Co-Sputtering 법을 이용한 금속-금속 산화물 나노복합체의 자기조립 성장 및 자기적 특성

국문 초록 (Abstract)

금속-금속 산화물 나노복합체는 다강체 특성으로 인해 차세대 전자 소자로 주목받고 있다. 특히, 수직으로 정렬된 나노로드가 산화물 매트릭스 안에 내장되어 성장하는 vertically aligned nanocomposites (VANs)는 Out-of-Plane 자기이방성 특성을 갖고있어 스핀트로닉스 장치에 매우 유용한 박막 구조이다. 주로 에피택셜 및 자기조립 성장을 위해 타겟 물질의 조성을 최대한 가깝게 전달할 수 있는 고에너지 레이저를 활용하는 PLD(Pulsed Laser Deposition)을 이용하여 증착되어 진다. 하지만 PLD는 좁은 플룸 크기로 인한 불균일성으로 인해 대량 생산 및 대면적 증착을 필요로하는 산업에서의 응용은 적합하지 않으므로 산업에서 널리 사용되어지고 있는 저비용 및 대면적 증착 장비인 Sputtering을 사용이 적합하다. 금속-금속 산화물 나노복합체의 전자, 자기, 광학, 다강성 및 전기화학적 특성은 미세구조, 계면에서의 응력 상태 및 조성에 의해서 조절된다. 그러므로 Sputter를 이용하여 성장한 금속-금속 산화물 나노복합체 박막의 산업적 응용을 위해서는 성장 메커니즘 및 특성이 보고되어야 한다.
본 연구에서는 금속 Fe와 산화물 STO(SrTiO3) 타겟을 RF(Radio Frequency), DC(Direct Current) Sputter를 동시에 증착하는 Co-Sputtering 법을 이용하여 Fe-STO 나노복합체 박막의 미세구조, 조성 및 자기 특성을 평가하고 연구하였다.
증착 되어진 Fe, STO 및 Fe-STO 박막의 미세구조와 자기적 특성은 증착 파워 조절에 따른 Fe 함량 제어와 기판 온도 제어에 따라 비교 분석되었다.
박막의 결정구조와 Out-of-Plane 격자 상수를 확인하기 위하여 X-ray 회절패턴 분석장치 (XRD)로 분석하였다. 전계-주사전자현미경 (FE-SEM)을 통해 표면 형태 와 단면 이미지를 확인하고 성장 구조를 분석하였다. 상세한 결정구조를 조사하기 위해 고해상도 투과전자현미경 (HR-TEM)으로 분석을 진행하였다. 박막의 조성을 확인하기 위해 TEM 내부에 있는 에너지 분산 분광법 (EDS)를 사용하였다. 마지막으로 박막의 방향 축에 따른 자기적 특성을 측정하기 위하여 진동 시료형 자력계 (VSM)를 이용하여 평가를 진행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, metal－metal oxide nanocomposites has attracted attention for next-generation electronics device due to multiferroics properties. In particular, vertically aligned nanocomposites(VANs), in which vertically aligned nanorods are embedded in an oxide matrix, are very useful structures for spintronics memory devices because of its out-of-plane magnetic anisotropy. VANs have been usually deposited using pulsed laser deposition (PLD), which utilizes a high energy laser that can deliver the composition of a target material as closely as possible for epitaxial and self－assembled growth. However, PLD is inappropriate for applications in industries requiring mass production and large-area deposition due to non-uniformity owing to the narrow plume size. Therefore, it is suitable to use sputtering, a low-cost and large-area depositon equipment widely used in the industry. The elctronic, magnetic, optical, multiferroic and electrochemical propertis of metal-metal oxide nanocomposites are modulated by the microstructure, strain at the interface and composition. Accordingly, for industrial application, the growth mechanism and characteristics of metal－metal oxide nanocomposites thin film grown using sputtering should be reported.
In this study, the microstructure, composition and magnetic properties of Fe-SrTiO3(STO) nanocomposites thin films deposited using the co-sputtering were studied.
Fe－STO nanocomposites thin films were fabricated by co-sputtering Fe(Direct Current magnetron sputtering) and STO(Radio Frequency magnetron sputtering) targets. The micro structures and magnetic properties of Fe, STO and Fe-STO nanocomposites thin films were analyzed at different Fe contents by power control and substrate temperature.
In order to confirm the crystal structures and out-of-plane lattice parameters of the thin films, they were analyzed by X-ray diffraction (XRD). Surface morphologies and cross-sectional images were investigated by field emission scanning electron microscopy(FE－SEM). High resolution transmission electron microscopy was used to confirm the detailed crystal structure and composition(EDS, Energy dispersive spectroscopy in TEM). The magnetic properties along the directional axis of the thin films were measured by vibrating sample magnetometer (VSM).

목차 (Table of Contents)

• 그림목차 ⅲ
• 표목차 ⅶ
• 국문초록 ⅷ
• 제 1 장 고온 증착 1
• 1. 서론 1
• 1.1 금속-금속 산화물 나노복합체 1
• 1.2 자기이방성 3
• 1.3 기존의 금속-금속 산화물 나노복합체 증착법 5
• 1.3.1 Pulsed Laser Deposition 6
• 1.3.2 Co-Sputtering 7
• 2. 실험방법 10
• 2.1 타겟 합성 및 준비 10
• 2.2 실험장비 및 증착 조건 11
• 2.3 분석 및 특성 평가 12
• 3. 결과 및 토론 13
• 3.1 고온에서 STO 기판 위에 증착된 단일 STO, Fe 박막 13
• 3.1.1 단일 STO 박막 성장 및 특성 13
• 3.1.2 단일 Fe 박막 성장 및 특성 15
• 3.2 고온에서 STO 기판 위에 증착된 Fe-STO 나노복합체 박막 17
• 3.2.1 Fe(20at.%) 도핑된 STO 단일 박막 성장 및 특성 17
• 3.2.2 저전력(Fe)에서 증착된 Fe-STO 박막 성장 및 특성 19
• 3.2.3 중간전력(Fe)에서 증착된 Fe-STO 박막 성장 및 특성 21
• 3.2.4 고전력(Fe)에서 증착된 Fe-STO 박막 성장 및 특성 24
• 3.3 토론 32
• 4. 결론 33
• 제 2 장 저온 증착 34
• 1. 서론 34
• 1.1 Fe 및 Ti 상호 확산 억제를 위한 기판 온도 제어 34
• 2. 실험방법 35
• 2.1 실험장비 및 증착 조건 35
• 2.2 분석 및 특성 평가 36
• 3. 결과 및 토론 37
• 3.1 저온에서 STO 기판 위에 증착된 단일 STO, Fe 박막 37
• 3.1.1 단일 STO 박막 성장 및 특성 37
• 3.1.2 단일 Fe 박막 성장 및 특성 40
• 3.2 저온에서 STO 기판 위에 증착된 Fe-STO 나노복합체 박막 49
• 3.2.1 520℃에서 증착된 Fe-STO 박막 성장 및 특성 49
• 3.2.2 560℃에서 증착된 Fe-STO 박막 성장 및 특성 53
• 3.2.3 600℃에서 증착된 Fe-STO 박막 성장 및 특성 56
• 3.3 토론 59
• 4. 결론 64
• 참고문헌 65
• Abstract 72