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표제지
목차
논문요약 8
제1장 서론 9
제2장 이론 및 분석 방법 12
2-1. 페로브스카이트(Perovskite)형 금속 산화물 12
2-2. 밴드절연체와 모트절연체(Band Insulator and Mott Insulator) 14
2-2-1. 밴드 절연체(Band Insulator) 14
2-2-2. 모트 절연체(Mott Insulator) 17
2-3. 금속-절연체 전이(Metal-Insulator Transition : MIT) 22
2-3-1. 채움 조절(Filling control) 22
2-3-2. 대역폭 조절(Band width control) 23
2-4. 전자의 국소화(localization)현상과 Anderson localization 25
2-5. La doped SrTiO₃ 28
2-6. RHEED의 기본 원리 30
2-7. 성장 거동과 강도 진동의 변화 34
2-7-1. Frank-Van der Merve형 성장 (layer-by-layer 성장) 35
2-7-2. Volmer-Weber형 성장 (islands 성장) 36
2-7-3. Straki-Krastanov형 성장 (layer-by-layer 성장 + islands 성장) 36
2-7-4. Step-Flow 형 성장 37
제3 장 실험 방법 39
3-1. Laser MBE system과 RHEED 장치 39
3-2. La doped SrTiO₃박막의 제작 방법 42
3-3. La doped SrTiO₃박막의 구조 분석 44
3-4. La doped SrTiO₃박막의 전기적 특성 분석 44
제4 장 실험 결과 및 고찰 48
4-1. 에칭과 열처리를 통한 SrTiO₃기판의 전처리 48
4-1-1. SrTiO₃(001) 기판의 전처리 48
4-1-2. LaAlO₃(001) 기판의 전처리 52
4-2. La doped SrTiO₃박막의 성장거동 55
4-2-1. SrTiO₃(001) 기판에서의 LSTO 박막의 성장 55
4-2-2. LaAlO₃(001) 기판에서의 LSTO 박막의 성장 58
4-3. La doped SrTiO₃박막의 구조적 분석 60
4-3-1. La doped SrTiO₃박막 두께에 따른 XRD 분석 60
4-3-2. LSTO 박막의 역격자 공간 산란강도 분포도 62
4-4. La doped SrTiO₃박막의 전기적 특성 분석 63
제5장 결론 67
참고문헌 69
ABSTRACT 73
그림 1. 산화물 박막의 다양한 응용분야 11
그림 2. ABO₃식을 가지는 페로브스카이트 구조 13
그림 3. 단순화된 밴드 구조를 통한 금속, 반도체, 절연체의 분류 16
그림 4. 입방정계, 정방정계, 사방정계에서 3d 궤도의 결정장 분리(Crystal-field splitting) 21
그림 5. Mott-hubbard 절연체와 charge-transfer 절연체의 energy band diagram 21
그림 6. A＝Y3＋, La3＋, Ca2＋, Sr2＋인 ABO₃의 상태도(이미지참조) 23
그림 7. Mott-Hubbard 절연체의 Filling control에 의한 금속-절연체 상전이 24
그림 8. Mott-Hubbard 절연체의 band width control에 의한 금속-절연체 상전이 24
그림 9. 단순화된 Anderson 모델 25
그림 10. 상태 밀도 함수로 나타낸 localization state와 extended state 27
그림 11. Anderson localization을 가정한 온도별 비저항 그래프 27
그림 12. 치환 농도에 따른 (Lax, Sr1-x)TiO₃의 캐리어 농도 특성(이미지참조) 29
그림 13. 치환 농도에 따른 (Lax,Sr1-x)TiO₃의 온도별 비저항 기울기 변화(이미지참조) 29
그림 14. 역격자 공간에서 회절 패턴의 형성 33
그림 15. 표면 구성에 따른 회절 패턴의 강도와 분포 변화 33
그림 16. 표면 흡착 원자의 밀도와 강도 진동의 상관관계 38
그림 17. 성장 거동에 따른 강도 진동의 변화 38
