Ti-Getter Effects on Magnetic Properties of Ti0.96Co0.02Fe0.02O2

(1)

−

109

⁻

Ti-Getter가 Ti

_0.96

Co

_0.02

Fe

_0.02

O

₂

의 자기적 특성에 미치는 영향

남효덕

영남대학교 전자공학과, 경북 경산시 대동 214-1, 712-749

김성진·백종근·이상률·박철수·김응찬^*

영남대학교 물리학과, 경북 경산시 대동 214-1, 712-749 (2008년 1월 15일 받음, 2008년 1월 28일 최종수정본 받음)

Solid State Reaction

법으로

Ti

^0.96

Co

^0.02

Fe

^0.02

O

²시료를제조하였다

.

각각의시료를

870

^o

C, 900

^o

C, 930

^o

C

로

24

시간열처리하였 다

.

이때

Ti-getter

의유무를통해각각의 온도에서

Ti-getter

에따라시료의 특성이어떻게변화하는지관찰하고자 한다

.

제작된 시료의 구조분석을위해시료의 분말회절실험을 실시하였다

. VSM

^을^이용하여 ^시료의^자성을 ^측정하고

,

^{금속이온의} ^형태와^시

료 내에서

cluster

로존재하는지 여부를 조사하기 위해

TEM

과

SEM, EDS

실험을 하였다

. XRD pattern

분석결과

,

결정구조는

tetragonal

구조로써

,

순수한

Rutil-TiO

²상이주를 이루며

, 2

차상으로는

getter

가없을때는

Fe

²

TiO

⁵

,

있을때는

Fe

가관측되었다

.

시 료의 자성을 측정한 결과

, getter

가 없을 때는

870

^o

C

일 때 자화값은 약

0.025

µ

B/CoFe

정도로 강자성을 보이지만

, 900

^o

C

와

930

^o

C

^에서는 ^강자성을 ^보이지 ^않는다

. Ti-getter

^가^있을 ^때의 ^자화값은

870

^o

C

^에서는 ^약

1.1

^µ

B/CoFe, 900

^o

C

^와

930

^o

C

^일^때는

1.5

µ

B/CoFe

정도로 강자성을 보인다

.

이러한 자성의 차이는

Ti-getter

의 유무에 따른

2

차상의 차이로 결정된 것으로 보인다

.

Titanium

이고온에서 산소와질소

,

공기속의 수분과쉽게결합하는성질을가지고 있기때문에이것을이용하면좀더낮은산

소분압을 얻을수있다

.

시료의 산소분압에따라 자화값이나원자구조의 변화에상당한 영향을받게 되어시료의 특성이다르 게나타나는것을확인할수있다

. TEM

^과

SEM, EDS

^{실험결과에서는}

Co

^와

Fe

^가^골고루^분포하는^영역이^있는가^하면

Ti

^만^관

측되는 부분도존재했다

.

시료의

Co

와

Fe

가시료전체에 골고루퍼져있는 것이 아니라부분적으로 분포하고있음을 확인할수 있다

.

주제어

: XRD, VSM, Ti-getter, rutile, Ti

0.96

Co

0.02

Fe

0.02

O

2

I. 서 론

전자의전하를이용한반도체는정보처리

,

통신

,

신호제어 등여러 정보 통신분야에서성공적으로이용되어왔다

.

^스핀

을이용한 자성체 또한 자기기록매체로이용되어 정보 기술 분야에있어 중요한역할을 담당해왔다

.

^하지만 ^정보기술^분

야의비약적인발달로기존의반도체및자성체소자들은물 리적

,

^기술적^한계에^부딪히게^되었다

.

^새로운^{소자개발이}^절

실히요구되면서지금까지중요한기능을담당해오던반도체 와자성체 소자의 특성을 좀더 효율적으로활용하고자 전자 의전하와스핀을동시에활용하는스핀트로닉스

[1]

가생겨나 게되었다

.

