RNi₂B₂C(R=Lu,Y,Ho) 단결정과 YBa₂Cu₃O_(7)-δ microbridge의 RAMAN 연구

Abstract

1987년 금속산화물계에서 초전도성이 발견된 이후로 초전도 전이온도는 급격히 증가하여, 현재는 고압(30 GPa)하의 수은계 초전도체에서 165 K에 이르고 있다. 고온 초전도성이 발견된 이후로, 금속산화물계에서의 고온 초전도성이 보통의 초전도성과 무엇이 비슷하고 무엇이 다른지에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문에서는 금속화합물이면서도 보통초전도성을 보이는 RNi_(2)B_(2)C (R = 회토류 원소)계 초전도체와 금속산화물 초전도체로 가장 많이 알려진 YBa_(2)Cu_(3)O_(7-δ) (YBCO) 초전도체에 대해 수행한 라만 연구 결과를 논의 한다. RNi_(2)B_(2)C에서는 라만 연구의 첫단계에 해당하는 모드 assignment을, YBCO에서는 응용의 첫단계인 microbridge에서의 변형 (strain) 효과를 연구한다. 지금까지 RNi_(2)B_(2)C 상에 대한 연구 결과 중에서 라만 연구는 다결정 시료 YNi_(2)B_(2)C에 대한 연구 논문뿐이다. 본 논문에서는 RNi_(2)B_(2)C (R = Lu, Y, Ho) 단결정에 대한 라만 스펙트럼을 측정하고 모드를 assignment 하였다. 실험 결과 라만 피크는 190 cm^(-1) 와 830 cm^(-1) 근처에서 보였고, 편광방향 의존성으로부터, 이 모드들은 각각 Ni-B_(1g)모드와 B-A_(1g) 모드로 지정하였다. LuNi_(2)B_(2)C 결정에 ^(11)B 대신에 ^(10)B를 치환하여 라만 주파수의 변화를 측정한 결과, 830 cm^(-1) 근처의 모드가 B원자의 진동으로부터 기인한다는 것을 확인하였다. Hadijiev등에 의한 다결정 YNi_(2)B_(2)C의 라만 측정에서 관찰되었던 Ni의 E_(g) 모드와 B의 E_(g) 모드는 단결정에서는 발견되지 않았으며 ,다결정 시료에 존재하는 불순물상에 의한 라만 피크(peak)일 가능성이 있다. 고온초전도체를 응용하기 위해서는 박막 시료를 microbridge로 가공하는 것이 필수적이다. YBCO 박막으로 microbridge를 만들었을 때 ,폭이 좁은 microbridge에서 표면에 의한 변형력을 받는다면, 그것은 힘을 받는 부분이 원래 결정구조 보다 찌그러짐을 의미하며, 그것은 결정의 진동에 영향을 미쳐서 라만 피크의 주파수 혹은 선폭이 달라질 것이다. 이러한 변형에 의한 라만 모드의 변화를 보기 위해서 bridge부분과 폭이 넓은 부분, 그리고 두 부분의 경계에서 두 가지 편광 방향에서 라만 스펙트럼을 측정하였고, Lorentzian fitting을 사용해서 340 cm^(-1) 모드와 500 cm^(-1) 모드의 피크 위치와 반치 전폭(full width half maximum)을 계산했다. 본 실험 결과 편광 방향이 microbridge의 길이에 수직한 경우는 340 cm^(-1) 모드와 500 cm^(-1) 모드에 어떠한 변화도 보이지 않았으며, 편광 방향이 길이에 같은 방향인 경우 bridge부분에서 340 cm^(-1) 모드의 반치전폭이 넓어지고, 340 cm^(-1) 모드에 대한 500 cm^(-1) 모드의 상대적인 세기가 작아지는 경향을 볼 수 있었다. 이는 microbridge에서의 변형력이 bridge길이쪽으로만 방향성 (uniaxial)을 갖는다는 것을 의미한다. 그리고 이uniaxial 변형력이 apical 산소(O_(Z))의 A_(1g) 라만 텐서의 xx 와 yy 요소의 크기를 다르게 만든다는 것을 보여준다. 즉, 변형력 방향의 A_(1g) 라만 텐서 성분이 변형력에 의해 작아지며 ,이는 변형력에 의해 축퇴가 개짐을 의미한다.;Since the discovery of superconductivity in the metallic oxide system in 1987, the superconducting transition temperatures (T_(c)) have increased rapidly. Currently Hg-based superconductor has the highest record of T_(c)(165 K) at high pressure (30 GPa). Recently, research on similarity and difference between high temperature superconductivity and conventional superconductivity in the meatllic oxide system is very active. In this thesis, results of Raman studies of YBa_(2)CaCu_(3)O_(7_δ)(YBCO) and RNi_(2)B_(2)C (R=Lu, Y, Ho) are presented. The former system(YBCO) is a model example of high temperature superconductors while the latter system is an example of conventional superconductors. As the first step of Raman study on RNi_(2)B_(2)C system, the Raman modes of the system are assigned by polarization-dependence measurements. In addition, the strain effect of microbridge of YBCO is investigated as the first step toward its application. Recently, superconductivity in the RNi_(2)B_(2)C (R=Lu, Y, Ho) was discovered. However, there is no report of Raman measurements on RNi_(2)B_(2)C single crystals except for a few on polycrystalline RNi_(2)B_(2)C. In this paper, results of Raman measurements and mode assignments on the RNi_(2)B_(2)C (R=Lu, Y, Ho) single crystals are reported. Raman peaks are observed at 190 ㎝^(-1) and near 830 ㎝^(-1). From the polarization-dependence measurements, these modes are assigned to be the Ni-B_(1g), and B-A_(1g), modes, respectively. By the study of Boron isotope (10)^B substitution for (11)^B in the LuNi_(2)B_(2)C crystal, it is confirmed that the mode near 830 ㎝^(-1) is originated from the vibration of B atom. From the RNi_(2)B_(2)C (R=Lu, Y, Ho) single crystals, E_(g), modes of Ni and B atoms which were observed in YNi_(2)B_(2)C polycrystalline by Hadijiev etal. were not observed. The E_(g) modes reported by Hadijiev etal. might be the Raman peaks from the impurity phase in their polycrystalline samples. For the application of high temperature superconductor, it is essential that thin films are manufactured into the form of microbridge. When the microbridges are made of YBCO thin films, it is expected that the surface stress becomes considerable as the thickness and the width of the microbridge get smaller. Raman frequency and/or linewidth of the microbridge will indicate this influence. Raman spectra from several different parts of the microbridge of different widths are studied Peak positions and full-width-half-maximum (FWHM) of 340 ㎝^(-1) and 500 ㎝^(-1) modes are analyzed by Lorentzian fitting. According to the results, the FWHM of the 340 ㎝^(-1) mode increases and the intensity ratio of the 500 ㎝^(-1) mode with respect that of the 340 ㎝^(-1) mode as the widths of the microbridge get narrower. This happens only when the polarization of the excitation light is in parallel with the direction of length of the microbridge. This means that the stress in the microbridge is in the direction of length of the microbridge, and that the uniaxial stress breaks the degeneracy of the xx and yy components of the O_(Z) A_(1g), Raman scattering tensor.