라만 분광을 통한 NdBa₂Cu₃O_(7-δ) 박막 제작 조건과 물성간 관계 연구

Abstract

고온 초전도체의 높은 응용 가능성- 자기공명영상장치, 핵자기공명분광기, 초전도 전력 저장장치, 초전도 전력 케이블- 때문에 높은 전이 온도와 높은 임계 전류 밀도를 가지는 초전도체 박막의 개발 및 연구가 활발하다. 라만 분광학은 라만 활성 격자 진동 모드 뿐만 아니라 산소 함량, 양이온 혼잡, 불순불 상, 그리고 구조 변이 혹은 결정의 성장 방향을 동시에 관측할 수 있기 때문에 어떠한 공정 과정이 초전도체의 전이 온도와 임계 전류 밀도에 영향을 주는지 분석하는데 좋은 도구가 될 수 있다. 이 논문에서는 펄스 레이저 증착 방법으로 SrTiO₃ (100) 기판 위에 증착하되 증착시 사용한 가스와 압력 조건을 달리한 한 NdBa_2Cu_3O_(7-δ) 초전도 박막들을 라만 분광 방법으로 분석해 보았다. 그 결과 충분한 산소량이 공급되고 400 mTorr 이상의 증착 압력 하에서 만들어진 초전도 시료의 경우 강한 c 축 성장으로 인한 높은 임계 전류 밀도를 갖게 될 뿐만 아니라 산소 결핍과 양이온 혼잡이 보이지 않거나 혹은 시료 전체적으로 나타나는 특성이 아님으로 인한 높은 전이 온도를 가질 수 있음을 보일 수 있었다. 반면 100 mTorr와 200 mTorr 의 낮은 증착 가스의 압력 하에서 만들어진 시료의 경우 a축 성장과 양이온 혼잡으로 인하여 전이 온도와 임계 전류 밀도 모두 낮은 값을 가지게 되었다는 것을 알 수 있었다. 시료 증착 시 총 압력과 산소 분압이 기판 온도, 기판과 타겟 간 거리, 기판과 타겟의 기하학적 배치와 더불어 박막의 초전도 물성에 영향을 미친다는 점을 박막의 위치별로 라만 산란 측정을 함으로써 박막의 방향성, 불순물의 존재 유무, 산소 함량 및 양이온 혼잡등과 초전도 특성인 T_(c), J_(c)와 연관 지어 설명할 수 있었다.;Much effort is devoted to find out ideal processing conditions of high Tc superconductor with high transition temperature and high critical current density because of its plentiful application area, i. e., power generator, power cable, magnet, and power storage device. Raman spectroscopy could be a powerful tool to investigate the relationship between superconducting properties - transition temperature and critical current density- and its processing conditions. Raman spectra have useful information about oxygen contents, cation-disorder, additional impurity phases, and in-phase texture as well as Raman active optical phonon modes. We investigated the properties of Nd₁Ba₂Cu₃O_(7-δ) (NdBCO) films using Raman spectroscopy. The NdBCO films were grown on (100) SrTiO₃ single crystal substrates by pulsed laser deposition (PLD) in wide oxygen pressure and mixed gas pressure in the range of 100-800 mTorr. Results of polarized micro-Raman spectroscopy inform that the films fabricated in the high pressure region show excellent superconducting properties with T_(C) of 90 ~ 92 K and J_(C) of ~ 3 MA/㎠, c-axis orientation, existence of BaCuO₂ phase, and no cation-disorder or just local cation-disorder. On the other hand, poor superconducting properties of NdBCO films processed in 100 mTorr and 200 mTorr are due to a- (or b-) axis growth along with cation-disorder. Our Raman results show that not only substrate temperature, distance between substrate and target, and geometry of substrate and target but also total pressure and oxygen partial pressure affect the superconducting properties including T_(c) and J_(c).