Pulsed Laser Deposition U ê s0 n É® Žz º ” Ö «Y c l” X ¢ Gd 2 Zr 2 O 7 U c lT c l8 ý ö n ÚP X ì Ä — ¤V R Ë

Pulsed Laser Deposition U ê s0 n É® Žz º ” Ö «Y c l” X ¢ Gd 2 Zr 2 O 7 U c lT c l8 ý ö n ÚP X ì Ä — ¤V R Ë

+ ä

z ª < · … è ¡‡ Ú) Ö < ^∗

Â

Òí ß –@ /† < Ɠ § Ó ü t o † < Æõ ,  Òí ß – 609-735



™ » ø ¶ B] 8 ;

Â

Òí ß –@ /† < Ɠ § l > / B N † < Æõ ,  Òí ß – 609-735

9

 ø ¶ B) ç 

ô

 Dz D G l œ íõ † < ƃ  ½ ¨™ è  Òí ß –G ' p' ,  Òí ß – 609-735 (2009¸   5 Z 4 22{ 9  ~ à Î6 £ §)

Pyrochlore ½ ¨› ¸_  Gd

2

Zr

2

O

7

  H ± ú “ É r \ P „  • ¸$ í `  ¦ t   H Ó ü t| 9 – Ð" f \ P  é ß –\  ´ òõ & h “   Ó ü t| 9 – Ð Å Ò 3

l

q ~ à Γ ¦ e ”  . Pyrochlore ½ ¨› ¸\  ¦ t   H Ó ü t| 9 [ þ t s  ± ú “ É r \ P „  • ¸$ í `  ¦
 ? /  H  כ “ É r Fluorite ½ ¨› ¸\ 

"

f 8a 0 Au _  í ß –™ è 6 £ § s “ : r ô  Ç > h q # Q e ”   H ½ ¨› ¸s Ù ¼– Ð í ß –™ è vacancy– Ð “   # Œ Ÿ í 7 H _  ¨ î ç  H   Ä

» o  ×  ¦ # Q[ þ t l  M :ë  H s  . ‘ : r ƒ  ½ ¨  H Gd

2

Zr

2

O

7

~ à Ì} Œ •`  ¦ PLD (Pulsed Laser Deposition) ~ ½ ÓZ O `  ¦ s

6   x # Œ Si(100), Al

2

O

3

(0001), YSZ(100) é ß –  & ñ l ó ø Í\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç Ê ê XRD, AFM, SEM`  ¦ s 6   x # Œ Gd

2

Zr

2

O

7

~ à Ì} Œ •_  Ó ü t o & h  : £ ¤$ í `  ¦ ƒ  ½ ¨ % i  . ¢ ¸ô  Ç, YSZ é ß –  & ñ l ó ø Í 0 A\  100 ∼ 600 nm ¿ ºa – Ð ] j



Œ

•  ) a Gd

2

Zr

2

O

7

~ à Ì} Œ •_  \ P „  • ¸• ¸\  ¦ 3ω ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð ƒ  ½ ¨ % i  . ~ à Ì} Œ •_  ¿ ºa  · û ª f ” \     \ P „  • ¸

•

¸ y Œ ™™ è   H  כ `  ¦ S X ‰ “   % i “ ¦ s \  ¦ l ó ø Íõ  ~ à Ì} Œ •  s _   â > €  \  _ ô  Ç \ P  $ † ½ Ó ´ òõ – Ð s K  % i  .

PACS numbers: 68.60.Dv

Keywords: \ P „  • ¸• ¸,  â > €  , Gd

2

Zr

2

O

7

, \ P $ † ½ Ó, 3ω

I. " e  ] Ø

\ P

 â ì2 £ §“ É r „  l & h  â ì2 £ § õ   H ² ú ˜o  4 Ÿ ¤ ¸ ú š # Œ \ P  â ì2 £ §`  ¦ ]

j# Q   H  כ “ É r š ¸ ½ ™ ƒ  ½ ¨õ ] j– Ð z Œ ™ e ”  . \ P _  é ß –“ É r

\ P

 ´ òÖ  ¦`  ¦ Z  } s   H X <  © œ ×  æ כ ¹ Ù ¼– Ð \ P  é ß – ½ ¨› ¸, ’   Ó

ü t| 9  > hµ 1 Ï 1 p x  € ª œô  Ç ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð ƒ  ½ ¨ ÷ &# Qš ¸“ ¦ e ”  .



s – Ð9 þ t – Ð# Q(Pyrochlore) ½ ¨› ¸_   Bž ÐÀ Ó t Ø Ô ïm 



(Rare-earth Zirconia) Gd ² Zr 2 O 7   H ± ú “ É r \ P „  • ¸$ í `  ¦

t   H Ó ü t| 9 – Ð" f \ P  é ß –\  ´ òõ & h “   Ó ü t| 9 – Ð" f_  0 p x

$ í

Ü ¼– Ð Å Ò3 l q ~ à Γ ¦ e ” Ü ¼ 9, Õ ª ×  æ 
“   Gd ₂ Zr ₂ O ₇   H  © œ

“

: r \ " f €  • 2.0 Wm ⁻¹ K ⁻¹ _  \ P „  • ¸• ¸\  ¦ ”    [1, 2].

