미세조직분석에 사용되고 있는 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)은, 극히 얇은 시편에 도달한 전자선이 시료의 형상에 대응 투과되어 생긴 명암상(Image)과 구조에 대응하여 회절되어 생긴 회절상(SADP)을 형광판에 결상시켜 관찰을 하거나 사진촬영을 할 수 있는 장비이다. TEM의 주요기능을 살펴보면 시편의 내부조직을 확대해서 나노 단위보다 낮은 Å단위까지 미세조직을 관찰하여 형상, 크기, 분포 결함 등을 관찰 하는 ...
미세조직분석에 사용되고 있는 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)은, 극히 얇은 시편에 도달한 전자선이 시료의 형상에 대응 투과되어 생긴 명암상(Image)과 구조에 대응하여 회절되어 생긴 회절상(SADP)을 형광판에 결상시켜 관찰을 하거나 사진촬영을 할 수 있는 장비이다. TEM의 주요기능을 살펴보면 시편의 내부조직을 확대해서 나노 단위보다 낮은 Å단위까지 미세조직을 관찰하여 형상, 크기, 분포 결함 등을 관찰 하는 영상 분석 기능, 전자회절을 이용하여 결정구조와 방위관계를 분석하는 기능, 물질을 구성하는 원소를 규명하고 정성 정량으로 측정 분석하는 화학성분 분석 기능, 등이 있는 기기이다.
DMSs 소재로는 주로 Ⅱ족 또는 Ⅲ족 의 원소들의 일부가 전이금속인 Fe, Co, Mn 에 의해 지환된 Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 의미한다. 전이금속 이온의 스핀들과 밴드 전자들의 상호작용으로 인해 이들은 Giant Faraday effect 와 같은 광자기 특성을 가진다. 외부 전기, 자기장에 의해 band edge 의 조절이 가능하고 도핑에 의해 캐리어의 농도를 변화시킴으로서 재료내의 자기적 성질을 변화시킬 수 있다는 독특한 특성으로 인해 DMSs는 지난 20년 동안 자기, 광학적 재료로서 많은 주목을 받아왔다. 자기적 특성과 전기, 광학적 성질을 한 재료에서 모두 구현 할 수 있고 DMSs 로 미래의 스핀전자재료 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대가 되고 있는 ZnO는, Ⅱ-Ⅳ의 반도체 재료로써 3.37eV의 넓은 Direct 밴드 갭 에너지를 갖는 재료로써 산업용도로도 널리 사용되고 있다. 예를 들어 전도성 투명 전극, 가스 센서, Varistors, 압전소자, 태양 전지 등에 사용된다. Dietl 등이 제시한 이론으로 전환 원소 희석량과 ZnO의 강자성을 예측하고 있기 때문에, ZnO의 DMS는 스핀트로닉스를 위한 도전적인 재료의 하나가 되고 있다. 지금까지 여러 이론 모델은 Dietl에 의해 제안된 정공 매개 간접 교환 메커니즘 이외에 ZnO를 DMS에서 강자성을 이해하는 것이 제안되고 있다. BMP 모델도 강자성을 설명하기 위해 제안되었다. BMP 모델에 따르면, Donor 전자 안의 불순물이 전자 교환 기구에 참여하고 있다. 이러한 RKKY와 이중 교환 모델로 기존의 강자성 교환 모델은 여전히 고농도로 도핑 된 ZnO의 DMS 강자성 특성이 올바른 설명이다. 이차상의 침전이나 클러스터 불순물이 매우 높은 도핑 수준에서 강자성의 원인인 것으로 알려져 있다.
이에 따라 다양한 DMS 박막 제조로 우수한 연자기적 특성이 나타나고 있는 것으로 보고되고 있으며, ZnO-M-X(M=Fe, Co, Ni 등, X=N, C, O 등) 형태로 소량 첨가된 원소로 형성된 미세결정화 페라이트(ferrite)계 박막 등이 우수한 연자기적 특성을 갖는 것으로 보고되고 있다. 그러나, 대부분이 TEM을 이용한 미세조직의 제시가 없고, Simulation 모형도로만 설명을 하고 있어, 박막의 명확한 구조와 해석을 하지 못하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 DMS용으로 제작된, Co양을 정확하게 제어해서 도핑된 ZnO 다층구조 박막에서 TEM 으로 미세조직을 관찰하고, 해석을 한 후, 이차상의 침전, 클러스터, 치환 등이 강자성의 매개변수와 연관지어 설명을 하고자 한다.
