[논문]Annealing에 의한 나노구조 박막의 전기적 특성 연구

고태준

doi:10.4283/jkms.2006.16.1.098

Annealing에 의한 나노구조 박막의 전기적 특성 연구
Annealing Effects on Electron Transport properties of Nanostructured Thin Film 원문보기

韓國磁氣學會誌 = Journal of the Korean Magnetics Society, v.16 no.1, 2006년, pp.98 - 101

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결정립으로 이루어 진 나노구조 Pb 박막의 전기적 특성을 정상 면저항 측정을 통하여 연구하였다. 나노구조 박막은 저온 상의기판 위에 10nm이하의 두께로 증착되었으며, 1.3K부터 상온까지 박막의 온도를 변화시키면서 정상 면저항의 변화를 측정하였다. 열처리 온도에 따라 정상 면저항은 비 단조적하며 비가역적인 변화를 보였으며, 이러한 변화들은 열처리에 따른 나노구조 박막을 구성하고 있는 Pb 결정립의 크기변화로써 이해할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Electron transport properties of nanostructured Pb thin film, consisting of grains, have been studied. Nanostructured thin films were fabricated on a substrate held at low temperature and their thicknesses were less than 10nm. While temperature of the film increased from 1.3 K to room temperature, the change in normal state sheet resistance has been measured. As the annealing temperature varies, the normal state sheet resistance shows a non-monotonic and irreversible change. Such behavior can be understood with the Pb grain growth due to annealing of the film.

주제어

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문제 정의

연구된 박막들의 두께는 10 nm 이하이며, 10 nm 이하 두께에서는 박막의 모폴로지가 전기적 특성에 큰 영향을 미칠 것을 기대한다. 또한 열처리의 영향은 STM 연구에서 보고된 바와 같이 Pb 박막의 구조변화로 설명될 수 있으며, 이 연구를 통해 quench condensed 박막이 가지는 나노구조가 박막의 전기적 특성에 끼치는 영향을 자세히 살펴보고자 한다.
본 논문에서는 transport 즉정을 통하여 열처리 전후의 quench condensed granular Pb 박막들을 연구하고자 한다. 연구된 박막들의 두께는 10 nm 이하이며, 10 nm 이하 두께에서는 박막의 모폴로지가 전기적 특성에 큰 영향을 미칠 것을 기대한다.

제안 방법

1은 Pb 박막의 두께에 따른 정상 면저항의 변화를 보여주고 있다. Pb 박막은 저온 냉각장비안에 장착된 열 진공증착 장비를 사용하여 증착되었으며 , 박막의 두께를 연속적으로 증가시키면서 정상 면저항을 측정하였다. 이러한 quench condensation 증착기법은 초고진공 하에서 수행되므로 증착되는 각각의 박막층 간에 깨끗한 계면을 유지할 수 있는 장점을 가지고 있다.
2 K로 유지되는 저온 냉각장비의 벽에 의한 cryopumping 효과로 인해 실험 중 항상 진공상태가 유지되어 열처리 중 유발될 수 있는 박막의 오염을 방지할 수 있었다. 박막의 온도가 증가하는 동안, standard 4 terminal DC와 AC transport 측정방법을 통해 박막의 정상 면저항이 측정되었으며 , 비교를 위해 250 K에서 10K까지 박막의 온도를 감소시키면서도 박막의 면저항이 측정되었다.

대상 데이터

999 %의 Pb를 8 K로 유지되는 기판위로 증착시키므로 이루어졌다. 박막의 기판은 유리 기판을 사용하였으며, transport 측정을 위하여 상온에서 기판위에 Au 접촉 패드가 실험 전 증착되었다. 저온 냉각장비 안에서 증착시 박막 두께 즉정은 quartz micro balance를 사용하였다.
박막의 온도를 증가시키기 위하여 망가닌(manganin) 전선과 금속 박막 저항기가 히터로써 사용되었다. 망가닌 전선과 Linear Research LR130 온도 조절기를 사용함으로써 박막의 온도를 50K까지 증가시킬 수 있었으며, 망가닌 전선에 90 mA의 전류를 흘려보냄으로써 150K까지 조절이 가능하였다.
5 A의 전류를 흘려보냄으로써 박막의 온도를 250 K까지 증가시킬 수 있었다. 온도조절시온도즉정을 위해 게르마늄 저항기와 platinum resistance temperature detector가 사용되었다.

성능/효과

금속 박막 저항기가 히터로써 사용되었다. 망가닌 전선과 Linear Research LR130 온도 조절기를 사용함으로써 박막의 온도를 50K까지 증가시킬 수 있었으며, 망가닌 전선에 90 mA의 전류를 흘려보냄으로써 150K까지 조절이 가능하였다. 박막의 온도를 상온까지 증가시키기 위해 1 K pot에 금속 박막 저항기를 부착하였으며 , 0.
한다. 연구된 박막들의 두께는 10 nm 이하이며, 10 nm 이하 두께에서는 박막의 모폴로지가 전기적 특성에 큰 영향을 미칠 것을 기대한다. 또한 열처리의 영향은 STM 연구에서 보고된 바와 같이 Pb 박막의 구조변화로 설명될 수 있으며, 이 연구를 통해 quench condensed 박막이 가지는 나노구조가 박막의 전기적 특성에 끼치는 영향을 자세히 살펴보고자 한다.
박막의 온도가 200 K 근방에서는 정상 면저항이 박막의 온도에 관계없이 일정한 값을 가지기 시작한다. 열처리가 멈추어 지고 박막온도가 다시 하강하기 시작함에 따라 면저항 역시 감소하는 것을 관찰할 수 있었으며 면저항은 열처리 이전보다 낮은 값으로 변화하였다. 냉각시 정상 면저항의 감소는 온도에 선형적으로 비례함을 알 수 있었는데 이것은 박막내의 전기저항이 electron-phonon scattering 현상으로 인해 나타나는 것을 의미한다.
온도가 증가되는 동안, 저온 냉각장비는 액체헬륨 안에 잠겨있었으며 , 4.2 K로 유지되는 저온 냉각장비의 벽에 의한 cryopumping 효과로 인해 실험 중 항상 진공상태가 유지되어 열처리 중 유발될 수 있는 박막의 오염을 방지할 수 있었다. 박막의 온도가 증가하는 동안, standard 4 terminal DC와 AC transport 측정방법을 통해 박막의 정상 면저항이 측정되었으며 , 비교를 위해 250 K에서 10K까지 박막의 온도를 감소시키면서도 박막의 면저항이 측정되었다.
박막의 경우, platelet 모양의 Pb 결정립으로 구성되어 있다. 평균 Pb 결정립 크기는 지름 20nm이며, 평균 높이는 4.1 nm이었으며, 각각의 결정립 간의 거리는 1.2 nm인 것으로 관찰되었다. 두께에 따른 Pb 박막 표면의 in situ STM 이미지분석에 따르면 박막의 두께가 3nm일 경우, Pb 결정립들은 75 %의 HOPG 표면을 뒤덮고 있으며, 박막 두께가 6.

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