We fabricated the YBCO films on LAO substrate using the TFA-MOD method and evaluated the effects of heat treatment temperature and film thickness on the microstructure, degree of texture, and critical properties. The calcining and firing were peformed at the temperature range of $370^{\circ}C-4...
We fabricated the YBCO films on LAO substrate using the TFA-MOD method and evaluated the effects of heat treatment temperature and film thickness on the microstructure, degree of texture, and critical properties. The calcining and firing were peformed at the temperature range of $370^{\circ}C-460^{\circ}C\;and\;750^{\circ}C-800^{\circ}C$, respectively. For the films fired at $775^{\circ}C$ after calcining at $400^{\circ}C-430^{\circ}C$showed highest critical temperature (Tc-onset) of 89.5 K and critical current (Ic) of 40A/cm-width which corresponds to critical current density (Jc) of $1.8MA/cm^2$. The highest critical properties are probably attributed to the formation of purer YBCO phase, stronger biaxial texture, and higher oxygen content, according to the XRD, pole-figure, SEM, Raman analysis. From the multi-coated films, the Ic increased from 39 to 169 A/cm-width as the coating repeated to four times, while the corresponding Jc was measured from once to be in the range of $0.8-1.2MA/cm^2$. Both Ic and Jc degraded as the coating repeated further, indicating that the optimum thickness is in the range of $1.0{\mu}m-1.7{\mu}m$.
We fabricated the YBCO films on LAO substrate using the TFA-MOD method and evaluated the effects of heat treatment temperature and film thickness on the microstructure, degree of texture, and critical properties. The calcining and firing were peformed at the temperature range of $370^{\circ}C-460^{\circ}C\;and\;750^{\circ}C-800^{\circ}C$, respectively. For the films fired at $775^{\circ}C$ after calcining at $400^{\circ}C-430^{\circ}C$showed highest critical temperature (Tc-onset) of 89.5 K and critical current (Ic) of 40A/cm-width which corresponds to critical current density (Jc) of $1.8MA/cm^2$. The highest critical properties are probably attributed to the formation of purer YBCO phase, stronger biaxial texture, and higher oxygen content, according to the XRD, pole-figure, SEM, Raman analysis. From the multi-coated films, the Ic increased from 39 to 169 A/cm-width as the coating repeated to four times, while the corresponding Jc was measured from once to be in the range of $0.8-1.2MA/cm^2$. Both Ic and Jc degraded as the coating repeated further, indicating that the optimum thickness is in the range of $1.0{\mu}m-1.7{\mu}m$.
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문제 정의
또한, 열처리 온도가 제 2상 형성, 미세조직, 집합도에 미치는 영향과 박막두께 증가에 따른 집합도와 임계전류밀도 변화에 대한 체곈적인 연구보고가 부족한 편이다. 따라서 본 연구어[서는 열처리온도와 박막두께가 미세조직, 집합도, 초전도 임계특성에 미치는 영향을 체계적으로 확립하고자 하였다.
제안 방법
극점도 분석에서 in-plane 의 반가폭 (FWHM; full-width at half-maximum)을 측정하였다. 750 ℃, 775 ℃, 800 ℃ 에서 열처리한 박막의 in-plane 반가폭은 각각 5.8°, 5.2 °, 8.3 °이 며 out-of-plane 반가폭은 각각 6.1 °, 8.4 °, 6.7 °로 측정 되었다. 온도에 따른 반가폭의 차이는 2°-3° 범위로 크진 않으나 in-plane 과 out-of-plane 반가폭의 변화경향은 서로 일치하지 않으며 열처리 온도에 따라서도 일정하지 않게 나타났다.
그림 5에 나타냈다. Raman 분광분석은 박막 표면에서 입사 레이저와 관찰 방향이 수직인 xx/yy mode[16]를 이용하였으며 YBCO 박막의 산소함량, 2상 형성 등에 대한 정보를 간접적으로 알수 있다. 그림에서 YBCO 박막과 관련된 phonon 모드인 340 cm-1 (Big), 500 cm-1 (AO), 590 cm-1과 630 cm-1 (BC)의 3가지 Raman 모드가 관찰되었다.