Fig. 1 \ " f
 ? /1 p w s   s – Ð9 þ t – Ð# Q ½ ¨› ¸  H + þ A$ 3  ½ ¨

›

¸(Fluorite structure)\ " f Zr ⁴⁺ s “ : r[ þ t`  ¦ þ j“  ] X  " é ¶  

–

Ð t   H 8a 0 Au \  í ß –™ è 6 £ § s “ : r ô  Ç > h q # Q e ”   H ½ ¨

›

¸s   [3]. s  í ß –™ è ‘   o (vacancy)– Ð “  K  Ÿ í 7 H ¨ î ç  H



Ä »  o  (Phonon mean free path) ×  ¦ # Q[ þ t l  M :ë  H \ 

± ú

“ É r \ P „  • ¸• ¸\  ¦
 ? />   ) a  . t F K  t _  Gd 2 Zr ₂ O ₇

∗

E-mail: [email protected]

ƒ

 ½ ¨  H ì  r ´ ú ˜  © œI \  @ / # Œ s À Ò# Q& ’ “ ¦ Gd ² Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ • ]

j Œ •õ  ~ à Ì} Œ • : £ ¤$ í ƒ  ½ ¨  H  _  s À Ò# Qt t  · ú §€ Œ ¤ .

‘

: r ƒ  ½ ¨\ " f  H      © œÃ º   É r [ jt  7 á x À Ó _

 Si(100), Al ² O 3 (0001), YSZ(100) é ß –  & ñ l ó ø Í\  Gd ₂ Zr ₂ O ₇ ~ à Ì} Œ •`  ¦ ` O Û ¼ o Y Us $  7 £ x ‚ Ã Ì ~ ½ ÓZ O  (Pulsed Laser Deposition: PLD)`  ¦ s 6   x # Œ 7 £ x ‚ Ã Ì % i  . PLD

\

 ¦ s 6   x ô  Ç 7 £ x ‚ à ̓ É r   ¿ õ  ~ à Ì} Œ •_  › ¸$ í    o  _  \ O  l

 M :ë  H \  Gd ² Zr 2 O 7 õ  ° ú  s  4 Ÿ ¤ ¸ ú šô  Ç › ¸$ í `  ¦ t   H í ß – o Ó

ü

t ~ à Ì} Œ •_  ] j Œ •\  6   x s    [4]. YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia) ° ú  “ É r  â Ä º Gd ² Zr 2 O 7 ü < q 5 p w ô  Ç ½ ¨› ¸\  ¦ t  9      © œÃ º_   Ò& ñ ½ + Ë_  s   Œ •l  M :ë  H \  & Á ú ¢l  $ í



© œ(Epitaxial growth)s  0 p x  .   " f   & ñ ½ ¨› ¸_ 

#

QF M z Œ ™s 
” ¸ ½ ¨› ¸\ " f_   â > €   \ P  $ † ½ Ó\  p u   H % ò

†

¾ Ó\  @ /ô  Ç ƒ  ½ ¨ 0 p x  . ] j Œ •ô  Ç ~ à Ì} Œ •_    & ñ $ í õ  ³ ð

€

  © œI  x 9  ¿ ºa \  ¦ X-ray diffraction (XRD), Atomic force microscope(AFM), Scanning electron microscope(SEM) Ü

¼– Ð ì  r$ 3  % i  . Õ ªo “ ¦ PLD ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð YSZ l ó ø Í 0 A\  ]

j Œ •  ) a Gd ₂ Zr ₂ O ₇ ~ à Ì} Œ •`  ¦ 100 ∼ 600 nm # 3 0 A\ " f 7 £ x ‚ à Ì

# Œ ~ à Ì} Œ •_  \ P „  • ¸• ¸\  ¦ 3ω ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð 8 £ ¤& ñ % i  .

-70-

II. ÷ m Ç ] M ö

‘

: r z  ´+ « >\ " f  H Gd 2 Zr ₂ O ₇ ~ à Ì} Œ •`  ¦ l ó ø Í\  7 £ x ‚ Ã Ì l  0 A

# Œ f ”  â 2“  u , ¿ ºa  0.25“  u _  Gd 2 Zr 2 O 7 _    ¿ `  ¦



6   x % i  . ~ à Ì} Œ •“ É r KrF " l or  Q Y Us $ \  ¦  6   x ô  Ç ` O Û ¼



o Y Us $  7 £ x ‚ à Ì(PLD) ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð ] j Œ • % i “ ¦, œ íl  ”  / B N

•

¸ 4×10 ⁻⁶ torr, Y Us $  \  -t  200 mJ,   ¿ õ  l ó ø Í   s

_   o \  ¦ 45 mm – Ð Ä »t r †   G  í ß –™ è ì  r · ú š    o\  ¦ Å Ò

#

Q z  ´+ « >`  ¦ ”  ' Ÿ  % i  . ~ à Ì} Œ • 7 £ x ‚ à Ì`  ¦ l  „  ,   ¿ ³ ð€   _

 Ô  ¦í  HÓ ü t`  ¦ ] j  l  0 A # Œ 10ì  r 1 l x î ß – \ Vq  z  ´+ « >`  ¦ ”   '

Ÿ ô  Ç Ê ê 3 9' \  ¦ \ P # Q 7 £ x ‚ à Ì`  ¦ r  Œ • % i  . œ íl  7 £ x ‚ à Ì_  " é ¶

 Ö

¸ † < Ê`  ¦ 0 AK  Y Us $  Å Ò à º\  ¦ 1 Hz – Ð [ O & ñ # Œ 10ì  r 1 l x î

ß – 7 £ x ‚ Ã Ì Ê ê 5 Hz– Ð 70ì  r 1 l x î ß – 7 £ x ‚ à Ì`  ¦ # Œ 8 ú x 80ì  r 1 l x î ß – 7

£

x ‚ à Ìs  s À Ò# Q& ’  .