스핀트로닉스는전자의자기적회전을뜻하는스핀

(spin)

과 전자공학

(electronics)

^의^합성어로

,

^자기장을 ^이용해^전자와^그

전자의 스핀 방향을 원하는 대로 제어하는 기술로

,

이기술 이현실화되면 현재의메모리반도체보다훨씬많은 양의정 보를 저장할 수 있고

,

정보처리와 정보저장을 동시에 할수 있어 미래정보혁명을 실현시킬 수있는주요 기술 중하나

이다

[2-4].

이들 중한분야가 자성을띄면서 반도체 특성을 갖는묽 은 자성 반도체

(diluted magnetic semiconductor: DMS)

로 기본 원리와 응용적인 면에서 주도적인 역할을 담당할것으

로 예상된다

.

특히 산화물 묽은 자성 반도체

(Oxide-diluted

magnetic semiconductors: O-DMS)

^는^전기적

,

^광학적 ^장점과

상온 강자성 반도체

[5-10]

가

wide bandgap

반도체에서가능 하다는 이론적 연구보고에 따라 활기를 띠는 분야이다

. O-DMS

는

TiO

2

, ZnO, SnO

2

, Cu

2

O, TiO

3 등을 기본물질로 하고

,

^여러 ^가지 ^전이 ^금속을 ^불순물로 ^도핑 ^시켜 ^만들 ^수

있다

.

본 실험에서는

Host

^물질로

TiO

²^를 ^사용하고 ^여기에 ^두

가지 전이금속인

Fe

와

Co

를 첨가하여 열처리 온도와

Ti- getter

^유무와 ^양에 ^따른

Ti

^0.96

Co

^0.02

Fe

^0.02

O

²^의 ^자기적 ^특성을

알아보고자 한다

.

II. 실 험

Ti

0.96

Co

0.02

Fe

0.02

O

2 시료를 직접 합성법으로 제조하였다

. TiO

²^와

CoO,

^그리고

Fe

²

O

³^를^적정 ^당량비로^혼합하여 ^약

1 *Tel: (053) 810-2343, E-mail: [email protected]

(2)

시간 동안

alcohol

^을 ^용매로 ^하여 ^충분히

milling

^하였다

.

^잘

섞인분말을 석영관에넣은 다음

Ti-getter

을넣어준후진공

을잡는다

.

^이때 ^석영관 ^내의 ^압력은 ^약

10

⁻⁵

Torr

^정도이다

. Ti-getter

는직경이

6 mm,

두께가

2 mm

를넣어 실험을 진행

했고

, Ti-getter

^가^시료에^미치는^영향을^좀더^확실히^알기^위

해

Ti-getter

를넣지 않은 실험도 진행하였다

. Ti-getter

을 넣

어주는이유는

Titanium

^이^고온에서^산소와^질소

,

^공기 ^속의

수분과쉽게결합하는성질을가지고있기때문에이것을이 용하면좀더 낮은산소분압을얻을 수있기 때문이다

.

^그^동

안의 연구결과를 봤을 때 시료의 제조에서는 진공도 즉

,

산 소분압이상당히중요하게나타나는데산소분압에따라자화 값이나원자구조의변화에상당한영향을받게된다는것을 알수있다

.

^진공 ^하의 ^시료를 ^봉인한 ^후^분말을 ^열처리 ^하

였다

. 12

시간 동안 각각

870

^o

C~930

^o

C

까지 온도를 올린 다 음

24

시간동안 열처리를한후다시

12

시간 동안실온까지 온도를내렸다

.

제조된 시료의 구조 분석은

RIGAKU

사의

X-ray diffract meter

를 이용하였다

.

특성

X

선은

Cu-K

α

(

λ

= 1.5406 Å)

이었 으며

continuous scan

법으로

6

^o

min

로

20~80

^o범위에 걸쳐 측정하였다

.

시료의 자성을 측정하기 위해 진동시료 자력계

(VSM: Vibration Sample Magnetometer)

를 이용하였다

.

시

료의 크기와 구조를 보기 위해

HITACHI

사의 투과전자현미

경

(TEM: Transmission Electron Microscope)

을 이용해 관찰 하였다

.

