첨가 양이온에 따른 Yittria-Stabilized Zirconia의 미세구조변화에 대한 Raman연구 및 Laser Ablatio n에 의한 박막증착

Abstract

Yitrria Stabilized Zirconia(YSZ)에서 안정화제의 메카니즘을 연구하기 위해 정방정(tetragonal) YSZ에 3가,4가,5가 양이온 첨가 효과를 라만 스팩트럼을 주로 사용하여 연구하였다. 측정 시료로서 ZrO_(2)-Y_(2)O_(3), ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-Nb_(2)O_(5), ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-CeO_(2), ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-GeO_(2)계를 선택하였다. 또한, 레이저 융제법(laser ablation)으로 정방정 YSZ 박막을 증착하였다. ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)계에서 Y_(2)O_(3)의 함량이 라만 모드의 주파수에는 영향을 주지 않았다. ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-CeO_(2)계에서는 CeO_(2)의 첨가량에 따라 라만 주파수가 낮아지는 경향을 보인다. 반면에 ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-Nb_(2)O_(5), ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-GeO_(2)계에서는 정방정 YSZ 구조 내에서 양이온-산소 결합의 stretching 모드에 상응하는 라만 모드의 주파수가 증가하는 경향성을 보인다. 이에 대한 원인은 첨가 양이온의 이온 반경과 그에 따른 구조, 결합세기의 변화에 의하기 보다는 산소 공위의 영향때문인 것으로 분석된다. 정방정 YSZ를 표적으로 하여 Si(100) 기판위에 레이저 power, 산소 분압, 기판온도 등을 박막생장 조건 변수로 하여 실험한 결과, 레이저 power가 약 730 mJㆍ㎝^(-2)/pulse, 산소 분압이 100 mtorr, 기판 온도가 750℃ 의 최적 조건을 얻을 수 있었다. 박막 생장 특성은 라만 스펙트럼, x-ray pole figure 등의 측정을 통해 분석하였고, 주사 전자 현미경(SEM)으로 박막 표면을 관찰하였다.;The effect of substitution of tri-, tetra-,penta valent cations into tetragonal Yittria-Stabilized Zirconia(YSZ) is studied by Raman spectroscopy in order to investigate the stabilization mechanism of the cations in YSZ system. There was no change in the Raman modes for tetragonal zirconia in the ZrO_(2)-Y_(2)O_(3) system as a function of Y_(2)O_(3) content. The Raman lines in ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-CeO_(2) system shifted to lower frequencies as the CeO_(2) content increased. On the other hand, in ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-NbO_(5) and ZrO_(2)-Y_(2)O_(3)-GeO_(2) system, the Raman lines corresponding to the stretching modes of two sets of cation-oxygen bonds shifted to higher frequencies as a function of either NbO_(5)O_(5) or GeO_(2). These results suggest that oxygen vacancies ars the leading factor in the stabilization mechanism. Physical structure, bond strength, and coordination numbers of the cations are not the major factor in stabilizing tetragonal phase zirconia. Thin film form of YSZ has many applications including substrate for YBa_(2)Cu_(3)0_(7-δ) thin film deposition. Tetragonal YSZ thin films on the Si(100) substrates were deposited by pulsed laser deposition method at different conditions. The thin films were characterized by Raman Spectroscopy, x-ray pole figure, and SEM measurements. As a result, the optimum condition for the tetragonal YSZ thin film is that laser power = 730 mJ.cm^(-2)/pulse, oxygen pressure = 100 mtorr, and substrate temperature = 750℃.