Gd 2 Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ • 7 £ x ‚ à Ì`  ¦ 0 A # Œ (100)€   ~ ½ ӆ ¾ Ó_  Si, YSZ(Yttria-Stabilized Zirconia) é ß –  & ñ l ó ø Íõ  (0001)€  

~

½ ӆ ¾ Ó_  Al 2 O ₃ é ß –  & ñ l ó ø Í`  ¦  6   x % i  .  s – Ð9 þ t – Ð# Q

½

¨› ¸\  ¦ t   H Gd 2 Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ • 7 £ x ‚ à Ì`  ¦ 0 Aô  Ç › ¸| `  ¦ þ j

&

h  o l  0 AK  í ß –™ è ì  r · ú š    o\  ¦ Å Ò# Q z  ´+ « >`  ¦ ”  ' Ÿ  

%

i  . l ó ø Í “ : r • ¸\  ¦ 500 Ò – Ð [ O & ñ % i “ ¦ í ß –™ è ì  r · ú š`  ¦ 0

∼ 150 mtorr _  # 3 0 A î ß –\ " f › ¸] X  % i  . 7 £ x ‚ à Ìs  = å Q è ß – Ê ê Gd 2 Zr 2 O 7 _    & ñ  o\  ¦ 0 AK " f @ /l  ì  r 0 Al \ " f 2r ç ß – 1 l x î

ß – 800, 900, 1000 Ò_  “ : r • ¸– Ð Ê ê \ P % ƒo \  ¦ ”  ' Ÿ  % i  .

Si, Al ₂ O ₃ , YSZ é ß –  & ñ l ó ø Í\  7 £ x ‚ Ã Ì  ) a Gd ₂ Zr ₂ O ₇ ~ à Ì} Œ •_ 

 

& ñ $ í õ  ½ ¨› ¸& h  : £ ¤$ í `  ¦ › ¸  l  0 A # Œ XRD z  ´+ « >s  s

À Ò# Q& ’ “ ¦ AFM z  ´+ « >`  ¦ : Ÿ x # Œ ~ à Ì} Œ • ³ ð€  _   } 9 l \  ¦

›

¸  % i  . ¢ ¸ô  Ç SEM`  ¦ s 6   x # Œ ~ à Ì} Œ •_  é ß –€  `  ¦ › ' a ¹ 1 Ï

# Œ ¿ ºa \  ¦ 8 £ ¤& ñ % i  .

\ P

„  • ¸• ¸ 8 £ ¤& ñ \   © œ V , o   6   x ÷ &  H ~ ½ ÓZ O [ þ t ×  æ 


“

  3ω ~ ½ ÓZ O “ É r ~ à Ì} Œ • € ª œé ß –\  “ : r • ¸ \  ¦ µ 1 ÏÒ q tr &  \ P „  • ¸• ¸

\

 ¦ ½ ¨   H ~ ½ ÓZ O s  . Å Ò à º ω“   “ §À Ó „  À Ó â ìØ Ô  H F K 5

Å

q \ P ‚  s  \ P " é ¶ õ  “ : r • ¸> – Ð 1 l x r \  s 6   x ÷ & 9 [5] ‚  ; Ÿ ¤ s  30 µm – Ð B Ä º  Œ •“ ¦ “ : r • ¸   o• ¸ 1 Ò s  – Ð p [ j # Œ 4 Ÿ ¤



\  _ ô  Ç \ P ’ < Hz  ´`  ¦ ×  ¦{ 9  à º e ”  .

3ω ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð ~ à Ì} Œ •_  \ P „  • ¸• ¸\  ¦ 8 £ ¤& ñ l  0 A # Œ E- beam 7 £ x ‚ Ã Ì ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð ß ¼2 Ÿ §`  ¦ 25 nm _  ¿ ºa – Ð ~ à Ì} Œ • 0 A\  7

£

x ‚ à Ìô  Ç Ê ê 200 nm_  ¿ ºa _  F K`  ¦ 7 £ x ‚ Ã Ì % i  . \ P ‚  “ É r Ÿ í

ž

Ðo ™ èÕ ªA x (photolithography)ü <  Òd ” (etching) l Z O 

`

 ¦ s 6   x # Œ ; Ÿ ¤ 30 µm, U  ´s  3.074 mm– Ð ] j Œ • % i  .

z 

´+ « >\   6   x ) a ½ ¨1 l x „  À Ӎ  H €  • 20 mAs “ ¦ 200 ∼ 30000 Hz # 3 0 A_  ”  1 l x à º\ " f z  ´+ « >s  ”  ' Ÿ ÷ &% 3  . $ † ½ Ó_  “ : r • ¸

>

à º\  ¦ ½ ¨ l  0 A # Œ  © œ“ : r ∼40 Ò _  # 3 0 A\ " f “ : r • ¸   



o\  ¦ Å Ò# Q $ † ½ Ó_     o\  ¦ 8 £ ¤& ñ % i  .  ^ ‰ ] j Œ •ô  Ç  r

–

Ð_  ’  ø @$ í `  ¦ S X ‰ “   l  0 A # Œ YSZ l ó ø Í_  \ P „  • ¸• ¸

\

 ¦ 8 £ ¤& ñ # Œ l ” > r ë  H‰  ³_  ° ú כõ  q “ § # Œ 3ω ~ ½ ÓZ O `  ¦  Ž 

Fig. 1. One eighth of the unit cell of pyrochlore structure.

An unoccupied interstitial site at 8a is surrounded by ions.

7

£

x % i  . Gd ² Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •s  7 £ x ‚ à Ì÷ &t  · ú §“ É r 10 × 10 × 1 mm ³ _  YSZ l ó ø Í r « Ñ\  \ P ‚  `  ¦ ] j Œ • # Œ \ P „  • ¸• ¸

\

 ¦ ½ ¨ % i  . z  ´+ « >   õ  2.44 Wm ⁻¹ K ⁻¹ _  ° ú כ`  ¦ % 3 % 3 “ ¦ s

 ° ú כ“ É r { 9 ì ø Í& h Ü ¼– Ð · ú ˜ 9”   ë  H‰  ³ ° ú כõ  { 9 u    H  כ `  ¦ S X ‰

“

  % i   [6,7]. s – РÒ'  ’  ø @½ + É Ã º e ”   H  r– Ð\  ¦ ½ ¨$ í ô  Ç

 כ

Ü ¼– Ð Ò q ty Œ •÷ &# Q YSZ 0 A\  7 £ x ‚ Ã Ì  ) a Gd ₂ Zr ₂ O ₇ ~ à Ì} Œ •`  ¦  © œ

“

: r \ " f 3 rm ”  8 £ ¤& ñ % i  .