미세조직분석에 사용되고 있는 투과전자현미경(TEM, Transmission Electron Microscope)은, 극히 얇은 시편에 도달한 전자선이 시료의 형상에 대응 투과되어 생긴 명암상(Image)과 구조에 대응하여 회절되어 생긴 회절상(SADP)을 형광판에 결상시켜 관찰을 하거나 사진촬영을 할 수 있는 장비이다. TEM의 주요기능을 살펴보면 시편의 내부조직을 확대해서 나노 단위보다 낮은 Å단위까지 미세조직을 관찰하여 형상, 크기, 분포 결함 등을 관찰 하는 영상 분석 기능, 전자회절을 이용하여 결정구조와 방위관계를 분석하는 기능, 물질을 구성하는 원소를 규명하고 정성 정량으로 측정 분석하는 화학성분 분석 기능, 등이 있는 기기이다.
DMSs 소재로는 주로 Ⅱ족 또는 Ⅲ족 의 원소들의 일부가 전이금속인 Fe, Co, Mn 에 의해 지환된 Ⅱ-Ⅵ, Ⅲ-Ⅴ족 화합물 반도체를 의미한다. 전이금속 이온의 스핀들과 밴드 전자들의 상호작용으로 인해 이들은 Giant Faraday effect 와 같은 광자기 특성을 가진다. 외부 전기, 자기장에 의해 band edge 의 조절이 가능하고 도핑에 의해 캐리어의 농도를 변화시킴으로서 재료내의 자기적 성질을 변화시킬 수 있다는 독특한 특성으로 인해 DMSs는 지난 20년 동안 자기, 광학적 재료로서 많은 주목을 받아왔다. 자기적 특성과 전기, 광학적 성질을 한 재료에서 모두 구현 할 수 있고 DMSs 로 미래의 스핀전자재료 분야에서 중요한 역할을 할 것으로 기대가 되고 있는 ZnO는, Ⅱ-Ⅳ의 반도체 재료로써 3.37eV의 넓은 Direct 밴드 갭 에너지를 갖는 재료로써 산업용도로도 널리 사용되고 있다. 예를 들어 전도성 투명 전극, 가스 센서, Varistors, 압전소자, 태양 전지 등에 사용된다. Dietl 등이 제시한 이론으로 전환 원소 희석량과 ZnO의 강자성을 예측하고 있기 때문에, ZnO의 DMS는 스핀트로닉스를 위한 도전적인 재료의 하나가 되고 있다. 지금까지 여러 이론 모델은 Dietl에 의해 제안된 정공 매개 간접 교환 메커니즘 이외에 ZnO를 DMS에서 강자성을 이해하는 것이 제안되고 있다. BMP 모델도 강자성을 설명하기 위해 제안되었다. BMP 모델에 따르면, Donor 전자 안의 불순물이 전자 교환 기구에 참여하고 있다. 이러한 RKKY와 이중 교환 모델로 기존의 강자성 교환 모델은 여전히 고농도로 도핑 된 ZnO의 DMS 강자성 특성이 올바른 설명이다. 이차상의 침전이나 클러스터 불순물이 매우 높은 도핑 수준에서 강자성의 원인인 것으로 알려져 있다.
이에 따라 다양한 DMS 박막 제조로 우수한 연자기적 특성이 나타나고 있는 것으로 보고되고 있으며, ZnO-M-X(M=Fe, Co, Ni 등, X=N, C, O 등) 형태로 소량 첨가된 원소로 형성된 미세결정화 페라이트(ferrite)계 박막 등이 우수한 연자기적 특성을 갖는 것으로 보고되고 있다. 그러나, 대부분이 TEM을 이용한 미세조직의 제시가 없고, Simulation 모형도로만 설명을 하고 있어, 박막의 명확한 구조와 해석을 하지 못하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 DMS용으로 제작된, Co양을 정확하게 제어해서 도핑된 ZnO 다층구조 박막에서 TEM 으로 미세조직을 관찰하고, 해석을 한 후, 이차상의 침전, 클러스터, 치환 등이 강자성의 매개변수와 연관지어 설명을 하고자 한다.
