[논문]동시증착법에 의해 성장된 붕화마그네슘 박막의 증착속도에 따른 효과

박성창; 강성구; 정대길; 정준기; 임영진; 김찬중; 김철진

동시증착법에 의해 성장된 붕화마그네슘 박막의 증착속도에 따른 효과
Effect of Deposition Rate on $MgB_2$ Thin Films Growth by Co-deposition Method 원문보기

Magnesium diboride ($MgB_2$) is an inexpensive and simple superconductor. This material was first synthesized and its structure confirmed in 1953 but its superconducting properties were not discovered until 2001 when they caused great excitement. In this study, superconducting $MgB_2$ thin films on the r-$Al_{2}O_3$ substrates have been grown by the combination of radio frequency magnetron sputtering of B and thermal evaporation of Mg. The deposition conditions were varied by changing deposition rate. Before the co-deposition of Mg and B, the deposition rates of each element have been measured separately. The $MgB_2$ layers had 400nm in thickness and superconducting transition temperatures have been measured around $\sim$38.6K. Superconducting properties have been measured by PPMS, XRD, and SEM.

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문제 정의

본 논문에서는 스퍼터를 이용하여 기판에 B를 증착시키면서 동시에 열증발기를 이용하여 Mg를 증발시켜 최종적으로 MgB2 박막을 형성하고자 하였다.

제안 방법

MgB2 박막을 형성하기 위해 아르곤 가스 분위기에서 기판온도를 800 ℃로 유지하면서 증착속도를 조절하여 실험하였다.
Mg와 B의 증착속도에 따른 두께변화를 관찰한 값을 Table 1에 나타내었다. 비교실험을 위해 Mg의 증착속도가 초당 0.7, 10, 16.5 Å인 경우를 선택하여 각각의 박막에 대한 분석을 행하였다.
박막을 형성하고자 하였다. 이때 Mg와 B의 증착속도를 조절함에 따라 형성되는 상을 관찰하고 분석하였다.
MgB₂박막을 형성하기 위해 아르곤 가스 분위기에서 기판온도를 800 ℃로 유지하면서 증착속도를 조절하여 실험하였다. 제조된 MgB₂박막은 GADDS (General Area Detector Diffraction System, Bruker)를 가진 D8 DISCOVER XRD분석기기를 사용하여 특성분석을 하였으며, MgB₂박막의 표면 형상과 두께등은 Scanning Electron Microscopy (SEM, JEOL JSM-6400, Japan)를 사용하여 관찰하였다. 또한 제조된 MgB₂박막의 임계온도는 Quantum Design사의 PPMS 9 T를 사용하여 분석하였다.
직접 제조한 B 타겟 (지름 50 mm, 두께5 mm)을 스퍼터링 타겟홀더에 장착한 다음 100-200 W 범위로 B를 증착시킴과 동시에 Mg 호일로 만든 꼬깔 모양의 가이드를 가진 열 증발기로 Mg 블럭을 증발시켜 동시증착으로 MgB₂박막을 제조하였다. 사용된 기판은 r-A₂O₃기판으로 증착하기 전에 산소로 인한 오염을 방지하기 위해 챔버내의 공기를 5 × 10^-7 torr 까지 배출하였다.
특히 PIT(powder-in-tube)공정[2-5]으로 제조된 선재를 이용하여 높은 자장을 형성시키는 자석을 제조하기 위하여 Pancake coil[6,7]을 만들고, 0.5 T의 자장하에서 17.4 K, 275 A의 특성을 가지는 초전도 자석을 제조하였다. 이외에도 MgB₂초전도체를 이용한 MRI용 자석[8]을 개발하기 위한 연구도 진행되고 있다.

대상 데이터

사용된 기판은 r-A2O3기판으로 증착하기 전에 산소로 인한 오염을 방지하기 위해 챔버내의 공기를 5 × 10-7 torr 까지 배출하였다.

이론/모형

또한 제조된 MgB2 박막의 임계온도는 Quantum Design사의 PPMS 9 T를 사용하여 분석하였다.

성능/효과

5) XRD 분석에 의하면 소량의 MgB₁₂상도 잔존하는 것으로 나타났다. 전체적으로 조직이 치밀해 보이지만, B의 스퍼터링에 의해 기판표면에 존재하는 B 와 Mg 증발시의 Mg량 등이 전체적으로 균일하지 못하여 MgB₂성장시에 표면 불균일에 의해 성장속도가 달라지며, 이때 형성된 MgB₂입자의 크기가 균일 하지 못하여, 입계사이에 미세한 틈이 나타남을 알수 있었다.

후속연구

또한 박막 형성시 MgB₂상 외에 MgB₁₂나 MgO와 같은 이차상도 나타났으며, 이를 줄이기 위해서는 증착 전 후에 존재하는 산소량을 최소화하는 방안이 필요하다. 추후 산소흡착 필터를 사용하여 아르곤 가스 내에 존재하는 산소를 최소화하여 실험을 진행할 예정이며, 제조된 시편의 임계전류도 측정할 예정이다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

PIT공정으로 제조된 선재를 이용하여 높은 자장을 형성시키는 자석을 제조하기 위하여 무엇을 제조하였는가?

특히 PIT(powder-in-tube)공정[2-5]으로 제조된 선재를 이용하여 높은 자장을 형성시키는 자석을 제조하기 위하여 Pancake coil[6,7]을 만들고, 0.5 T 의 자장하에서 17.4 K, 275 A의 특성을 가지는 초전도 자석을 제조하였다. 이외에도 MgB2 초전도체를 이용한 MRI용 자석[8]을 개발하기 위한 연구도 진행되고 있다.

초전도 현상이란 무엇인가?

초전도 현상이란 임계온도 (Critical Temper ature, Tc) 이하에서 전기저항이 0이 되며 반자성을 나타내는 것을 의미하며, 1911년 K. Onnes는 수은(Hg) 이 4.

Mg로 박막 형성 시 나타나는 이차상을 줄이기 위해 무엇이 필요한가?

6 K의 임계온도를 가지는 초전도박막이 만들어졌다. 또한 박막 형성시 MgB2 상 외에 MgB12 나 MgO와 같은 이차상도 나타났으며, 이를 줄이기 위해서는 증착 전 후에 존재하는 산소량을 최소화하는 방안이 필요하다. 추후 산소흡착 필터를 사용하여 아르곤 가스 내에 존재하는 산소를 최소화하여 실험을 진행할 예정이며, 제조된 시편의 임계전류도 측정할 예정이다.

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