III. + s ÇÊ Ý õ m Í w Š²  o

l

ó ø Í “ : r • ¸ 500 Ò í ß –™ è ì  r · ú š 150 mtorr_  › ¸| \ " f Si(100) l ó ø Í 0 A\  ] j Œ •ô  Ç Gd ₂ Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •_  X‚    r] X  Á

º] (\  ¦ # Œ Q “ : r • ¸\ " f Ê ê \ P % ƒo  # Œ \ P % ƒo  l  „   õ

 q “ § % i  . 800, 900, 1000 Ò\ " f Ê ê\ P % ƒo  s  À

Ò# Q& ’ Ü ¼ 9 Fig. 2  H Ê ê\ P % ƒo  “ : r • ¸\    É r  r] X Á º] (_ 



  o\  ¦
  · p . Ê ê\ P % ƒo  „  \   H   & ñ  o s À Ò# Qt  t

 · ú §  (511)€   ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð_   r] X Á º] (
 
t  · ú §€ Œ ¤

“

¦, 800 Ò s  © œ_  “ ¦“ : r \ " f (511)€   ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð_  ~ à Ì} Œ •_ 

 

& ñ  o s À Ò# Qt l  r  Œ •Ù þ ¡ . Si(100) l ó ø Í\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç Gd ₂ Zr ₂ O ₇ “ É r (222)€  õ  (511)€  _  ~ ½ ӆ ¾ Ó_  x ß ¼  s – Ð 9

þ

t – Ð# Q ½ ¨› ¸\  ¦ t   H Z O ß ¼_  ë  H‰  ³° ú כ“   29.38°ü < 44.714°

Â

Ò   H \ " f + þ A$ í H † d`  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ” % 3   [8]. ¢ ¸ô  Ç \ P % ƒo 

“

: r • ¸ 7 £ x † < Ê\     Gd ² Zr 2 O 7 (511) x ß ¼ 44.38°\ 

"

f ¢ , aA á ¤ Ü ¼– Ð s 1 l x # Œ 1000 Ò{ 9  M :  H 44.20° \  0 Au  

%

i  . Fig. 2\ 
 è ß – (511)€   ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð_  X-‚   J ‡      õ

\  ¦ : Ÿ x K  7 £ x ‚ Ã Ì  ) a Gd 2 Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •s   s – Ð9 þ t – Ð# Q ½ ¨› ¸

–

Ð $ í  © œ÷ &% 3 6 £ §`  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”  .

Figure 3(a), (b)  H y Œ •y Œ • l ó ø Í “ : r • ¸ 500 Ò í ß –™ è ì  r · ú š 150 mtorr _  7 £ x ‚ Ã Ì › ¸| \ " f ] j Œ •ô  Ç Si(100) ~ à Ì} Œ •_  é ß –€   õ

 ³ ð€  `  ¦ SEM õ  AFMÜ ¼– Ð 8 £ ¤& ñ ô  Ç  ”  s  . Fig. 3_  (a) \ 
 è ß – ~ à Ì} Œ •“ É r 80ì  r 1 l x î ß – 7 £ x ‚ à Ìô  Ç  כ Ü ¼– Ð ~ à Ì} Œ •_  ¿ º a

  H 123 nm s “ ¦, 7 £ x ‚ à Ìr ç ß –\    É r ~ à Ì} Œ • ¿ ºa \  ¦ › ¸  

Fig. 2. XRD patterns of Gd ₂ Zr ₂ O ₇ thin films deposited on Si(100) substrate annealed at different temperatures;

from top to bottom, the patterns are for annealing tem- peratures of 1000, 900, 800 and pre annealing at 500 Ò.

The open circle denotes Si substrate. Arrows indicate (222) and (400) peak of pyrochlore structure. Inset is the enlarged graph of (511) peak.

#

Œ ¨ î ç  H 7 £ x ‚ à ÌÒ  ¦ s  1.54 nm/mine ” `  ¦ · ú ˜€ Œ ¤ . ¢ ¸ô  Ç \ P % ƒ o

÷ &t  · ú §“ É r ~ à Ì} Œ •_  ¨ î ç  H ³ ð€    } 9 l (root mean square:

RMS)  H 3.568 nm s  9 \ P % ƒo ô  Ç Ê ê ~ à Ì} Œ •_  ¨ î ç  H ³ ð€     } 9

l   H \ P % ƒo  „  _  ~ à Ì} Œ •˜ Ð  €  •ç ß –  8 7 £ x ô  Ç  כ Ü ¼– Ð S X ‰

“

 ÷ &% 3  . Si(100)l ó ø Í 0 A\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç ~ à Ì} Œ •_  ³ ð€    } 9 l 



 H \ P % ƒo  “ : r • ¸\  ß ¼>  % ò † ¾ Ó`  ¦ ~ à Ît  · ú §  H  כ Ü ¼– Ð K $ 3  ) a



.