그리고입자내의성분분포를알기위해

HITACHI

사 주사전자현미경

(SEM: Scanning Electron Microscope)

과

HORIBA

의

EDS(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)

를 이용해관찰하였다

.

III. 결과 및 논의

Fig. 1

은 온도와

Ti-getter

에따른 시료의

XRD

측정 결과 이다

. Ti-getter

를 넣어 제작한 시료에서는

Ti-getter

의 양과 온도와는 무관하게 전체적으로

tetragonal

구조의 순수한

Rutil - TiO

2 상이 주를 이루며

, 2

차상으로는

Fe

가관측되었 다

. Ti-getter

를 넣지 않고 제작한 시료에서는

Rutil - TiO

2

상이 주를 이루며

, 2

차상으로는 약간의

Fe

2

TiO

5가 관측되 었다

.

실험결과를보아 시료의제조에서산소분압에따라자화값 이나 원자 구조의 변화에 상당한 영향을 받게 된다는 것을

알 수 있다

. Titanium

이 고온에서 산소와 질소

,

공기 속의

수분과쉽게결합하는성질을가지고있기때문에시료를제

작할 때

Ti-getter

를 넣음으로써 좀더 낮은 산소분압을 얻을

수있기 때문이다

.

시료의자성을측정하기위해자기이력곡선을

VSM

을이

용하여 측정하였다

. Fig. 2

는온도와

Ti-getter

에따른 시료의 자기이력 곡선

(H-M)

^이다

. Ti-getter

^의 ^두께를

1 mm

^로 ^하고

900

^o

C

로열처리했을 때포화자화값이약

1.65

µB

/CoFe

정 Fig. 1.

XRD patterns of Ti

^0.96

Co

^0.02

Fe

^0.02

O

²

as a function of tem-

perature and Ti-getter.

(3)

도의 큰값으로강자성임을 확인 할수있다

. Ti-getter

의두 께를

2 mm

^로 ^하고

870~930

^o

C

^로 ^열처리 ^했을 ^때

900

^o

C

^와

930

^o

C

에서는포화 자화값이약

1.5

µB

/CoFe

정도의큰값으

로 강자성을 보인다

. 870

^o

C

에서는 약

1.1

µB

/CoFe

정도의 자화를 보인다

.

^이번엔

Ti-getter

^를^넣지 ^않고

, 870~930

^o

C

^로

열처리 했을 때의 이력곡선을 살펴보면

, 870

^o

C

일때자화 값은 약

0.025

^µ^B

/CoFe

^정도로 ^강자성을^보이지만

, 900

^o

C

^와

930

^o

C

일때는강자성을 보이지않는다

.

이러한자성의차이는

XRD

^측정 ^결과에서^보면^알^수^있

는데

, Ti-getter

를넣은 시료에서는

2

차상이

Fe

로 나타났지만

, Ti-getter

^를^넣지 ^않은^{시료에서는}

2

^차상이

Fe

²

TiO

⁵^가^관측되

었다

. Ti-getter

의유무에따라 다르게나타난

2

차상이시료의

자성을 결정지은 것으로 보인다

.

^열처리 ^전과 ^후의

Ti-getter

의 크기 및 두께의 변화를 비교해 봤을 때

, 2 mm

의

Ti-

getter

^가 ^열처리 ^전에는 ^두께가

2 mm

^지름이

6 mm

^였지만

,

열처리 후에는 두께가

2.2 mm

지름이

6.1 mm

로 늘어난 것

을확인할수가 있었다

.

^이것은 ^열처리^중

Titanium

^이^석영

관 내의 산소와 결합함으로써 늘어난 것이라는 것을 알수 있다

.

이러한결합이좀더낮은산소분압을얻도록하고

,

낮 은산소분압이 시료의 자화값이나 원자 구조의 변화에상당 한영향을미친 것을 알수있다

.

Fig. 3

에는온도에따른각시료의자화를비교해서보여주

고 있다

. Ti-getter

없이 제작된 시료는 온도에 따른 자화를

거의 보이지 않는다

.

