초록 ▼

4.1 Mn이 첨가된 ZnO박막의 강자성 특성연구
DMS (Diluted Magnetic Semiconductor)는 스핀트로닉스의 한 분야로서 II-VI족 혹은 III-V족의 II족, III족 원소들의 일부가 전이 금속인 Fe, Co, Mn, Ni 등에 의해 치환된 화합물 반도체로서 전이 금속 이온의 스핀들과 밴드 전자들의 상호 작용으로 인해 자기적 특성을 갖는 반도체이다. 외부 전기, 자기장에 의해 band-gap의 조절이 가능하고 도핑에 의해 캐리어의 농도를 변화시킴으로서 재료내의 자기적 성질을 변화시킬 수 있다. 이런

4.1 Mn이 첨가된 ZnO박막의 강자성 특성연구
DMS (Diluted Magnetic Semiconductor)는 스핀트로닉스의 한 분야로서 II-VI족 혹은 III-V족의 II족, III족 원소들의 일부가 전이 금속인 Fe, Co, Mn, Ni 등에 의해 치환된 화합물 반도체로서 전이 금속 이온의 스핀들과 밴드 전자들의 상호 작용으로 인해 자기적 특성을 갖는 반도체이다. 외부 전기, 자기장에 의해 band-gap의 조절이 가능하고 도핑에 의해 캐리어의 농도를 변화시킴으로서 재료내의 자기적 성질을 변화시킬 수 있다. 이런 독특한 특성으로 인해 DMS는 지난 20년 동안 자기, 광학적 재료로서 많은 주목을 받아 왔으며, 특히 90년대에 들어 MBE (molecular beam epitaxy)나 MOCVD (metal organic chemical vapor deposition) 방법의 발달로 인해 열역학적으로 비평형 상태에서의 박막 성장이 가능하게 됨으로써 화합물 내에 한계 고용도 이상의 도핑을 할 수 있게 되었다.
이러한 자성반도체 연구에서 중요한 것은 상온에서 강자성 특성을 보이는 자성반도체 박막 성장인데 현재까지 Co (cobalt)를 첨가한 ZnO 에피박막에서 상온에서 강자성 현상을 보이는 보고가 있다. 하지만 Co 클러스터 (cluster)에 의하여 강자성 현상을 나타낼 수 있다는 이의가 제기 되면서 이에 대한 명확한 규명이 필요한 실정이다. 이와는 대조적으로, Mn (Mangan)을 첨가하여 성장시킨 ZnMnO 에피박막에서 강자성 현상을 발견하였다. 성장된 ZnMnO 에피박막에 대한 방사광가속기를 이용하여 분석하여 본 결과 Mn 클러스터로 인하여 강자성 특성이 나타나는 것이 아니라는 것을 규명하였다.
SQUID (superconducting quantum interference device)를 이용하여 Mn이 첨가된 ZnO 박막에 대하여 자성측정을 하였다. 5 K에서 측정한 M-H 곡선을 확인한 결과 Mn이 첨가된 ZnO 박막에서 강자성 현상을 발견하였다. 이러한 강자성 현상을 구체적으로 확인하기 위하여 M-T 측정을 해 본 결과 Mn이 30% 첨가된 ZnMnO 박막의 강자성 전이 온도가 약 45 K임을 확인하였다.
Mn이 첨가된 ZnO 박막의 Mn 도핑량에 따른 밴드갭을 확인한 결과 Mn 함유량이 증가할수록 밴드갭이 커지는 것을 확인하였다. Mn이 30% 첨가된 ZnMnO 박막의 경우 밴드갭이 약 4.1 eV 임을 알 수 있었다. 즉, ZnO 박막에 Mn을 첨가함으로서 밴드갭 조절이 가능하여 ZnO을 기반으로 하는 광소자 개발에 있어서 원천적인 연구가 가능하게 되었다.
4.2 /ZnO이종구조 나노막대의 제작및 자성특성 연구
전자빔증발장치를 이용하여 자성체/ZnO이종구조 나노막대를 제작하였고, 이러한 방법을 이용하여 Fe, Co, Ni 등 다양한 자성체를 ZnO 나노막대위에 제작하였다. 자성체의 두께는 5~50 nm로 임의로 두께를 조절할 수 있었다. Ni/ZnO 이종구조 나노막대의 SEM 이미지를 살펴보면 ZnO 나노막대 끝 부분에 선택적으로 Ni 자성층이 증착되는 것을 볼 수 있는데, 이는 그림자 효과 (shadow effect)로 인하여 Ni 증발원이 ZnO 나노 막대의 수직한 방향으로 향하기 때문에 ZnO 나노막대 끝 부분에 선택적으로 증착되기 때문이다. 방사광 가속기를 이용하여 나노막대 위에 성장시킨 자성체/ZnO 이종구조에 대하여 구조적인 분석을 하였다. 방사광 가속기를 이용하여 측정한 Ni/ZnO 이종구조 나노막대의 XRD θ-2θ scan 결과를 보면, 증착된 Ni 층은 [111] 방향으로 우선성장 되어 있는 것을 알 수 있다. 좀더 심층적인 구조 분석을 하기 위하여 TEM 측정을 하였다. TEM 측정결과 성장된 Ni층은 [111]방향으로 우선 성장되어 있고 Ni(111)면은 ZnO(0001) 면과 평행하게 성장되어 있는 것을 확인 할 수 있었다. 성장된 Ni(111)상과 ZnO(0001)상의 계면의 거칠기는 2~3 nm정도로 매우 우수한 것을 알 수 있었다. 계면 특성은 전기적 특성, 스핀 주입 및 이동현상에 많은 영향을 미치기 때문에 우수한 계면 특성을 갖는 이종구조 나노막대를 제작하는 것은 실제 소자제작에 있어서 매우 중요하다.
제작된 Ni/ZnO 이종구조 나노막대의 표면 및 자기적 특성을 알아보기 위하여 AFM (atomic force microscopy), MFM (magnetci force microscopy) 측정을 하였다. AFM, MFM 측정을 수행한 결과 자성체의 morphology가 균일하고 자기장을 걸어주지 않았을 때에도 강자성을 가지는 것을 볼 수 있었다. MFM 사진을 분석하여 본 결과 Ni 자성층의 자기력의 세기에 따라 색 분포를 달리 하는 것을 알 수 있었다.
Ni/ZnO 이종구조 나노막대의 자기적 특성을 알아보기 위하여 SQUID를 이용하여 5 K에서 상온까지 온도를 달리하여 알아보았다. Ni/ZnO 이종구조 나노막대의 M-H 곡선을 분석하여 본 결과 Ni/ZnO 이종구조 나노막대는 상온에서 강자성을 나타내는 것을 알 수 있었다. 일반적으로 자성체의 크기가 수십 nm 크기에서 초상자성을 나타내는 경향이 있는데, 이를 알아보기 위하여 자성체의 두께를 5 nm에서 50 nm 까지 두께를 달리하여 자기적인 특성을 조사하였다 . 자성체의 두께에 따른 자기이력곡선을 분석해 본 결과 Ni 자성층의 두께가 10 nm에서 5 nm로 작아짐에 따라 강자성에서 초상자성으로 전이함을 알 수 있었다. 즉, Ni 자성층이 임계 두께 이하에서 강자성을 가질 수 없는 초상자성 (superparamgnetism)을 가지는 것을 실험적으로 밝혀냈다.
초상자성 특성을 보이는 Ni 자성층의 두께가 5 nm 인, Ni/ZnO 이종구조 나노막대의 초상자성 전이온도를 알아보기 위하여 자기적 susceptivity 측정을 하였다. 초상자성 특성을 나타내는 blocking 온도는 약 65 K 이었다. 30 nm의 두께를 가지는 Ni/ZnO 이종구조 나노막대의 자기 이방성을 조사한 결과 자기적 결정 이방성이 두드러지게 나타났다.