Figure 4(a) ü < (b)  H “ : r • ¸ 500 ғ   Al ₂ O ₃ (0001) é ß –

 

& ñ l ó ø Í\  í ß –™ è ì  r · ú š`  ¦ y Œ •y Œ • 50, 100 mtorr– Ð ] j Œ •ô  Ç Gd 2 Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •_  X-‚   J ‡  s  . 7 £ x ‚ Ã Ì  ) a ~ à Ì} Œ •“ É r @ /l  ì

 r 0 Al \ " f y Œ •y Œ • 800, 900, 1000 Җ Ð 2r ç ß – 1 l x î ß – Ê ê\ P 

%

ƒo ÷ &% 3  . Fig. 4\ " f ¶ ú ˜( R˜ Ѐ   + þ A$ 3  ½ ¨› ¸\  ¦ t   H Gd 2 Zr 2 O 7  Ä º 8_  (111)€   ~ ½ ӆ ¾ Óõ  (200)€   ~ ½ ӆ ¾ Ó_  ë  H

‰

 ³ ° ú כ   H % ƒ“   29.367°\ " f x ß ¼ + þ A$ í H † d`  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã º e ”

% 3   [8]. (111)€   ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð_  $ í  © œ“ É r 7 £ x ‚ à Ìr  Å Ò{ 9  ) a í

ß –™ è_  € ª œ\   H % ò † ¾ Ó`  ¦ ~ à ΀ Œ ¤Ü ¼ 9 50 mtorr_  í ß –™ è ì  r

· ú

š\ " f  r] X Á º] ( Ì º§  > 
 z Œ ™`  ¦ › ' a ¹ 1 Ï % i  . 100 mtorr \ " f 7 £ x ‚ à Ìô  Ç Gd ₂ Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •_   â Ä º (111)€   ~ ½ ӆ ¾ Ó õ

 (200)€   ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð † < Êa  $ í  © œ % i Ü ¼
  r] X Á º] ( 50 mtorr \ " f 7 £ x ‚ à Ìô  Ç ~ à Ì} Œ •˜ Ð  Ì º§  > 
 
t  · ú §€ Œ ¤ .

s

\  ¦ : Ÿ x K  Al ² O 3 (0001) l ó ø Í 0 A\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç Gd ₂ Zr 2 O 7 ~ Ã Ì }

Œ

• ¢ ¸ô  Ç ~ à Ì} Œ •_    & ñ ½ ¨› ¸\  ¦ + þ A$ í   H õ & ñ \ " f í ß –™ è ì  r

· ú

šs   H % ò † ¾ Ó`  ¦ p u   H  כ Ü ¼– Ð K $ 3  ) a  . 800 ∼ 1000 Ò

\

" f Ê ê\ P % ƒo   ) a ~ à Ì} Œ •“ É r \ P % ƒo  “ : r • ¸ Z  }  | 9 à º2 Ÿ ¤ x

ß ¼ ë  H‰  ³° ú כ“   29.367°\   s  s 1 l x % i  . s – ÐÂ Ò '

 Ê ê\ P % ƒo \  ¦ : Ÿ x K  Å Ò# Q”   \ P \  -t – Ð “   # Œ 7 £ x ‚ Ã Ì  ) a { 9

 [ þ t s  î ß –& ñ  ) a  © œI – Ð s 1 l x % i  “ ¦ Ò q ty Œ •½ + É Ã º e ”  .

Fig. 3. (a) SEM image of Gd ₂ Zr ₂ O ₇ thin film deposited on Si(100) substrate at 500 Ò (b) AFM image of the Gd ₂ Zr ₂ O ₇ thin film deposited on Si(100) substrate at 500 Ò.

Figure 5  H “ : r • ¸ 500 ғ   YSZ(100) é ß –  & ñ l ó ø Í

\

 í ß –™ è ì  r · ú š`  ¦ ² ú ˜o  # Œ ] j Œ •ô  Ç Gd 2 Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •_  X-

‚

  J ‡  s  . 2θ = 20° ∼ 90°_  # 3 0 A\ " f 8 £ ¤& ñ % i Ü ¼ 9 y» ¡ ¤`  ¦ – ÐÕ ª Û ¼H { 9 – Ð
 ? /% 3  . 0, 50, 100 Õ ªo “ ¦ 150 mtorr _  í ß –™ è ì  r · ú š\ " f 7 £ x ‚ à Ìô  Ç Gd ₂ Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •_  X-‚   J

‡  _    õ \  ¦ : Ÿ x K  7 £ x ‚ à Ìr  Å Ò{ 9 ÷ &  H í ß –™ è_  € ª œs   Œ •



| 9 à º2 Ÿ ¤ ~ à Ì} Œ •_    & ñ s   8 ¸ ú ˜ s À Ò# Qf ” `  ¦ S X ‰ “   % i  .

YSZ _   â Ä º      © œÃ º a = 0.514 nm“   cubic ½ ¨› ¸– Ð+ ‹ a = 0.526 nm“   Gd ₂ Zr ₂ O ₇ ü <      Ò& ñ ½ + Ë_  & ñ • ¸ B  Ä

º  Œ •  [9]. s  Qô  Ç s Ä »– Ð YSZ l ó ø Í 0 A\  Gd ² Zr 2 O 7 ~ Ã Ì }

Œ

•_  & Á ú ¢l  $ í  © œ(Epitaxial growth)s  0 p x  . Fig. 5

\

" f ˜ Ð1 p w s  YSZ 0 A\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç ~ à Ì} Œ •_   â Ä º (400) ~ ½ ӆ ¾ Ós  Å

Ò x ß ¼– Ð+ ‹ l ó ø Í_  ~ ½ ӆ ¾ Ó$ í \     ³ ð€  \  ¨ î ' Ÿ  >  Ä º

‚

  ~ ½ ӆ ¾ Ó$ í `  ¦ t “ ¦ $ í  © œ÷ &% 3  . 0 mtorrü < 50 mtorr_  í

ß –™ è ì  r · ú š\ " f 7 £ x ‚ à Ì`  ¦ ô  Ç  â Ä º Z O ß ¼\ " f_   s – Ð9 þ t – Ð