그리고 자화값도 약

0.025

µB

/CoFe

정 도로 작은 값을 보인다

. Ti-getter

를

2 mm

의두께로 넣어제 작한 시료에서는

900

^o

C

와

930

^o

C

에서는약

1.5~1.6

µB

/CoFe

정도의 큰값을 보이고

, 870

^o

C

에서는

1.1

µB

/CoFe

의자화를 보임을 알수있다

.

두께

2 mm

의

Ti-getter

를넣은 시료에서 는

870

^o

C

에서

930

^o

C

로점점 증가함에 따라 자화값이증가 하는 것을확인 할수있다

.

Ti-getter

의유무가시료에영향을미치는것을확인하고

Ti-

getter

의 양이 시료에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해

Fig. 3.

Comparison of magnetization as a function of temperature.

Fig. 2.

Hysteresis of Ti

0.96

Co

0.02

Fe

0.02

O

2

as a function of temperature

and Ti-getter.

(4)

getter

^의^양을^다르게^하여^동일^조건에서^실험을^수행해^보았

지만거의 일치하는형태를 보이고있어

Ti-getter

의양이 시

료에시료의특성에 큰영향을미치지않음을 알수있었다

.

Fig. 4

^는^분말의 ^크기와 ^구조를 ^보기 ^위해

TEM

^으로 ^측정

한 것이다

. Fig. 4(a)

는

Ti-getter

를 넣지 않고 각각

870~

930

^o

C

^로^열처리한^시료이다

.

^각각의^{분말입자는}^긴^육각형의

구조로 약

1.05

×

0.557

µ

m

정도의크기를 보이고 있다

. Fig.

4(b)

^는

Ti-getter

^를^넣어 ^각각

870~930

^o

C

^로^열처리한 ^시료이

다

. Ti-getter

를넣지않았을때와유사한긴육각형의구조를

Fig. 4.

SEM micrographs of Ti

^0.96

Co

^0.02

Fe

^0.02

O

²

.

Fig. 5.

TEM micrographs of Ti

0.96

Co

0.02

Fe

0.02

O

2

(870

^o

C) without Ti- getter.

Table I.

An ingredient distribution of spots in Fig. 5.

Spot O (Weight%) Ti (Weight%) Fe (Weight%) Totals

01

55.34 43.86 0.80 100

02

49.65 48.94 1.41 100

03

47.98 51.10 0.91 100

04

54.22 45.78 - 100

05

53.83 46.17 - 100

06

51.74 48.26 - 100

07

45.95 51.94 2.11 100

08

17.62 71.41 6.67 100

09

57.92 40.91 1.17 100

10 54.21 44.35 1.44 100

11 58.87 39.82 1.32 100

(5)

보이고크기는 약

1.38

^×

0.76

^µ

m

^정도이다

.

Fig. 5

는

Ti-getter

를 넣지 않고

870

^o

C

로열처리하여 제작 한시료를

SEM

^을^이용하여^측정한 ^것이다

.

^입자 ^내의 ^성분

분포를 알기위해

EDS

를이용하여 입자의성분을 알아보았

다

.

입자의

1~3

번

, 7~11

번에서는

Fe

가관측되었지만

, 4~5

번 에서는

Fe

^를 ^찾을 ^수^없었다

.

^이것을 ^통해 ^입자의 ^표면에만

Fe

가존재함을알수있다

.

입자의성분분포는

Table I

에나 타나있다

.

Fig. 6

은

Ti-getter

를 넣고 각각

870~930

^o

C

로 열처리하여

제작한 시료를

SEM

^을^이용하여 ^측정한 ^것이다

. Table II

^는

입자내의 성분을

EDS

로측정하여 각점에서의 성분 분포를 나타내고 있다

.

^온도와는 ^상관없이

Fe

^가 ^입자의 ^{표면분포만}

보인다

. Fig. 6(c) Ti-getter

를 넣고

930

^o

C

로 열처리한 시료 에서는

1~5

^번으로 ^입자의^표면에서 ^내부로^{들어갈수록}

Fe

^의

함량이줄어들고

5

번이후에서는

Ti

와

O

만관찰 할수있다

.

