초록 ▼

Y?Ba?Cu?O???(YBCO)와 같은 고온초전도 박막은 evaporation sputtering, laser ablation, MO-CVD 등 여러가지 방법에 의해 형성될 수 있는데, 양질의 박막을 얻기 위해서는 주로 자신과 lattice matching이 잘되는 단결정(SrTiO?, MgO, LaAlO?등)을 가열하여 기판으로 사용한다. 박막이 electronic device로서 사용되기 위한 기본적인 형태는

Y?Ba?Cu?O???(YBCO)와 같은 고온초전도 박막은 evaporation sputtering, laser ablation, MO-CVD 등 여러가지 방법에 의해 형성될 수 있는데, 양질의 박막을 얻기 위해서는 주로 자신과 lattice matching이 잘되는 단결정(SrTiO?, MgO, LaAlO?등)을 가열하여 기판으로 사용한다. 박막이 electronic device로서 사용되기 위한 기본적인 형태는 SIS(Superconductor-Insulator-Superconductor) 또는 SNS(Superconductor-Normalmetal-Superconductor) 형태의 접합, 즉 Josephson trnneling junction을 이루도록 하여야 한다. 박막 형태의 Josephson junction은 micro-bridge junction, edge-junction, bicrystal grain boundary junction, multiple layered junction 등의 여러가지 형태를 가지고 있을 수 있으나, 그 중 well defined된 junction을 얻기 위해서는 SIS 또는 SNS의 삼중박막 형태의 접합 연구가 중요하다고 보여진다. 삼중박막을 통한 Josephson junction을 제작하는 데에는 우선 몇가지 문제점을 해결하여야 되는데, 우선 YBCO 고온초전도체는 매우 짧은 coherence length를 갖고 있기 때문에 (a, b축 : ∼20Å, c축 : ＜10Å) 중간의 tunneling layer가 coherence length 정도로 얇아야 하면서도 완전하게 그 면이 연속적이 되도록 해야한다는 것이다. 이렇게 하기 위해서는 박막이 후열처리(post annealing) 과정없이 in-sifu로 grain이 없이 제작이 되면서 YBCO의 초전도 구조로 형성되어져야 한다. 왜냐하면 900℃ 정도의 높은 온도에서의 후 열처리 과정은 크기가 미크론 내외의 grain을 생기게 하고 이는 수심Å의 얇은 중간 tunneling layer가 있는 삼중박막의 제작에는 치명적인 영향을 주기 때문이다. 또한 in-situ로 삼중박막을 형성시킬때에는 가능한 기판온도를 낮춰서 중간층의 YBCO층과의 inter-diffusion의 가능성을 줄여야 하나, 너무 낮은 기판온도는 YBCO의 구조 형성을 어렵게 한다. 한편, 비교적 낮은 온도에서의 in-situ 박막형성은 고온 초전도 박막형성에 필수적인 산소를 적절한 방법으로 활성화 시켜서 주입하여야만 가능하다. 본 실험에서는 기판온도 ∼600℃의 SrTiO?(100) 단결정에 oxygen atomic beam assisted co-evaporation 방법 또는 ∼700℃의 기판에 DC-Sputtering 방법으로 YBCO 박막을 in-situ로 제작하였다. co-evaporation일 경우의 oxygen atom beam은 ECR(Electron Cyclotron Resonance)을 이용하여 3×10?? atoms/㎠sec이상의 flux을 얻어 시료제작이 가능하였으며 Y, Pr, Ba, Cu의 각 금속의 증발은 QCM(Quartz Crystal Microbalance)에 의해 독립적으로 monitor하였다. 또한 DC-sputtering인 경우에는 가능한 한 plasma를 confine 시킬 수 있는 구조를 설계하므로써 비교적 간편하게 YBCO 박막을 in-situ로 제작할 수 있었다. 제작된 박막은 EDX(Energy Dispersive X-ray)와 RBS(Rutherford Backscattering) 방법에 의해 조성비 및 두께를 측정하였으며 박막의 결정 상태 및 방향은 XRD(X-ray Diffraction)에 의해 확인하였다. 또한 박막의 표면에 대한 morphology는 SEM(Scanning Electron Microscope) 및 광학현미경에 의해 관측하였다. 위에서와 같은 방법으로 calibration 된 조건을 기초로 하여 삼중박막을 제작할 수 있었는데, co-evaporation 방법으로 제작된 YBCO/PrBCO/YBCO 삼중박막에서는 기판온도를 580℃ PrBCO층의 두께를 50Å∼300Å로 변화시켜 그 특성을 조사해 보았으며 YBCO/Y?O?/YBCO 삼중박막에서는 기판온도를 590℃∼605℃, Y?O?층의 두께를 50Å∼80Å으로 변화시키면서 그 박막의 특성을 살펴보았다. 또한 DC-sputtering에 의해서는 조성비를 맞춘 target를 이용하여 Ar과 O?을 혼합하여 (비율;2:1), 총압력 300mT, 기판온도를 630℃에서 740℃까지 변화시키면서 박막을 제작하였다. 이와 같은 조건에서 제작된 삼중 박막은 중간의 tunneling layer를 통과하는 횡단전류-전압 특성의 온도 및 자장의 방향에 대한 변화 등을 측정 분석하므로써 중간층의 미세구조를 간접적으로 이해하여 하였는데, 2차원적으로 연속적인 얇은 두께의 tunneling layer를 얻을 수는 없었다. 이것은 제작 조건이 박막 형성 mechanism에 어떤 영향을 미치는 가를 연구하므로써 개선될 수 있을 것이다. 한편, 완전히 gain들이 없는 flat한 양질의 박막을 얻기 위해서는 atomic layer-by-layer 구조를 갖는 epitaxial growing된 시료의 제작이 중요하게 되는데 이것은 YBCO가 층상 구조를 갖기 때문이다. 따라서, 이를 통한 삼중박막으 제작을 시도하여 보았다. 그러나, 어떤 방법으로든 atomic layer by layer 방법에 의해 시료가 제작되었다해도 실제로 layered 되어있는지는 직접적인 확인이 중요하게 된다. 이것은 각 층에 수직한 c측에 대한 coherence length가 수 Å 이하로 매우 짧기 때문에 c축 성장을 이용하는 Josephson junction에서의 tunneling layer가 수 Å 정도로 매우 얇아야 할 것을 요구하므로 각 층들이 완전히 얇은 층상으로 coverage 되어있는지를 확인하여야 한다. 이를 위해서는 in-situ로 시료에 대한 표면 분석이 필요하게 되는데 보통의 경우 RHEED를 이용하기도 하나 이것은 주변에서 electric or magnetic field를 이용하기가 곤란하다. 따라서, 본 실험의 in-situ의 표면 분석을 위하여 XPS 및 LEED가 장착된 UHV chamber와 시료 제작을 위한 chamber를 연결, 증착된 시료를 in-situ로 UHV chamber에 옮긴 후 표면에서의 원자층의 상태, 불순물, 격자구조 및 성분비 등을 분석하려 하였다. 이것은 다층박막을 이용한 tunnel junction에서의 tunneling layer의 미세구조를 알기 위한 적극적이고도 직접적인 방법이므로 앞으로의 다층 tunnel junction 제작에 대한 방향 제시가 가능할 것으로 기대된다.

