[논문]산소 결핍된 TiO2-δ 박막의 철 도핑에 의한 전기적, 자기적 특성 변화

박영란; 김광주; 박재윤; 안근영; 김철성

doi:10.4283/jkms.2006.16.1.045

산소 결핍된 TiO2-δ 박막의 철 도핑에 의한 전기적, 자기적 특성 변화
Variation of Electronic and Magnetic: Properties in Oxygen-deficient TiO2-δ Thin Films by Fe Doping 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.16 no.1, 2006년, pp.45 - 50

박영란 (건국대학교 물리학과) , 김광주 (건국대학교 물리학과) , 박재윤 (인천대학교 신소재공학과) , 안근영 (국민대학교 물리학과) , 김철성 (국민대학교 물리학과)

초록
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졸-겔(sol-gel)방법으로 제작된 산소 결핍된 anatase 및 rutile구조의 $TiO_{2-\delta}$ 박막에 대하여 철(Fe)도핑에 의하여 생겨나는 전기적, 자기적 특성의 변화를 조사분석 하였다. 진동 시료 자화율(vibrating sample magnetometry; VSM)과 뫼스바우어 분광(conversion electron Mossbauer spectroscopy, CEMS) 측정을 통하여 Fe 도핑된 anatase 및 rutile $TiO_{2-\delta}$ 박막들에서 모두 상온에서 강자성(ferromagnetism)특성이 나타남이 관측되었다. VSM측정 결과 같은 양의 Fe도핑에 대하여 anatase 시료는 rutile 시료보다 더 큰 자기모멘트 값을 나타내었고 CEMS측정으로부터 팔면체 $Ti^{4+}$자리에 치환된 $Fe^{3+}$이온이 시료가 나타내는 강자성 특성에 주로 기여하는 것으로 해석된다. 홀 효과(Hall effect)측정 결과 anatase $TiO_{2-\delta}:Fe$ 박막은 상온에서 p-type특성을 보였으나 관측된 강자성은 he]e carrier 농도와는 무관한 것으로 해석된다. $TiO_{2-\delta}:Fe$ 박막에서 관측된 강자성 특성은 산소결핍자리(oxygen vacancy)에 갇힌 전자를 매개로 하여 이웃한 두 $Fe^{3+}$ 이온들 간에 존재하게 되는 직접적인 강자성 결합(direct ferromagnetic coupling)에 기인한 것으로 해석될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Oxygen-deficient anatase and rutile titanium dioxide $(TiO_{2-\delta})$ thin films were prepared by a sol-gel method and their structural, electronic, and magnetic properties were investigated. Both anatase and rutile $TiO_{2-\delta}:Fe$ Fe films exhibited ferromagnetism at room temperature for a limited range of Fe doping. For the same amount of Fe doping, the anatase sample exhibited a higher magnetic moment than the rutile one. Result of conversion electron Mossbauer spectroscopy measurements indicates that $Fe^{3+}$ ions substituting the octahedral $Ti^{4+}$ sites mainly contribute to the room-temperature ferromagnetism. Some of the anatase $TiO_{2-\delta}:Fe$ films exhibited p-type character but the observed feromagnetism turns out to be independent of the hole concentration. The room-temperature ferromagnetism can be explained in terms of a direct ferromagnetic coupling between two neighboring $Fe^{3+}$ ions via an electron trapped in oxygen vacancy in $TiO_{2-\delta}:Fe$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

같은 양의 Fe 도핑에 대하여 anatase 시료는 rutile 시료보다 더 큰 자기 모멘트값을 보여주었다. 본 연구에서는 이들 TiO₂_5:Fe 박막들이나 타내는 전기적, 자기적 특성에 대하여 조사분석 하였고 그 결과로부터 상온 강자성 현상에 관한 물리적 메커니즘에 대하여 고찰하여 보았다.

