RF-마그네트론 스퍼터링 기법으로 증착된 Fe₃O₄ 박막의 특성 최적화

Abstract

마그네타이트(Magnetite, Fe3O4)는 858 K의 높은 큐리 온도[1], 상온에서 100% 스핀 분극률 [2]과 함께 그 준금속성 특성을 기반으로 스핀 소자로의 높은 활용 가능성으로 인해 산업계뿐만 하니라 학계의 높은 관심을 받아왔다. 본 연구에서는 Ta 기저층을 도입하여 RF-마그네트론 스퍼터(RF-magnetron sputter)로 Si(001)＼200 nm SiO2＼5 nm Ta＼5 nm MgO＼x nm Fe3O4 다층박막을 증착하여 500 °C 이하 후열처리 에 의한 Fe3O4 박막의 결정성 향상에 따른 전기적 자기적 특성 규명에 대해 연구하였다. 하지층(under layer)의 유무에 따른 박막의 결정성과 계면 구조, 전자기적 특성에 대한 연구를 수행하였고, 후열처리 온도와 시간 조건에 변화를 주어 적합한 후열처리 조건을 확립하고자 하였으며, Fe3O4 박막 두께에 변화를 주어 벌크 상태와는 다른 나노 효과를 관측하였다. 박막에 대한 구조 분석은 X-선 회절분석법 (XRD, x-ray diffraction) 과 X-선 반사(XRR, x-ray reflection), 원자힘현미경 (AFM, atomic force microscope)을 통해 수행하였고 자기적 특성은 진동시료자력계(VSM, vibrating sample magnetometer)를 이용하였다. 전기적 특성은 4극 탐침기법(4-point probe method)을 통해 측정하였다. 그 결과 Ta＼MgO 하지층이 약 40 nm 박막의 산화철 Fe3O4 상 형성에 매우 민감한 영향을 미친다는 것을 관찰하였다. 450 °C에서 약 한시간의 진공 열처리에 의해 MgO(001)이 형성되는 경우에 한하여 Fe3O4 (001) 에피성장이 가능하며, 또 β-Ta (002)과 Ta2O5 혼성 박막구조가 형성되었음을 XRD 결과로 입증하였다. Fe3O4 (001) 에피박막의 경우, 기존에 알려진 벌크의 특성에 근사한 전기적 특성과 자기적 특성이 관찰되었는데, 특히 110 K 근처에서 관찰된 Verwey 상전이 현상은 스핀소자에 최적화된 Fe3O4 (001) 단결정 박막 성장이 가능함을 시사해주는 고무적인 결과라 할 수 있다.;Due to the high Curie temperature (858 K) and predicted half-metallic property, i.e. 100% spin polarization, Fe3O4 thin films have been highly considered as promising candidates for application in spintronic devices. In this work, we introduced Ta buffer layer to fabricate Fe3O4 thin film. Si(001)＼200 nm SiO2＼5 nm Ta＼5 nm MgO＼x nm Fe3O4 multilayer films were deposited using RF-magnetron sputter and post-annealed at temperatures below 500 ˚C. We investigated crystallinity, interface structure and electromagnetic properties according to the underlayer and their dependence on post annealing conditions. Moreover, in order to observe so-called nano effects different from bulk properties of Fe3O4, thickness dependence of the structural and magnetic properties was explored. Structural properties were analyzed using XRD(x-ray diffraction) and XRR(x-ray reflectivity), AFM(atomic force microscope) and magnetic property was measured using VSM(vibrating sample magnetometer). For the study of electrical property, 4-point probe method was used. As a result, we observed a very strong effect of Ta＼MgO underlayer on the formation of the magnetite (Fe3O4) inverse spinel structure. After the post-annealing at 450˚C for 1 hour, epitaxial MgO(001)＼Fe3O4(001) films were obtained. This can be attributed to the crystallization process of Ta layer. The XRD results indicate that β-Ta and Ta2O5 hetero structure can be formed after the annealing. The electromagnetic characteristics of Fe3O4 (001) epitaxial film were observed similar to the known bulk properties. Particularly, the observation of Verwey transition at around 110 K highly suggests that it is possible to grow single crystal Fe3O4 thin films optimized for next-generation spintronic device applications.