[논문]RF-스퍼터링 기법으로 제작한 Fe3O4 박막에 Ta 기저층이 미치는 효과

국지현; 이년종; 배유정; 김태희

doi:10.4283/jkms.2015.25.2.043

초록
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$SiO_2$ 산화막이 제거되지 않은 Si(100) 기판 위에 실온에서 5 nm Ta과 5 nm MgO 기저층을 증착하고, 그 위에 RF 스퍼터링 기법으로 실온에서 약 35 nm 두께의 $Fe_3O_4$ 박막을 적층하였다. 진공 후열처리에 따라 향상된 $Fe_3O_4$ 박막의 결정성과 그에 따른 자기적 특성의 변화 양상을 관찰하였다. $500^{\circ}C$에서 1시간 동안 후열처리한 시료에 대해, 실온에서 강자성 특성을 보았을 뿐만 아니라, $Fe_3O_4$ 박막의 고유한 특성으로 알려진 Verwey 상전이 현상 또한 관찰되었다. 후열처리에 의해 MgO 박막 위에 적층된 $Fe_3O_4$에 미치는 Ta 기저층의 영향에 대해 Ta이 삽입되지 않은 경우와 비교하여 논의 할 것이다.

Abstract ▼ AI-Helper

$Si(100){\backslash}200nm$ $SiO_2{\backslash}5nm$ $Ta{\backslash}5nm$ $MgO{\backslash}35nm$ $Fe_3O_4$ multi-layers were prepared by using RF-sputtering and ultra-high vacuum molecular beam epitaxy (UHV-MBE) techniques. After post-annealing the m...

$Si(100){\backslash}200nm$ $SiO_2{\backslash}5nm$ $Ta{\backslash}5nm$ $MgO{\backslash}35nm$ $Fe_3O_4$ multi-layers were prepared by using RF-sputtering and ultra-high vacuum molecular beam epitaxy (UHV-MBE) techniques. After post-annealing the multi-layers at $500^{\circ}C$ for 1 hour under the high vacuum of ${\sim}1{\times}10^{-6}Torr$, we observed ferromagnetic properties at room temperature as well as the Verwey transition which is the typical features of magnetite crystals formed. We have carried out a comparative study of the effect of Ta buffered layer on the crystallinity and magnetic properties of $Fe_3O_4$ thin films prepared under different growth and annealing conditions.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 수직 다층박막의 적층계면효과를 이용하여 이러한 Fe3O4 박막 제작에 새로운 방법을 제시하고자 한다.
최근 스퍼터링 기법으로 제작된 Fe/MgO/Fe과 CoFeB/MgO/CoFeB 터널접합구조에서 후열처리 과정에서 발생되는 Ta 기저층의 상전이에 의해 준 정합구조의 형성에 대한 연구는 나노스케일에서 발현되는 적층계면특성의 중요성에 대해 시사하는 바가 크다[7, 8]. 이 원리를 Fe₃O₄ 박막에 적용하여 기존의 Fe₃O₄ 박막제조에서 요구되던 고온 열처리과정 없이 Fe₃O₄ 고유 물성의 재현 가능성을 모색해 보고자 한다.

제안 방법

SiO2 산화막이 제거되지 않은 Si(100) 기판 위에 나노스케일의 Ta, MgO, Fe3O4를 실온(300 K)에서 연속적으로 증착한 뒤, 1시간 정도의 진공 후열처리 과정을 통해 산화물 MgO와 Fe3O4 박막에 유도되는 결정성과 그에 따른 자기적 특성의 변화를 탐구하였다.
이들 시료는 앞서 소개된 Ta이 삽입된 시료들과 마찬가지로 동일한 후열처리를 거쳐 그 구조적, 자기적 특성을 X선 회절 분석법(X-Ray Diffractometer, XRD)과 진동자력계(Vibrating Sample Magnetometer, VSM) 등을 이용하여 연구하였다.
1 × 10−6Torr에 이르는 진공 하에서 1시간 동안 300, 400, 500oC에서 후열처리가 진행되었다.
Si(100)\200 nm SiO2\5 nm Ta\5 nm MgO\35 nm Fe3O4 다층 박막을 RF-스퍼터링과 초고진공 분자빔 증착 기법으로 실온에서 제작하였다.
Si(100)\200 nm SiO2\5 nm Ta\5 nm MgO\35 nm Fe3O4 다층박막의 후열처리에 따른 구조적, 자기적 특성 변화를 관찰하였다.
Ta 기저층의 효과를 검증하기 위해 화학적 에칭으로 산화층이 제거된 Si(100) 위에 초고진공 분자빔증착 기법으로 에피성장된 MgO(001) 위에 RF 스퍼터링 기법으로 35 nm 두께의 Fe3O4 박막을 실온에서 적층하였다(Sample 1).
또한, 4극-탐침기법(4-Point Probe Technique)을 이용하여 Fe3O4 박막의 전기적 특성을 연구하였다.
모든 박막의 두께는 표면 프로파일러, Veeco DEKTAK 150을 이용하여 측정하였으며, 선택된 일부 시료에 한해 원자 힘 현미경(Atomic Force Microscopy, AFM)으로 표면구조 분석을 진행하였다.
본 연구에서는 MgO와 Ta 기저층의 특성을 고려하여 열처리는 500oC를 넘지 않도록 제한하였다.