제안 방법

넣어 70。(2에서 2시간 동안 녹여 만들었고 rutile 구조 박막의 선구 용액은 monoethanolamine을 부가적으로 넣는 방법으로 박막을 제작하였다. Fe 도핑을 위한 선구용액은 용매에 titanium butoxide와 함께 질산에 녹인 Fe를 혼합흐}여 제작하였다.
Fe 도핑을 위한 선구용액은 용매에 titanium butoxide와 함께 질산에 녹인 Fe를 혼합흐}여 제작하였다. 박막은 선구용액을 기판 위에 300 rpm, 20초 동안 스핀 코팅함으로써 제작하였고 이때 박막에 남은 유기물질을 제거하기 위하여 선구박막을 공기 중 300。(2에서 5분 동안 가열하였고 박막의 두께를 증가시키기 위하여 위의 방법을 반복 수행하였다. 박막 제작에 앞서 기판은 초음파 세척기에서 아세톤과 메탄올을 이용하여 세척하였다.
제작된 철 (Fe)。] 도핑 된 anatase 및 rutile TiC) 2-B(산소결핍 8) 박막들에 대하여 구조적, 전기적, 자기적 특성들을 조사분석 하였다.
5 Tesla의 자기장 하에서 Van der Pauw 방법을 이용한 홀 측정을 통하여 전기적 특성을 조사하였다. 박막들의 자기적 특성은 상온에서 Lake-Share 7300 VSM 및 rhodium 금속에 확산시킨 57Co 소스를 이용한 CEMS를 이용하여 조사하였다. 특히 CEMS는 물질에서 Fe 이온의 국소 환경을 알아보는데 좋은 방법으로 여겨진다.
제작된 박막의 결정상태는 XRD로 조사하였고, 0.5 Tesla의 자기장 하에서 Van der Pauw 방법을 이용한 홀 측정을 통하여 전기적 특성을 조사하였다. 박막들의 자기적 특성은 상온에서 Lake-Share 7300 VSM 및 rhodium 금속에 확산시킨 57Co 소스를 이용한 CEMS를 이용하여 조사하였다.

대상 데이터

본 연구에 이용된 anatase, rutile TiO₂ 박막들은 스핀 코팅을 이용하는 졸-겔 방법에 의하여 Al203(0001) 기판 위에 제작되었다. Anatase 구조 박막의 선구용액 (precursor solution)은 용매인 2-methoxyethanol에 titanium butoxide, Ti[O(CH2)3CH3]4 를 넣어 70。(2에서 2시간 동안 녹여 만들었고 rutile 구조 박막의 선구 용액은 monoethanolamine을 부가적으로 넣는 방법으로 박막을 제작하였다.

성능/효과

3에 각각 나타내었다. anatase, rutile 시료 모두에서 Fe 도핑량이 증가함에 따라 o축, c축 격자 상수와 단위 체적이 증가함을 볼 수 있고 특히 anatase 구조에서 더 큰 비율로 증가함을 볼 수 있다. Fe가 5.
8 at% 시료들과 비교하여 볼 때 hole 농도는 크지만 미약한 강자성을 나타내고 있음을 볼 수 있다. 또한, 큰 비저항 값을 가지고 있음에도 불구하고 x=5.8 at% 시료에서도 p-type 반도체 성질을 지닌 x=2.4 at% 시료에서와 유사한 자기적 성질이 나타났다. 이와 같은 결과들로부터 본 연구에 이용된 TiO₂_g : Fe 박막들에서 나타난 상온 강자성은 hole carrier 농도에 의존하지 않는 것으로 해석되며 따라서 Dietl 등에 의하여 제기된 RKKY 상호작용에 의한 강자성과는 무관한 것으로 해석된다.
1 에서는 anatase (a) 및 rutile (b) TiOj-g: Fe 박막들에 대한 XRD 측정결과를 나타내었다. 박막의 두께는 주사전자현미경 (scanning electron microscopy)을 人]용하여 0.7~8.9 呻 범위에 있음을 확인하였다. 이들 anatase, rutile 박막들은 각각 3.
본 연구에 이용된 Fe가 도핑 된 anatase 및 rutile TiO/ 박막들은 상온에서 강자성을 나타내었다. 같은 양의 Fe 도핑에 대하여 anatase 시료는 rutile 시료보다 더 큰 자기 모멘트값을 보여주었다.
본 조사분석의 결과 TiO₂_5: Fe 박막의 상온에서의 강 자성 특성은 산소결핍 자리에 갇힌 전자를 매개로 하여 두 개의 이웃하는 Fe3+ 이온들 간의 직접적인 강자성 결합(direct ferromagnetic coupling)에 의한 것으로 해석될 수 있다[11]. 공기 중에서 후열 처리하여 얻어진 박막의 경우 산소결핍 농도가 작아 전기적으로 절연체의 성격을 띠게 되며 또한 강자성이 나타나지 않았다.
4 at% 시료에서와 유사한 자기적 성질이 나타났다. 이와 같은 결과들로부터 본 연구에 이용된 TiO₂_g : Fe 박막들에서 나타난 상온 강자성은 hole carrier 농도에 의존하지 않는 것으로 해석되며 따라서 Dietl 등에 의하여 제기된 RKKY 상호작용에 의한 강자성과는 무관한 것으로 해석된다. [9].

참고문헌 (11)

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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