Abstract ▼

In this project, we will concentrate our efforts on fabrication of high quality ferromagnetic semiconductor and ferromagnetic metal/semiconductor nanorod heterostructures for various functional spintronic devices. On the whole, this research field can be classified into three steps: (1) Fabrications

In this project, we will concentrate our efforts on fabrication of high quality ferromagnetic semiconductor and ferromagnetic metal/semiconductor nanorod heterostructures for various functional spintronic devices. On the whole, this research field can be classified into three steps: (1) Fabrications of ferromagnetic semiconductors and their characterizations, (2) Fabrications of ferromagnetic metal/semiconductor nanorod heterostructures and their magnetic characterizations for device applications

목차 Contents

• 요약문 ... 1
• SUMMARY ... 8
• 목차 ... 11
• Contents ... 12
• 표목차 ... 13
• 그림목차 ... 14
• 제1장 서론 ... 15
• 제1절 연구의 필요성 ... 15
• 1. 연구의 배경 및 전망 ... 17
• 2. 기대 효과 및 활용 방안 ... 18
• 3. 본 과제의 선행 연구 ... 19
• 제2장 본 론 ... 20
• 제1절 국내.외 기술개발 현황 및 개발 전략 ... 20
• 제2절 연구 내용 및 범위 ... 22
• 1. 연구 내용 ... 22
• 2. 연구 범위 ... 24
• 제3장 결 론 ... 25
• 제1절 기술개발 내용 및 결과 ... 25
• 1. Mn이 첨가된 ZnO박막의 강자성 특성 연구 ... 25
• 2. 자성체/ZnO이종구조 나노막대의 제작 및 자기성 특성 연구 ... 32
• 제2절 기술개발 목표 달성도 및 대외 기여도 ... 42