이것으로 보아

Fe

^가^입자의 ^내부까지^위치하지 ^못하고^표면

에서만 분포함을알수있다

.

IV. 결 론

Host

물질로

TiO

2를사용하고 여기에 두가지 전이금속인

Fe

^와

Co

^를^첨가하여

solid state reaction

^법으로 ^시료를 ^제작

하였다

. XRD pattern

을 이용하여

Ti

0.96

Co

0.02

Fe

0.02

O

2의 구조

를 분석한 결과 온도와는 무관하게

Ti-getter

를사용한 시료

에서는

2

차상이

Fe

가관찰되었으며

, Ti-getter

를사용하지않 Fig. 6.

TEM micrographs of Ti

^0.96

Co

^0.02

Fe

^0.02

O

²

with Ti-getter.

Table II.

An ingredient distribution of spots in Fig. 6.

Temperature Spot O

(Weight%) Ti

(Weight%) Fe

(Weight%) Totals

(a) 870

^o

C

1 63.24 36.76 - 100

2 62.70 36.68 0.62 100

3 59.76 38.95 1.29 100

4 61.65 37.07 1.27 100

5 59.12 40.46 0.42 100

6 56.60 43.40 - 100

7 60.44 39.56 - 100

8 60.90 39.10 - 100

(b) 900

^o

C

1 63.64 36.36 - 100

2 61.92 37.36 0.72 100

3 60.61 38.96 0.43 100

4 23.08 76.09 0.83 100

5 17.45 82.55 - 100

6 17.83 82.17 - 100

7 61.38 38.62 - 100

8 58.82 41.18 - 100

(c) 930

^o

C

1 54.26 42.22 3.52 100

2 56.97 42.24 0.79 100

3 29.43 69.85 0.73 100

4 33.03 66.41 0.56 100

5 35.53 63.91 0.56 100

6 37.43 62.57 - 100

7 31.03 68.97 - 100

8 26.20 73.57 - 100

(6)

고제작한시료에서는

2

^차상이

Fe

²

TiO

⁵^가^{관찰되었다}

. VSM

을이용하여

Ti

0.96

Co

0.02

Fe

0.02

O

2를온도와

Ti-getter

에따라분 석한결과

Ti-getter

^가^있을^때는 ^열처리한^시료가

0.8 T

^에서

자화값이약

1.5

µB

/CoFe

가나왔으며

,

없을때는 약

0.02

µB

/ CoFe

^의^값을 ^보였다

.

^그리고

Ti-getter

^가^있을 ^때는 ^모든 ^시

료가강자성을 보였지만

,

없을 때는

870

^o

C

에서만 약한강자 성을보이고

, 900

^o

C

^와

930

^o

C

^에서는^강자성을^보이지^않음을

확인하였다

.

이를통하여

Ti-getter

가산소분압에영향을주어 이에따라자화값이나 원자구조의변화에상당한영향을받

게된다는것을 알수있었다

. Ti-getter

의양을다르게 하여

실험을 해 수행해 보았지만 그에 따른 규칙성을 도출해 낼 수가없었다

.

이를통하여

Ti-getter

의양은시료의자성에영

향을 미치지않음을 알수있었다

. SEM

^을^이용하여 ^시료의

크기와구조를관찰한결과

Ti-getter

의유무와는무관하게입

자의 크기는 약

1

µ

m

의 크기를 보이고 이차원적으로 긴육

각형의 형태를 보였다

. TEM

을 이용하여 시료의 입자 내의

성분분포를 살펴본 결과

Fe

의 분포가 내부에서는 나타나지 않고 입자의 표면에서만 보였다

.

이것을 통해

Fe

가입자 내 에고루 분포하는것이 아니라 표면분포만보임을 알수있 었다

.

그리고

EDS

를통해

Co

의분포를 찾기가힘들었다

.

이 는

Co

의성분이극소량분포해

EDS

에가해준가속전압으로 찾기가어려운 것으로생각된다

.

참고문헌

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