데이터처리

제작된 모든 시료에 대해 VSM을 이용하여 자기적 특성을 분석하였다.

성능/효과

(b)) 상대적으로 작고 고른 크기의 Fe3O4 알갱이들이 형성되었고 Si(100)\ MgO(100) 위에 성장된 Fe3O4 경우는 500oC 열처리 이후 약 100~200 nm 직경의 클러스터(cluster) 형성으로 매우 거친 표면이 형성되었음을 보여준다.
1) 후열처리 이후 상대적으로 우세한 결정성이 관찰되었으나, 주목할 만한 것은 상대적으로 우수한 MgO 결정성이 Fe3O4의 결정성을 유도하지 못했다는 것이다.
이 연구 결과는 이상적인 마그네타이트 Fe3O4 박막의 자기적 특성과는 다소 차이가 있으나 나노스케일의 다층박막구조에서 발현되는 적층계면 특성을 활용하여, 즉 Ta 박막의 결정화 과정에 의해 유도된 Fe3O4 박막 형성을 새로이 제안하였다는 점에서 시사하는 바가 크다.
후열처리 과정에 의한 다층박막의 적층계면 효과를 기반으로 Ta 기저층이 Fe3O4 박막에 미치는 영향을 보다 우세한 결정성을 띄는 MgO(100) 위에 적층된 Fe3O4 박막의 특성과 비교하여, 500 oC 진공 후열처리에 의해 Fe3O4 박막이 형성되었음을 확인하였다.

후속연구

스핀트로닉스 소자로 활용되기 위해 Fe3O4 박막 특성의 최적화에 대한 후속 연구가 진행 중이다.
저항의 온도 의존성을 측정하여 Verwey 상전이 존재 여부를 확인 함으로서, 마그네타이트를 다른 유사 산화철 화합물들과 구별하는 결정적 판단 근거로 활용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Si(100) nm SiO2? nm Ta? nm MgO? nm Fe3O4 다층박막의 후열처리에 따른 구조적, 자기적 특성 변화를 관찰하였을때 이 연구 결과가 시사하는 바가 큰 이유는?	후열처리 과정에 의한 다층박막의 적층계면 효과를 기반으로 Ta 기저층이 Fe3O4 박막에 미치는 영향을 보다 우세한 결정성을 띄는 MgO(100) 위에 적층된 Fe3O4 박막의 특성과 비교하여, 500 oC 진공 후열처리에 의해 Fe3O4 박막이 형성되었음을 확인하였다. 이 연구 결과는 이상적인 마그네타이트 Fe3O4 박막의 자기적 특성과는 다소 차이가 있으나 나노스케일의 다층박막구조에서 발현되는 적층계면 특성을 활용하여, 즉 Ta 박막의 결정화 과정에 의해 유도된 Fe3O4 박막 형성을 새로이 제안하였다는 점에서 시사하는 바가 크다. 스핀트로닉스 소자로 활용되기 위해 Fe3O4 박막 특성의 최적화에 대한 후속 연구가 진행 중이다.
	마그네타이트 Fe3O4는 어떤 소자인가?	마그네타이트 Fe3O4는 높은 자기모멘트와 함께 큐리온도 또한 높아 비휘발성 자기기록소자 등 스핀트로닉스 소자로의 우수한 활용뿐만 아니라 인체에도 무해하여 바이오 소자로 폭 넓은 산업적 응용성을 제공하므로 높은 관심을 받고 있는 물질이다. 마그네타이트(Magnetite, Fe3O4)는 헤마타이트(Hematite, α-Fe2O3), 마그헤마타이트(Maghemite, γ-Fe2O3), 뷔스타이트(Wustite, FeO) 등과 같은 산화철의 일종으로 마그네타이트의 화학식은 Fe3+[Fe2+Fe3+]O4이며, 문헌적으로 858 K의 높은 큐리온도를 갖는 안정한 물질로 익히 알려져 있다.
	마그네타이트의 화학식은?	마그네타이트 Fe3O4는 높은 자기모멘트와 함께 큐리온도 또한 높아 비휘발성 자기기록소자 등 스핀트로닉스 소자로의 우수한 활용뿐만 아니라 인체에도 무해하여 바이오 소자로 폭 넓은 산업적 응용성을 제공하므로 높은 관심을 받고 있는 물질이다. 마그네타이트(Magnetite, Fe3O4)는 헤마타이트(Hematite, α-Fe2O3), 마그헤마타이트(Maghemite, γ-Fe2O3), 뷔스타이트(Wustite, FeO) 등과 같은 산화철의 일종으로 마그네타이트의 화학식은 Fe3+[Fe2+Fe3+]O4이며, 문헌적으로 858 K의 높은 큐리온도를 갖는 안정한 물질로 익히 알려져 있다. 벌크(Bulk)의 경우 4K에서 98 emu/g의 높은 자기모멘트를 보이며, 단결정 마그네타이트의 경우 비저항은 300 K에서 약 2 × 10−2Ω · cm 정도로 낮은 금속성을 보이지만 120 K 근처의 온도에서 단결정 마그네타이트는 급격하게 저항이 증가하는, 일명 Verwey 상전이라 일컬어지는 금속-절연체 상전이 현상을 보인다[1-6].

참고문헌 (14)

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