Investigation of Structural Phase Transformation of Tungsten through In-situ Heating Transmission Electron Microscopy = 실시간 투과전자현미경법을 이용한 텅스텐의 구조적 상변태 거동 분석

국문 초록 (Abstract)

β-텅스텐(β-W)은 스핀–궤도 토크와 관련된 특성을 포함하여 다양한 기술적으로 유용한 물성을 나타내는 텅스텐의 준안정 상이다. 이러한 중요성에도 불구하고, β-W의 열적 안정성과 β→α 상변환을 지배하는 미시적 경로에 대해서는 아직 충분히 규명되지 않았다. 본 연구에서는 비교적 높은 열적 안정성을 보이는 두께 80 nm의 β-W 박막을 대상으로, 투과전자현미경과 주사 투과전자현미경 기반 에너지 분산형 분광 분석, 그리고 실시간 가열 투과전자현미경 기법을 결합하여 열처리 과정에서의 미세조직 진화를 추적하였다.
단면 투과전자현미경 관찰 결과, 박막은 평균 폭 약 15 nm의 기둥형 미세조직으로 구성되어 있으며, 개별 기둥 내부에서는 성장 방향을 따라 비교적 높은 결정성이 장거리로 유지됨을 확인하였다. 고배율 관찰에서는 기둥 내부에 작은 결정학적 기울기가 존재하며, 이는 일부 영역에서 저각 내부 경계에 의해 수용되는 양상을 보였다. 한편 에너지 분광형 분석을 통해 특정 영역에서 산소 농축이 관찰되었고, 이러한 영역은 국소적인 결정성 저하와 동반되어 박막 내 화학적 환경이 균일하지 않음을 시사한다.
시계열 선택 영역 전자 회절 패턴 측정 결과, β→α 상변환은 500–600 °C 범위에서 수 분에 걸쳐 진행되며, β 상의 회절 피크는 박막 전반에서 동시에 소멸되지 않는 것으로 나타났다. 이는 β 상의 안정성이 국소적인 결정 구조 또는 화학 조성에 민감하게 의존함을 의미한다. 또한 일부 β 결정립에서는 소멸 직전에 일시적인 회절 피크 신장 현상이 관찰되었으며, 약 600 °C 이상에서는 α 결정립 간의 병합이 나타났다.
순차적인 고해상도 투과전자현미경 관찰을 통해 β→α 상변환의 구체적인 메커니즘을 직접 확인할 수 있었다. 상변환은 주로 α/β 계면의 이동을 통해 진행되며, 이는 단일 기둥 내부뿐만 아니라 기둥 경계를 가로질러서도 발생한다. 더불어, 기존에 보고되지 않았던 새로운 α/β 결정방향 관계가 상의 경계에서 확인되었다. 계면 이동 거동은 공간적으로 균일하지 않았으며, 특히 삼중 접합부 인근에서는 계면 이동 속도가 현저히 감소하거나 최대 약 5분에 이르는 정체 현상이 관찰되었다.
본 연구는 β-W 박막에서의 미세조직 진화와 β→α 상변환 경로를 실공간에서 상세히 규명하였다. 단순한 상변환 관찰을 넘어, 국소적인 계면 환경이 상변환 속도와 열적 안정성을 지배하는 데 중요한 역할을 함을 보여주며, 향후 계면 이동도와 안정성을 정량적으로 분석하기 위한 실험적 기반을 제공한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

β-tungsten (β-W) is a metastable phase of tungsten that exhibits technologically useful properties, including those relevant to spin–orbit torque phenomena. Despite its technological relevance, however, the thermal stability of β-W and the microscopic pathways governing the β→α transformation remain insufficiently resolved. In this study, we examine an 80 nm-thick β-W film that exhibits comparatively high thermal robustness and follow its microstructural evolution during annealing using a combination of ex-situ TEM/EDS and in-situ SAED/HRTEM.
Cross-sectional TEM observations show that the film consists of a columnar microstructure with an average column width of ~15 nm, within which crystallinity is largely preserved along the growth direction. At higher magnification, a small crystallographic tilt is detected inside individual columns and is occasionally accommodated by low-angle internal boundaries. Complementary STEM-EDS mapping reveals localized oxygen enrichment, which coincides with regions of reduced crystallinity, indicating a nonuniform chemical environment within the film.
Time-resolved in-situ SAED measurements demonstrate that the β→α transformation unfolds over several minutes in the temperature range of 500–600 °C. Notably, β reflections disappear at different times across the film, implying that the stability of the β phase is sensitive to local structural and/or chemical conditions. Prior to their disappearance, certain β grains exhibit transient diffraction peak elongation, while at temperatures exceeding ~600 °C, coalescence among α grains is detected.
Direct insight into the transformation mechanism is obtained from in-situ HRTEM imaging. The β→α transition is found to proceed predominantly through migration of the α/β interface, both within single columns and across column boundaries. In addition, a previously unreported α/β orientation relationship is identified at the phase boundary. Importantly, the interface migration is not spatially uniform: near triple-junction configurations, migration rates are reduced, and in some cases the interface remains stagnant for up to ~5 min.
This work offers a detailed, real-space description of the microstructural evolution and transformation pathways of β-W thin films. Beyond documenting the β→α transition, the results highlight the importance of localized interfacial environments in controlling transformation kinetics and in governing the local thermal stability of metastable thin-film systems, providing a basis for future quantitative studies of interface mobility and stability.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iv
• List of Figures vi
• Chapter 1. Introduction １
• 1.1. Research Background and Objectives １
• 1.2.1. The Structure and Properties of β-Tungsten ６
• 1.2.2. Phase Stability of β-Tungsten ８
• 1.2.3. Microsturcture of β-Tungsten １３
• 1.3. Phase Transformation Mechanism of Metal １６
• 1.3.1. Thermal Phase Transformation Behavior of Tungsten１７
• 1.4. Transmission Electron Microscopy Analysis ２０
• 1.4.1. High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) ２０
• 1.4.2. Selected Area Electron Diffraction (SAED) ２１
• 1.4.3. In-situ Transmission Electron Microscopy ２３
• Chapter 2. Experimental Methods ２５
• 2.1. Sample Preparation and TEM Analysis ２５
• 2.1.1. In-situ SAED Acquirement ２７
• 2.1.2. In-situ Heating and Annealing Conditions ２７
• 2.3. Image Data Analysis ２９
• 2.3.1. Unsupervised HRTEM Segmentation ２９
• 2.3.2. SAED Analysis Pipeline ３２
• 2.3.3. Sequential Image Alignment ４２
• Chapter 3. Results and Discussion ４５
• 3.1. Structural Analysis of 80 nm Tungsten Film ４５
• 3.2. In-situ SAED５２
• 3.3. In-situ Heating HRTEM ５５
• 3.3.1. Overview of interface migration behavior during in-situ heating TEM ５６
• 3.3.2. Crystallographic relationships and discontinuously migrating α/β interfaces５９
• 3.3.3. Junction-Mediated Retardation of α/β Interface Migration ６２
• 3.3.4. EDS Analysis ７０
• Chapter 4. Conclusion ７２
• Abstract in Korean ７９