Zinc Oxide (ZnO) is a II-VI semiconductor material with a wide direct bandgap of 3.37 eV and has been studied widely because its promising applications, for example in, transparent conducting electrodes, gas sensors, varistors, piezoelectric devices and solar cells, etc. Since Dietl et al. theoretic...
Zinc Oxide (ZnO) is a II-VI semiconductor material with a wide direct bandgap of 3.37 eV and has been studied widely because its promising applications, for example in, transparent conducting electrodes, gas sensors, varistors, piezoelectric devices and solar cells, etc. Since Dietl et al. theoretically predicted the ferromagnetism of ZnO with a dilute quantity of a transition element, ZnO DMS (dilute magnetic semiconductor) has become one of the challenging materials for spintronics. So far, several theoretical models have been proposed to understand the ferromagnetism in ZnO DMS, besides the hole mediated indirect exchange mechanism proposed by Dietl et al. BMP (bound magnetic polaron) model was proposed to explain the ferromagnetism.
According to the BMP model, donor electrons in an impurity band participate in the exchange mechanism. The traditional ferromagnetic exchange models such as ruderman-kittel-kasuya-yosida (RKKY) and the double exchange model are still valid explanations of the ferromagnetism of highly doped ZnO DMS. Secondary phase or dopant precipitation/cluster is known to be responsible for the ferromagnetism at very high
doping levels.
However, there have been continuing controversies regarding the ferromagnetism in ZnO. These controversies are partly due to the low reproducibility in ZnO DMS sample preparation and the difficulty in identifying the state of ferromagnetic dopants in ZnO thin films. The former is related to the control of defects (vacancy, interstitial or sub-stitutional) in the films and the latter is related to the homogeneity of the films. Therefore, the control of a uniform defect state over the whole thin film is critical in gaining an understanding of the origin of ferromagnetism
in ZnO DMS and for manufacturing ZnO DMS applications.
In this study, we used a multilayer structure with which we could control precisely the amount of doping element as well as the dopant profile in the film using TEM. In a ZnO/Co multilayer structure, the amount of Co dopant can be tuned by adjusting the Co sub-layer thickness and the Co profile in the film can be controlled by varying the ZnO sub- layer thickness or by heat treatment after deposition. The Co sub-layer thickness and heat treatment were chosen as effective control parameters in the present study, and the effects of each parameter on the ferromagnetism in ZnO/Co multilayer are discussed.
Zinc Oxide (ZnO) is a II-VI semiconductor material with a wide direct bandgap of 3.37 eV and has been studied widely because its promising applications, for example in, transparent conducting electrodes, gas sensors, varistors, piezoelectric devices and solar cells, etc. Since Dietl et al. theoretically predicted the ferromagnetism of ZnO with a dilute quantity of a transition element, ZnO DMS (dilute magnetic semiconductor) has become one of the challenging materials for spintronics. So far, several theoretical models have been proposed to understand the ferromagnetism in ZnO DMS, besides the hole mediated indirect exchange mechanism proposed by Dietl et al. BMP (bound magnetic polaron) model was proposed to explain the ferromagnetism.
According to the BMP model, donor electrons in an impurity band participate in the exchange mechanism. The traditional ferromagnetic exchange models such as ruderman-kittel-kasuya-yosida (RKKY) and the double exchange model are still valid explanations of the ferromagnetism of highly doped ZnO DMS. Secondary phase or dopant precipitation/cluster is known to be responsible for the ferromagnetism at very high
doping levels.
However, there have been continuing controversies regarding the ferromagnetism in ZnO. These controversies are partly due to the low reproducibility in ZnO DMS sample preparation and the difficulty in identifying the state of ferromagnetic dopants in ZnO thin films. The former is related to the control of defects (vacancy, interstitial or sub-stitutional) in the films and the latter is related to the homogeneity of the films. Therefore, the control of a uniform defect state over the whole thin film is critical in gaining an understanding of the origin of ferromagnetism
in ZnO DMS and for manufacturing ZnO DMS applications.
In this study, we used a multilayer structure with which we could control precisely the amount of doping element as well as the dopant profile in the film using TEM. In a ZnO/Co multilayer structure, the amount of Co dopant can be tuned by adjusting the Co sub-layer thickness and the Co profile in the film can be controlled by varying the ZnO sub- layer thickness or by heat treatment after deposition. The Co sub-layer thickness and heat treatment were chosen as effective control parameters in the present study, and the effects of each parameter on the ferromagnetism in ZnO/Co multilayer are discussed.
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