#

Q ½ ¨› ¸\ " f
 
  H (511), (711) x ß ¼ + þ A$ í ÷ &% 3 “ ¦ s

\  ¦ : Ÿ x K  Gd 2 Zr ₂ O ₇ ~ à Ì} Œ •s   s – Ð9 þ t – Ð# Q ½ ¨› ¸\  ¦ + þ A$ í

  H X < í ß –™ è ì  r · ú šõ  x 9 ] X ô  Ç › ' a >  e ”    H  כ `  ¦ S X ‰ “   

%

i  . s   H   & ñ ? /\  í ß –™ è ‘   o \  ¦ t   H  s – Ð9 þ t – Ð

#

Q ½ ¨› ¸ : £ ¤$ í  © œ 7 £ x ‚ à Ìr  ± ú “ É r í ß –™ è_  ì  r 0 Al  ~ à Ì} Œ •_  í ß –

™

è ‘   o  + þ A$ í \  F N& ñ & h  % ò † ¾ Ó`  ¦ p u   H  כ Ü ¼– Ð K $ 3  ) a



.

Figure 6“ É r l ó ø Í “ : r • ¸\  ¦ 500 Ò – Ð Ä »t  “ ¦ í ß –™ è ì  r · ú š

`

 ¦ 0, 50, 100, 150 mtorr – Ð  Ë ¨# Q 7 £ x ‚ à Ìô  Ç Gd ₂ Zr 2 O 7 ~ à Ì

Fig. 4. XRD patterns of Gd 2 Zr 2 O 7 thin films deposited on Al 2 O 3 (0001) substrate at 500 Ò with oxygen pressure of (a) 50 mtorr, and (b) 100 mtorr. Thin films annealed at different temperatures; from top to bottom, the pat- terns are for annealing temperatures of 1000, 900, 800 and 500 Ò.

Table 1. The root mean square (RMS) roughness of the Gd 2 Zr 2 O 7 thin films deposited on YSZ (100) substrate at 500 Ò for different oxygen pressure.

Oxygen

pressure (mtorr) 0 50 100 150 RMS

roughness (nm) 0.622 3.88 18.338 18.975

}

Œ

• ³ ð€  _  AFM  ”  `  ¦
  · p . AFM 8 £ ¤& ñ Ü ¼– Ð % 3 “ É r

~ Ã

Ì} Œ • ³ ð€  _  ¨ î ç  H ³ ð€    } 9 l _  ° ú כ“ É r Table 1 \ 
 ? /

%

3  . ~ à Ì} Œ • ³ ð€  _   ”  `  ¦ ¶ ú ˜( R˜ Ѐ   7 £ x ‚ Ã Ì   H 1 l x î ß – Å Ò{ 9 

 )

a í ß –™ è_  € ª œs  ´ ú § | 9 à º2 Ÿ ¤ ³ ð€  _  { 9  [ þ t s   8 & f ” `  ¦ S X

‰ “  ½ + É Ã º e ” “ ¦ Table 1_  ° ú כ[ þ t“ É r Gd 2 Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •_  ¨ î ç

 H ³ ð€    } 9 l  ° ú כ• ¸ í ß –™ è ì  r · ú šs  & | 9 à º2 Ÿ ¤ S X ‰ƒ   >  7 £ x

† < Ê`  ¦ ˜ Ð# Œï  r  .

Figure 7“ É r 3ω ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð 8 £ ¤& ñ ô  Ç ~ à Ì} Œ •_  \ P „  • ¸• ¸\  ¦

~ Ã

Ì} Œ •_  ¿ ºa \    
  · p Õ ªA á Ôs  . ~ à Ì} Œ •_  \ P „  • ¸

•

¸ ¿ ºa  y Œ ™™ è† < Ê\     ×  ¦ # Q× ¼  H  כ `  ¦ S X ‰ “   % i  .

Fig. 5. XRD patterns of Gd ₂ Zr ₂ O ₇ thin films deposited on YSZ(100) substrate at 500 Ò with different oxygen pressures; The oxygen pressure is 0, 50, 100 and 150 mtorr from top to bottom. Arrows indicate (511) and (711) peak of pyrochlore structure.

Fig. 6. AFM images of the Gd ₂ Zr ₂ O ₇ thin films de- posited on YSZ (100) substrate at 500 Ò with oxygen pressure of (a) 0 mtorr , (b) 50 mtorr, (c) 100 mtorr and (d) 150 mtorr . The roughness of the films is given at Table 1.

YSZ l ó ø Í 0 A\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç Gd ₂ Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •_  \ P „  • ¸• ¸\  ¦ 8 £ ¤

&

ñ ô  Ç   õ  112, 224, 270 Õ ªo “ ¦ 350 nm_  ¿ ºa _  \ P „  

•

¸• ¸  H y Œ •y Œ • 1.1, 1.41, 1.23 Õ ªo “ ¦ 1.43 Wm ⁻¹ K ⁻¹ Ü ¼– Ð Z O

ß ¼ Gd 2 Zr 2 O 7 \ P „  • ¸• ¸“   2.0 Wm ⁻¹ K ⁻¹ ˜ Ð   Œ •“ É r ° ú כ

`

 ¦ ”   .

µ

1 ÏÒ q tô  Ç \ P _  â ì2 £ §“ É r { 9  " é ¶ É Òo \ (Fourier) d ” Ü ¼– Ð ³ ð

‰

&

³ 0 p x  .

Q = −Λ f

∆T

∆x (1)

Λ _f   H 8 £ ¤& ñ Ü ¼– Ð % 3 `  ¦ à º e ”   H ~ à Ì} Œ •_  Ä »´ ò \ P „  • ¸• ¸\  ¦

 ? /“ ¦, ^∆T ∆x   H ~ à Ì} Œ • ? / Ò_  “ : r • ¸    oÖ  ¦`  ¦
  · p  כ s

 . ∆x  H ~ à Ì} Œ •_  ¿ ºa  d f s “ ¦, ∆T   H ~ à Ì} Œ • „  ^ ‰_  “ : r

•

¸   o T ^total s Ù ¼– Ð s [ þ t _  › ' a > – РÒ'  \ P „  • ¸• ¸  H   6

£

§ õ  ° ú  s  ³ ð‰ & ³ 0 p x  .

