성을 확인하는 것은 실험적으로 시도할 가치가 충분히 있다고 판단된다. 본 실험에서는 반응성 스퍼터링 법으로 Cr이 도핑 된 ZnO를 제조하여, 전기적·자기적 특성을 고찰하고자 하였다. Zn1-xCrxO의 조성은 Zn와 Cr 금속 타겟의 power 비를 통해 조절하였고, 기판 온도는 200 ~ 600 oC로 하였으며, Ar/O2 비를 조절하여 insulator와 metallic 박막을 제조하여 전기적 특성과 자성 특성 사이의 관계를 연구하고자 하였다. x-선 회절 실험과 주사전자 현미경 (SEM) 실험을 통해 미세 구조를 확인하였으며, 박막의 전기적 특성을 관찰하기 위해 van der Pauw 방법을 이용한 홀 측정을 통해 carrier 농도와 이동도, carrier type 등을 확인하였다. 증착한 시편의 자기적 특성은 초전도 양자 간섭 장치 (SQUID)를 이용하여 관찰하였다. x-선 회절실험을 통해 최적의 조건에서 증착된 Zn1-xCrxO 박막은 Wurtzite 구조의 (002) 회절선만이 관찰되는 우선 배향 성장을 하였음을 확인하였으며, x-선 rocking curve 분석을 통해 결정성은 기판 온도와 Ar/O2 비에 의존함을 관찰 하였다. Zn1-xCrxO의 자성 특성이 free carrier와 Cr의 상호작용에 의한 것인지를 가늠하기 위해, electron dopant로서 Al을 이용하여 Zn1-x-yCrxAlyO을 제조하였고, 전기적·자기적 특성을 비교 관찰 하였다. |