그림 18. Laser MBE 시스템의 개략도 41
그림 19. 박막 증착시 형성되는 기판 상태의 변화와 RHEED 회절패턴의 변화 41
그림 20. 샘플 홀더의 개략도 43
그림 21. 전류에 따른 샘플의 온도 변화 43
그림 22. Hall effect를 측정하는 모식도 45
그림 23. Van der Pauw법을 이용한 저항측정 방법 47
그림 24. 캐리어 농도를 구하는 방법의 모식도 47
그림 25. 3d 전이 금속의 L₂,₃edge(2p1/2, 2p3/2)의 XAS(이미지참조)(내용없음) 7
그림 26. 에칭 전의 SrTiO₃(001) 기판의 표면 상태 50
그림 27. 에칭 후의 SrTiO₃(001) 기판의 표면 상태 50
그림 28. 에칭 후 열처리한 SrTiO₃(001) 기판의 표면 상태 51
그림 29. 에칭 전의 LaAlO₃ 기판 표면 상태 53
그림 30. 에칭 후의 LaAlO₃ 기판 표면 상태 53
그림 31. (a) 에칭 후 열처리한 LaAlO₃기판 표면 상태 (b) 스텝과 테라스가 형성된 기판에 대한 Line-profile 54
그림 32. SrTiO₃(001) 기판에서의 RHEED 강도 진동의 변화와 회절패턴 57
그림 33. SrTiO₃(001) 기판에 성장된 LSTO 박막의 AFM 이미지 57
그림 34. LaAlO₃기판에서의 RHEED 강도 진동 59
그림 35. (a) LaAlO₃기판에 증착된 LSTO 10 u. c. 박막의 AFM 표면 형상 이미지 (b) LaAlO₃기판에 증착된 LSTO 20 u. c. 박막의 AFM 표면 현상 이미지 59
그림 36. (a) 두께 변화에 따른 LSTO/STO의 XRD 그래프 (b) 두께 변화에 따른 LSTO/LAO의 XRD 그래프 61
그림 37. (a) SrTiO₃기판 위에 성장 시킨 LSTO 50 u. c. (20 nm) 박막의 RSM (b) LaAlO₃기판 위에 성장시킨 LSTO 50 u. c. (20 nm) 박막의 RSM 62
그림 38. (a) LSTO/STO 박막 두께에 따른 온도-비저항 그래프 (b) LSTO/LAO 박막 두께에 따른 온도-비저항 그래프... 64
그림 39. 상온에서 두께에 따른 LSTO/STO의 비저항 및 캐리어 밀도 65
그림 40. 상온에서 두께에 따른 LSTO/LAO의 비저항 및 캐리어 밀도 66
초록보기 더보기
최근 반도체 기술의 빠른 발전은 고밀도, 고기능화로 인해 큰 발전을 이루었지만, 점차 기술적 한계성이 나타나기 시작하였다. 이에 기능성 저차원 물질의 연구는 그 속도를 더해가고 있다. 본 연구는 저차원물질 형성기술을 토대로 저차원화와 전도특성의 변화에 연구하는 것이다.
특히, SrTiO₃와 LaTiO₃는 대표적인 Band Insulator와 모트 절연체이다. 이 두 물질은 전자구조의 변화에 따라 다양한 물리적, 전기적 특성을 나타낸다. 따라서 La를 도핑한 SrTiO₃, 즉 LSTO는 다양한 물리적, 전기적 특성을 나타낼 수 있을 뿐만 아니라, 여러 방면으로 응용과 제어가 가능하다. 본 연구에서는 SrTiO₃물질에 La을 25% 도핑시켰을 때 나타나는 금속 특성을 기반으로 하여 박막의 두께가 얇아지면서, 즉 저차원으로 변하면서 나타나는 물리적 특성을 분석하였다. 원자레벨의 박막을 성장시키기 위해 Laser MBE(Molecular Beam Epitaxy)를 사용하여, Step&terrace를 갖는 SrTiO₃(001)과 LaAlO₃(001)위에 다양한 원자단위의 두께를 가지는 박막을 성장시켰다. 그리고 RHEED(Reflection High Energy Electron Diffraction)와 AFM(Atomic Force Microscopy)을 이용하여 2차원 layer-by-layer로 성장하였음을 확인하였고, XRD(X-ray Diffraction)를 이용하여 구조 특성 분석을 실시하였다. 또한 Hall effect measurement를 통하여 박막 두께에 따른 전기적 특성을 분석하였다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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