5406 A인 Cu-Kai 선을 사용하여 ω는 0°-75°, 0는 0°-360° 범위에서 5° 간격으로 유지시간 1초로 측정하였다. YBCO 박막의 산소함량과 2상 정보를 얻기 위해 라만분광분석기 (micro Raman spectroscopy)를 사용하였으며, 1064 nm 파장과 50 mW 출력의 Nd-YAG 레이져 (laser)를 사용하여 300회 스캔 (scan) 하였다. 임계온도와 임계전류를 측정하기 위해 YBCO 박막위에 1 μm 두께로 은 (Ag)을 스퍼터링 (sputtering)하여 증착하였다.
9로 가장 우수한 강도값을 가지는 것으로 확인 되었다. 극점도 분석에서 in-plane 의 반가폭 (FWHM; full-width at half-maximum)을 측정하였다. 750 ℃, 775 ℃, 800 ℃ 에서 열처리한 박막의 in-plane 반가폭은 각각 5.
박막두께에 따른 임계전류 특성을 평가하기 위해 dip-coating과 하소 열처리를 1-5회 반복하여 박막두께를 증가시켰으며, 하소 및 상형성 열처리는 각각 400 ℃와 775 ℃로 하였다. 그림 8은 반복코팅한 박막들의 XRD 결과를 나타내었다.
박막을 증착하였다. 박막은 하소 및 상형성 열처리 온도와 박막두께를 변화하여 제조하였으며 미세조직, 집합도, 2상 형성, 임계특성 등을 평가하였다. 박막의 임계전류, 집합도, 산소함량, 결정립 크기와 방향성은 상형성 온도에 민감하게 영향을 받았으며, 400 ℃-430 ℃ 에서 하소하고 775 ℃ 에서 상형성한 박막에서 89.
박막의 두께증가에 대한 임계특성을 평가하기 위해 1-5회 반복코팅 하였다. 박막의 두께는 코팅횟수에 따라 선형적으로 증가하는 경향을 보였으며 측정된 임계전류는 1회 (0.
박막의 미세 조직을 관찰하기 위해 주사전자현미경 (SEM. XL-30, ESEM-FEG)을 이용하였으며, YBCO 박막의 상형성과 집합도 관찰은 X-ray goniometer (BRUKER-AXS, D8 DISCOVER)를 이용하여 극점도를 측정하여 분석하였으며, 파장이 1.5406 A인 Cu-Kai 선을 사용하여 ω는 0°-75°, 0는 0°-360° 범위에서 5° 간격으로 유지시간 1초로 측정하였다. YBCO 박막의 산소함량과 2상 정보를 얻기 위해 라만분광분석기 (micro Raman spectroscopy)를 사용하였으며, 1064 nm 파장과 50 mW 출력의 Nd-YAG 레이져 (laser)를 사용하여 300회 스캔 (scan) 하였다.
임계온도와 임계전류를 측정하기 위해 YBCO 박막위에 1 μm 두께로 은 (Ag)을 스퍼터링 (sputtering)하여 증착하였다. 임계온도는 온도조절기 (LakeShore, Model-330)와 헬륨 냉동기 (CTI-350)를 사용하여 30 K-120 K의 온도범위에서 4 단자법 (four-point probe)으로 인가전류 10 mA로 측정하였고, 임계전류도 동일한 방법으로 77 K, 0 T에서 1 μV/cm 기준으로 측정하였다.
전구체 용액을 코팅한 기판은 유기물 분해와 균일한 고상불화박막 형성을 위한 하소 열처리와, 집합조직을 가진 YBCO 박막을 형성하기 위한 상형성 열처리로 나누어 열처리 하였다. 하소 열처리는 370 1-460 ℃ 범위에서 30 ℃의 간격으로 수분을 포함한 산소 분위기에서 열처리 하였으며, 수분 분압 (PH2o) 12.
하소 및 상형성 온도에 따른 박막의 조성을 관찰하기 위하여 다양한 온도에서 박막을 열처리하고 XRD 패턴을 분석하였다. 그림 2(a)는 370 ℃ -460 ℃ 범위에서 30 ℃ 간격으로 하소한 후 775 ℃에서 상형성한 박막의 XRD 패턴이다.