목차 Contents

• 1. 서론...11
• 2. 이론...15
• 2.1 YBCO의 격자 및 전기적 구조...15
• 2.2 YBCO의 초전도성...19
• 3. 실험방법...23
• 3.1 실험장치...23
• 3.2 calibration...32
• 3.3 YBCO 박막의 성장 및 측정...35
• 3.4 YBCO/PBCO/YBCO 삼중박막의 제작 및 측정...36
• 3.5 YBCO/$Y_2O_3$/YBCO 삼중박막의 제작 및 측정...38
• 3.6 Atomic layer by layer 방법에 의한 YBCO의제작...38
• 3.7 DC-Sputtering 방법에 의한 YBCO/MgO/YBCO 삼중박막의 제작 및 측정...39
• 3.8 YBCO 시료의 XPS 관찰...41
• 4. 측정결과 및 고찰...43
• 4.1 YBCO 고온 초전도 박막의 측정 및 평가...43
• 4.2 YBCO/PrBCO/YBCO 삼중박막의 I-V 특성...49
• 4.3 YBCO/Y2O3/YBCO 삼중박막의 I-V 특성...56
• 4.4 Atomic layer by layer 방법에 의한 YBCO 박막의 특성 및 XPS 관찰...69
• 4.5 DC-Sputtering 방법에 의해 제작된 YBCO/MgO/YBCO 삼중박막의 특성...74
• 5. 검토...93
• 6. 결론...94
• 7. Reference...95