Λ f = − Qd

T ₀ + T _b (2)

T 0 = − Qd

Λ _i , T b = −QR k (3)

Fig. 7. Thermal conductivity of Gd ₂ Zr ₂ O ₇ films on YSZ.

The experimental results of 112, 224, 270 and 350 nm films are denoted with open squares. The solid line rep- resents the fit to the experimental results with equation 4. Thermal conductivity decreases as the thickness de- creases due to the interfacial thermal resistance between thin film and substrate.



 " f 8 £ ¤& ñ  ) a ~ à Ì} Œ •_  Ä »´ ò \ P „  • ¸• ¸, Λ f   H  6 £ § _  d ”  Ü

¼– Ð ³ ð‰ & ³½ + É Ã º e ”   [10].

Λ _f = − Λ i

1 + Λ i R k

d f

(4)

s

M : Λ ⁱ   H ~ à Ì} Œ •_  ? / Òë ß –`  ¦ “ ¦ 9ô  Ç Z O ß ¼ © œI _  \ P „  • ¸

•

¸s “ ¦ R ^k   H  â > €  \ " f_  \ P $ † ½ Ó, d ^f   H ~ à Ì} Œ •_  ¿ ºa s 



. Fig. 7_  z  ´‚  “ É r z  ´+ « >Ü ¼– Ð % 3 “ É r X <s ' \  ¦ d ”  4– Ð fitô  Ç

 כ

s  . Fitô  Ç   õ  ~ à Ì} Œ •_  ? / Ò\ " f_  \ P  „  • ¸• ¸ Λ i   H 1.607 Wm ⁻¹ K ⁻¹ s “ ¦ R ^k   H 3.08 ×10 ⁻⁸ m ² KW ⁻¹ s  .

~ Ã

Ì} Œ •_  ¿ ºa  · û ª f ” \     \ P  „  • ¸• ¸ y Œ ™™ è   H  כ

`

 ¦ l ó ø Íõ  ~ à Ì} Œ •  s \  ” > r F    H  â > €  \  _ ô  Ç \ P $ † ½ Ó Ü

¼– Ð s K ½ + É Ã º e ”  .

IV. + s Ç Â ] Ø

` O

Û ¼ o Y Us $  7 £ x ‚ Ã Ì ~ ½ ÓZ O `  ¦ s 6   x # Œ Gd ² Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •

`

 ¦ Si, Al 2 O 3 Õ ªo “ ¦ YSZ l ó ø Í 0 A\  ] j Œ • % i  .  s 

–

Ð9 þ t – Ð# Q ½ ¨› ¸\  ¦ t   H Gd 2 Zr ₂ O ₇ ~ à Ì} Œ •`  ¦ 7 £ x ‚ Ã Ì   H › ¸

|

`  ¦ þ j& h  o l  0 A # Œ l ó ø Í “ : r • ¸\  ¦ 500 Ò – Ð Ä »t  “ ¦ í

ß –™ è ì  r · ú š`  ¦ 0, 50, 100 Õ ªo “ ¦ 150 mtorr– Ð    o\  ¦ Å Ò% 3 



. s \  ¦ : Ÿ x K  7 £ x ‚ Ã Ì õ & ñ r  Å Ò{ 9 ÷ &  H í ß –™ è_  € ª œs  ~ à Ì} Œ • _

   & ñ + þ A$ í \  # Q* ‹ô  Ç % ò † ¾ Ó`  ¦ p u   H t \  ¦ S X ‰ “   % i  .

Si l ó ø Í\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç ~ à Ì} Œ •_   â Ä º 800 Ò s  © œ_  “ ¦“ : r \ " f (511)€   ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð_  ~ à Ì} Œ •_    & ñ  o s À Ò# Q& ’  . s \  ¦ :

Ÿ

x K  7 £ x ‚ Ã Ì  ) a Gd 2 Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •s   s – Ð9 þ t – Ð# Q ½ ¨› ¸– Ð $ í



© œ÷ &% 3 6 £ §`  ¦ · ú ˜ à º e ” % 3 “ ¦ Gd 2 Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •s  $ í  © œ`  ¦ 



 H X < Ê ê\ P % ƒo _  “ : r • ¸\  % ò † ¾ Ó`  ¦ ´ ú §s  ~ à ΍  H  כ `  ¦ S X ‰ “  ½ + É Ã

º e ”  . Al 2 O ₃ l ó ø Í\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç Gd ₂ Zr ₂ O ₇ ~ à Ì} Œ •_   â Ä º 50 mtorr _  í ß –™ è ì  r · ú š\ " f (111)€   ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð $ í  © œô  Ç + þ A

$

3 ½ ¨› ¸\  ¦ + þ A$ í % i “ ¦ Ê ê\ P % ƒo _  “ : r • ¸\   H ß ¼>  % ò † ¾ Ó`  ¦

~ Ã

Ît  · ú §€ Œ ¤ . YSZ l ó ø Í 0 A\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç Gd 2 Zr 2 O 7 ~ à Ì} Œ •_ 

 â

Ä º í ß –™ è_  ì  r · ú š\  ´ ú §“ É r % ò † ¾ Ó`  ¦ ~ à ΀ Œ ¤Ü ¼ 9 Å Ò{ 9 ÷ &  H í ß –

™

è_  € ª œs   Œ •`  ¦ M :  s – Ð9 þ t – Ð# Q ½ ¨› ¸\  ¦ + þ A$ í % i  . l  ó

ø Íõ  ~ à Ì} Œ •_  q 5 p w ô  Ç ½ ¨› ¸ü <  Œ •“ É r      © œÃ º  Ò& ñ ½ + ËÜ ¼– Ð