대상 데이터
Y:Ba:Cu=l:2:3의 금속 이온비를 가지는 전구체용액을 제조하기 위해 Y-, Ba-, Cu-acetate (aidrich, 99.99 %)를 측량하여 TFA에 2 M의 농도가 되도록 용해하였다. Metal-acetate가 용해된 용액은 74 ℃에서 4 시간동안 환류 냉각한 후 잔류 아세트산과 TFA를 제거하기 위해 메탄올로 희석하고 감압증류를 3회 반복하여 청색 잔류물을 얻었으며 3 M의 농도가 되도록 메탄올을 첨가하여 전구체 용액을 제조하였다.
이론/모형
TFA-MOD 법을 이용하여 LAO 단결정 위에 YBCO 박막을 증착하였다. 박막은 하소 및 상형성 열처리 온도와 박막두께를 변화하여 제조하였으며 미세조직, 집합도, 2상 형성, 임계특성 등을 평가하였다.
성능/효과
반복코팅 횟수에 따른 임계전류 및 임계전류밀도를 그림 9(b)에 나타냈다. 39 A/cm-width의 임계전류가 측정된 1회 코팅한 박막에서 160 A/cm-width가 측정된 4회 반복코팅 박막까지 임계전류는 증가하는 경향을 보이다가 5회 반복 코팅한 박막에서 50 A/cm-width로 임계전류가 급격히 감소하는 경향을 보인다. 임계전류밀도는 1-4회 반복 코팅한 박막에서 0.
YBCO 박막은 모든 온도에서 양축정렬된 cube 집합조직이 형성되었고, 우수한 극점도 대칭성 (pole symmetry)을 가지는 것으로 관찰되었다. 또한, cube 집합조직 이외의 다른 성분 (minor texture component)은 관찰되지 않았다.
임계전류를 나타낸다. 가장 낮은 온도인 750 ℃ 에서 열처리한 박막의 경우 하소온도에 관계없이 모두 임계전류가 측정되지 않았으며 775 ℃에서 열처리한 박막의 경우 모든 하소온도에서 임계전류가 증가하여 가장 높은 값이 측정되었다. 그리고 800 ℃에서 열처리한 박막은 임계전류가 다소 감소하는 경향을 보인다.
1회, 2회, 3회, 4회, 5회 코팅 시 박막의 두께는. 각각 약 0.4 μm, 0.8 μm, 1.1 μm, 1.7 μm, 2.2 μm로 선형적으로 증가하는 경향이 관찰되었다. 반복코팅 횟수에 따른 임계전류 및 임계전류밀도를 그림 9(b)에 나타냈다.
또한, cube 집합조직 이외의 다른 성분 (minor texture component)은 관찰되지 않았다. 그러나 온도가 증가함에 따라 극점도 강도 (pole intensity)는 750 ℃와 800 ℃에서 상형성한 박막의 경우 각각 48.6과 40.9로 낮은 값을 가지며, 775 ℃ 에서 상형성한 박막에서 103.9로 가장 우수한 강도값을 가지는 것으로 확인 되었다. 극점도 분석에서 in-plane 의 반가폭 (FWHM; full-width at half-maximum)을 측정하였다.
반면에, 775 ℃-800 ℃ 범위에서 상형성한 박막은 YBCO (00Z)의 강도가 증가하였고 2상은 관찰되지 않아 YBCO 박막이 이 온도범위에서 (00Z) epitaxial 성장이 발달하고 대부분의 BaF2가 분해된 것으로 사료된다. 따라서 XRD 결과로부터 400 ℃ 이상의 하소온도와 775 ℃ 이상의 상형성 온도에서 우수한 c-축 배향성을 가지며 동시에 2상이 존재하지 않는 박막이 형성되는 것으로 판단된다.
