[논문 리뷰] Direct writing of CoFe alloy nanostructures by focused electron beam induced deposition from a heteronuclear precursor

Fabrizio Porrati, Merlin Pohlit외 6명|arXiv (Cornell University)|2015. 06. 24.

Advanced Materials Characterization Techniques참고 문헌 11인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 단일 이종핵 화합물 전구체 HFeCo₃(CO)₁₂를 사용하여 집중 전자선 비산화증착(FEBID)을 통해 CoFe 합금 자성 나노구조를 직접 제작하는 것을 보여준다. 이 방법은 최대 84 at%의 금속 농도(약 80 at% CoFe 상)를 갖는 고금속성 나노구조를 생성하며, 250 K까지 자성 행동을 유지하여 스핀트로닉스 응용을 위한 고해상도 직접적 프린팅 기반의 기능성 자성 나노구조를 실현한다.

ABSTRACT

Recently, focused electron beam induced deposition has been employed to prepare functional magnetic nanostructures with potential in nanomagnetic logic and sensing applications by using homonuclear precursor gases like Fe(CO)5 or Co2(CO)8. Here we show that an extension towards the fabrication of bi-metallic compounds is possible by using a single-source heteronuclear precursor gas. We have grown CoFe alloy magnetic nanostructures from the HFeCo3(CO)12 metal carbonyl precursor. The compositional analysis indicate that the samples contain about 80 at% of metal and 10 at% of carbon and oxygen. Four-probe magnetotransport measurements are carried out on nanowires of various sizes down to a width of 50 nm, for which the room temperature resistivity of 43~$μΩ$cm is found. Micro-Hall magnetometry reveals that 50~nm$ imes$250~nm nanobars of the material are ferromagnetic up to the highest measured temperature of 250 K. Finally, the TEM microstructural investigation shows that the deposits consist of a bcc Co-Fe phase mixed with a FeCo2O4 spinel oxide phase with nanograins of about 5 nm diameter.

연구 동기 및 목표

• 단일 전구체를 사용하여 이중금속 자성 나노구조를 직접 프린팅하는 방법을 개발하기 위해.
• 이중 전구체 가스 시스템에서 FEBID를 사용할 경우 발생하는 조성 제어 불량과 낮은 금속 농도 등의 제약을 극복하기 위해.
• 이종핵 카보닐 전구체를 통해 CoFe 합금 나노구조에서 고금속 농도와 재현 가능한 조성을 달성하기 위해.
• 스핀트로닉스 응용을 위한 제작된 나노구조의 자성, 전기적 및 미세구조적 특성을 특성화하기 위해.

제안 방법

• Co와 Fe를 동시에 침착할 수 있는 단일 분자 원천으로 이종핵 전구체 HFeCo₃(CO)₁₂를 FEBID에 적용하였다.
• 전자선 스캐닝을 통해 전구체 분해와 나노구조 성장을 유도하기 위해 스캐닝 전자현미경(SEM)을 사용하였다.
• 50 nm 폭 이하의 나노와이어에서 4점 전도도 측정을 수행하여 전기 저항도를 평가하였다.
• 50 nm × 250 nm 나노바의 자성 행동을 250 K까지 평가하기 위해 마이크로홀 magnetometry를 수행하였다.
• 상과 조성 분석을 위해 투과전자현미경(TEM)과 에너지분산형 X선 분석(EDX)을 사용하였다.
• TEM 준비 과정 중 샘플 보호 및 미세구조 분석을 위한 제어된 결정화 유도를 위해 Pt-C FEBID를 적용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 이종핵 전구체가 FEBID를 통해 고금속성 농도의 CoFe 합금 나노구조를 직접 제작하는 데 가능할 수 있는가?
• RQ2 FEBID로 성장시킨 CoFe 나노구조의 자성 행동은 어떠한가? 자성 정렬은 어느 정도 온도까지 유지되는가?
• RQ3 침착물에 존재하는 미세구조적 상은 무엇이며, 금속 Co-Fe와 산화물 상의 상대 농도는 어떠한가?
• RQ4 전자선 조건과 기하학적 형상에 따라 나노구조의 원소 조성과 저항도는 어떻게 달라지는가?
• RQ5 마이크로홀 자화도 측정에서 관찰된 특징적인 벌레통 모양의 히스테리시스 루프는 무엇에 기인하는가?

주요 결과

• HFeCo₃(CO)₁₂를 사용한 FEBID 공정은 전형적인 이중 전구체에서의 FEBID보다 훨씬 높은 금속 농도(최대 84 at%)를 갖는 CoFe 합금 나노구조를 생성하였다.
• 조성 분석 결과, 약 80 at% 금속(코발트:iron 비율 3:1), 10 at% 탄소, 10 at% 산소로 구성되어 있으며, 이는 bcc Co-Fe 상과 FeCo₂O₄ 스파이널 산화물 상의 혼합물임을 나타낸다.
• 4점 측정 결과, 50 nm 폭 나노와이어의 실온 전기 저항도는 43 μΩ·cm로 금속적 행동을 나타내었다.
• 마이크로홀 자화도 측정을 통해 50 nm × 250 nm 나노바에서 250 K까지 자성 정렬이 확인되었으며, 특징적인 벌레통 모양의 히스테리시스 루프를 관찰하였다.
• TEM 분석 결과, 나노결정립 구조의 bcc Co-Fe 상(주요 상, 약 72.5 at% 금속)과 소량의 FeCo₂O₄ 스파이널 산화물 상(약 7.5 at% 금속)이 존재하며, 입자 크기는 약 5 nm였다.
• 벌레통 모양의 히스테리시스 루프는 물질의 다상성과 국소적으로 제한된 기하구조에서 발생하는 불안정한 자화 상태의 복합적인 역전 메커니즘에 기인한다.