“

  # Œ l ó ø Í_  ~ ½ ӆ ¾ Ó\     (400)€  _  ~ ½ ӆ ¾ ÓÜ ¼– Ð Ä º‚   C 

†

¾ Ó$ í `  ¦ t “ ¦ $ í  © œ % i “ ¦ í ß –™ è ì  r · ú šs  & | 9 à º2 Ÿ ¤ ~ à Ì} Œ • _

 ¨ î ç  H ³ ð€    } 9 l  7 £ x † < Ê`  ¦ S X ‰ “   % i  . y Œ •y Œ •   É r

¿

ºa – Ð YSZ l ó ø Í 0 A\  7 £ x ‚ à Ìô  Ç Gd ₂ Zr ₂ O ₇ ~ à Ì} Œ •[ þ t _  \ P 

„

 • ¸• ¸\  ¦ 3ω ~ ½ ÓZ O Ü ¼– Ð 8 £ ¤& ñ % i  . ~ à Ì} Œ • ¿ ºa   Œ • | 9  Ã

º2 Ÿ ¤ \ P „  • ¸• ¸ ± ú > 
 z Œ ¤“ ¦ \ P „  • ¸• ¸_  ~ à Ì} Œ • ¿ ºa  _

” > r$ í `  ¦ l ó ø Íõ  ~ à Ì} Œ •  s _  \ P $ † ½ ÓÜ ¼– Ð s K  % i  .

Gd ₂ Zr ₂ O ₇ õ  q 5 p w ô  Ç ½ ¨› ¸ü <      © œÃ º\  ¦ t   H YSZ l  ó ø

Í 0 A\  & Á ú ¢l  $ í  © œ(Epitaxial growth)  ) a ~ à Ì} Œ •_   â Ä º

 

& ñ ½ ¨› ¸_  # QF M z Œ ™(mismatch)s 
” ¸ ½ ¨› ¸_   â > €  _ 

\ P

$ † ½ Ó\  p u   H % ò † ¾ Ó`  ¦ · ú ˜ ˜ Ѝ  H ƒ  ½ ¨\  Ä »6   x ½ + É  כ Ü ¼

–

Ð \ V © œ  ) a  .

P

c p 8 ý ò k >

s

  7 Hë  H“ É r  Òí ß –@ /† < Ɠ §  Ä »õ ] j † < ÆÕ ü t ƒ  ½ ¨q (2¸  )\  _

K " f ƒ  ½ ¨÷ &% 3 6 £ §.

Y

c p w Š à U Ø ”  ô

[1] D. R. Clarke and C. G. Levi, Annu. Rev. Mater.

Res. 33, 383 (2003).

[2] Jie Wu, et al., J. Am. Cream. Soc. 85, 3031 (2002).

[3] M. A. Subramanian, G. Aravamudan and G. V.

Subba Rao, Prog. Solid State Chem. 15, 55 (1983).

[4] S. Zhang and R. Xial, J. Appl. Phys. 83, 3842 (1997).

[5] D. G. Cahiil, Rev. Sci. Instum. 61, 802 (1990).

[6] J. Nakano, H. Miyazaki, T. Kimura, T. Goto and S.

Zhang, J. Ceram. Soc. Jpn. 112, S908 (2004).

[7] D. P. H. Hasselman, L. F. Johnson, L. D. Bentsen, R. Syed and H. L. Lee, Am. Ceram. Soc. Bull. 66, 799 (1987).

[8] J. A. Diaz-Guillen et al., J. Phys.: Condens. Matter 19, 356212 (2007).

[9] M. Yashima, S. Sasaki and M. Kakihana, Acta

Cryst. 50, 663 (1994).

[10] H.-S. Yang, G. -R. Bai, L. J. Thompson and J. A.

Eastman, Acta Materialia. 50, 2309 (2002).

[11] G. H. Park, J. W. Kim, K. S. Hong and H. S. Yang SAEMULLI (New Phys.) 54, 40 (2007).

Physical Properties of Gd 2 Zr 2 O 7 Thin Film Deposited by Using a Pulsed Laser Deposition Method

G. E. Jung and H. S. Yang ^∗

Department of Physics, Pusan National University, Busan 609-735

J. W. Kim

Department of Mechanical Engineering, Pusan National University, Busan 609-735

J. S. Bae

Busan Center, Korea Basic Science Institute, Busan 609-735 (Received 22 May 2009)

Rare-earth zirconate has been considered as a promising candidate for thermal barrier coating materials. Recently, Gd

2

Zr

2

O

7

, a rare-earth zirconate, has been of interest as a buffer layer for the YBa

2

Cu

3

O

7−x

superconductor. Gd

2

Zr

2

O

7

forms in a pyrochlore structure, which is similar to the fluorite structure with missing 1/8 oxygen. This paper reports the preparation, character- ization, and thermal conductivity of Gd

2

Zr

2

O

7

films. Gd

2

Zr

2

O

7

films were prepared on various substrates, such as Si, Al

2

O

3

, and yttria-stabilized zirconia (YSZ), by using a pulsed laser depo- sition method. The crystal structure and the surface morphology of the films were investigated using X-ray diffraction (XRD), atomic force microscopy (AFM), and scanning electron microscopy (SEM). The films deposited on Si and YSZ substrates formed in a pyrochlore structure, but the films on Al

2

O

3

formed in a fluorite structure. The thermal conductivity measured using the 3ω method showed a dependence on the films thickness and could be described based on an interfacial thermal resistance between the film and the substrate.

PACS numbers: 68.60.Dv

Keywords: Thermal conductivity, Interface, Gd

2

Zr

2

O

7

, Thermal resistance, 3ω

∗

E-mail: [email protected]