즉, HF와 H2O는 각각 박막의 성장방향과 반대방향으로 확산되며, 박막은 이들의 확산에 의존하여 성장하게 되므로 박막의 두께가 증가하게 되면 HQ의 내부 확산이 불충분하게 되고, YBCO 박막의 성장이 제한적이며 BaF2등의 2 상은 완전히 분해되지 않고 박막 내에 잔류하여 임계특성을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 박막의 두께 증가에 대하여 충분한 H2O의 확산이 가능하도록 열처리 시간을 증가[21] 시키거나 가습분위기의 습도를 증가 [22] 시키는 방법으로 완전한 YBCO 상형성과 2상의 제거를 통해 임계전류특성의 저하를 최소화 할 수 있을 것으로 사료된다. 또한 두께증가에 따른 미세조직의 변형을 최소화시키기 위해 코팅용액에 DEA (diethanolamine)> 첨가하여 박막의 잔류응력을 제거하고 표면조도를 향상시킴으로써 반복 코팅한 박막의 미세조직을 균일하게 유지할 필요가 있는 것으로 판단된다[23].
400℃-460℃의 고온에서 하소한 박막들의 임계전류는 큰 변화가 없었으며, 40 A/cm-width의 임계전류와 L8 MA/cn?의 임계전류밀도 값이 가장 우수한 특성으로 측정되었다. 따라서 열처리온도에 대한 임계전류특성으로 미루어 400 ℃ 이상의 하소온도와 775 ℃의 상형성 온도에서 최적의 임계전류를 보이는 것을 알 수 있다.
모든 상형성 온도에서 박막표면에 미세균열(micro-crack)과 2상이나 불순물 등은 관찰되지 않았으나 온도에 따라 각기 다른 표면형태를 보였다. 그림 3(a)에 보이듯이 750 ℃에서 열처리한 시편의 경우 매우 작은 결정립이 형성되었고, 박막 전 영역에 걸쳐 a-축 결정립 (needle-shaped grains)들이 다수 관찰되었다.
박막은 하소 및 상형성 열처리 온도와 박막두께를 변화하여 제조하였으며 미세조직, 집합도, 2상 형성, 임계특성 등을 평가하였다. 박막의 임계전류, 집합도, 산소함량, 결정립 크기와 방향성은 상형성 온도에 민감하게 영향을 받았으며, 400 ℃-430 ℃ 에서 하소하고 775 ℃ 에서 상형성한 박막에서 89.5 K의 가장 높은 임계온도와 40 A/cm-width (Jc=L8 MA/cirf)의 임계전류가 측정되었다. 우수한 임계온도와 임계전류가 측정된 원인으로는 박막이 치밀하고, 우수한 집합도를 가지며, Ba-rich상과 같은 2상이 형성되지 않은 것과 관련이 있는 것으로'판단된다.
Muroga는 박막의 두께가 적정수준까지 증가하여도 임계전류밀도의 감소가 발생하지 않으며, 임계값 이상으로 두께가 증가되면 임계전류가 감소하는 경향을 가지는 것으로 보고하였다[28]. 본 연구에서는 코팅을 3회와 4회 반복한 경우, 즉 박막두께가 1.1 μm와 L7 μm인 시편에서 임계전류밀도와 임계전류가 각각 가장 높게 측정되었으며, 두께가 더욱 증가되면 임계전류특성은 감소되는 것으로 관찰되었다. 따라서 박막의 상형성과 집합도가 저하되지 않는 범위에서 박막의 두께를 증가시키면 임계전류특성을 효과적으로 향상시킬 수 있을 것이다.
후속연구
1 μm와 L7 μm인 시편에서 임계전류밀도와 임계전류가 각각 가장 높게 측정되었으며, 두께가 더욱 증가되면 임계전류특성은 감소되는 것으로 관찰되었다. 따라서 박막의 상형성과 집합도가 저하되지 않는 범위에서 박막의 두께를 증가시키면 임계전류특성을 효과적으로 향상시킬 수 있을 것이다.
열처리 온도가 800 ℃로 증가하면서 임계전류가 다시 감소하는 원인은 명확하게 이해되지 않고 있다. 즉, 800 ℃에서 열처리한 시편은 YBCO상의 형성정도, 집합도, 기공율 등의 미세조직이 775 ℃에서 '열처리한 시편과 유사하게 나타났으므로 임계전류값과 미세조직과의 연관성에 대해 추후 더 세밀하게 연구되어야 할 것으로 사료된다.
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