[논문 리뷰] Morphology of Superconducting FeSe thin films deposited by co-sputtering and MBE

Eike Venzmer, Alexander Kronenberg외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 05. 11.

Iron-based superconductors research인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 라디오파 스퍼터링과 분자선 에pitaxial (MBE)을 이용해 제조한 FeSe 얇은 필름의 형태 및 초전도성 특성을 비교한다. 스퍼터링 필름은 거칠기 약 100 nm이며 균열이 없는 매끄러운 표면을 보이며, MBE 필름은 마이크로크랙과 더 높은 거칠기를 나타낸다. 스퍼터링 필름은 중간점 Tc가 8.5 K에 도달하고 우수한 형태를 보이며, 향후 불규칙 초전도성에 대한 표면 민감도 연구에 유리하다.

ABSTRACT

The presumably unconventional superconductor Beta-FeSe was deposited by radio frequency sputtering and molecular beam epitaxy (MBE) from two elementary sources. Superconducting thin films were grown in (001)-orientation on MgO(100) and YAlO3(010) substrates. The morphology of the samples was studied and directly related to the superconducting properties of the Beta-FeSe thin films. The MBE grown thin films show microcracks down to the substrate and a roughness of about 100~nm. In contrast, sputter deposited superconducting thin films show a smooth surface with almost no precipitates. In both cases resistive superconducting transitions with critical temperature up to 8.5 K were observed. However, the smoothness of the sputter deposited films is crucial for future surface dependent investigations.

연구 동기 및 목표

• 라디오파 스퍼터링과 MBE를 이용해 제조한 FeSe 얇은 필름의 형태학적 및 초전도성 특성을 비교한다.
• 필름 형태학이 비규칙 초전도성에 대한 표면 및 인터페이스 의존적 연구에 미치는 영향을 규명한다.
• 공스퍼터링을 통한 스토이히오메트리 제어 최적화를 통해 필름 품질 및 초전도 성능을 향상시킨다.
• 스퍼터링된 FeSe 필름이 매끄럽고 마이크로크랙이 없어 향후 표면 민감도 실험에 더 우수한 플랫폼을 제공함을 입증한다.

제안 방법

• 라디오파 스퍼터링을 이용해 별도의 Fe 및 Se 타겟에서 MgO(100) 및 YAlO3(010) 기질에 에피택셜 FeSe 얇은 필름을 증착하였다.
• MBE 성장은 전자빔 증착기에서 Fe를, 효도 셀에서 Se를 공증착하여 350 °C 기질 온도에서 수행하였다.
• 라디오파 스퍼터링 중 기질 전체에 걸쳐 Fe/Se 비율의 스토이히오메트릭 기울기가 발생하여 한 번의 필름에서 조성 의존성 특성을 연구할 수 있도록 하였다.
• 구조적 특성 분석은 X선 회절(XRD) 및 θ/2θ 스캔을 사용하였으며, 부분 조명을 통해 조성 변화를 맵핑하였다.
• 표면 형태학은 주사전자현미경(SEM) 및 원자력현미경(AFM)을 통해 분석하였다.
• 전기적 운반 특성 측정은 4점 프로브 구성을 사용하였으며, 전류는 Fe/Se 기울기와 평행 및 수직 방향으로 공급하였고, 국소 측정을 위해 포토리소그래피 패턴을 사용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라디오파 스퍼터링과 MBE 증착 방법 간의 FeSe 얇은 필름 형태학은 어떻게 다를까?
• RQ2 FeSe 얇은 필름에서 스토이히오메트리와 표면 형태학 간의 관계는 무엇인가?
• RQ3 FeSe 얇은 필름에서 스토이히오메트릭 기울기 전역에서 초전도 전이 온도 Tc는 어떻게 변할까?
• RQ4 라디오파 스퍼터링된 FeSe 얇은 필름은 비규칙 초전도성에 대한 표면 민감도 연구에 적합한 고품질 형태를 확보할 수 있는가?
• RQ5 스퍼터링된 FeSe 얇은 필름의 임계 전류 밀도는 얼마이며, 단일 결정체와 비교해 어떻게 되는가?

주요 결과

• 스퍼터링 증착된 FeSe 얇은 필름은 거칠기 약 100 nm이며 균열이 없는 매끄러운 표면를 보이며, 이는 MBE로 제조된 필름과는 대조적으로 마이크로크랙과 더 높은 거칠기를 나타낸다.
• 전류가 Fe/Se 기울기와 수직일 경우, 중간점 초전도 전이 온도 Tc,midpoint는 8.5 K에 도달하였으며, 전이 폭이 좁아 ΔTc ≈ 1.1 K였다.
• EDX를 통한 확인 결과, 스퍼터링 필름의 Fe/Se 비율에 약 20%의 변동이 있었으며, 이는 형태학적 변화와 비스토이히오메트릭 조성에서 불순물 상 형성과 관련이 있었다.
• 포토리소그래피 패턴을 적용한 스트립은 중심 스트립에서 Tc,midpoint가 5.8 K로 측정되어 가공 과정에서의 열화 또는 최적 영역을 놓친 것으로 나타났다.
• 4.2 K에서 임계 전류 밀도 jc는 약 6.8 × 10³ A/cm²로 측정되었으며, 이는 부피 기반 초전도성의 상당한 기여를 나타내는 것으로, 베타-FeSe 단일 결정체(1.8 K에서 약 10⁴ A/cm²)와 유사한 수준이었다.
• XRD θ/2θ 스캔 결과, (001)-방향으로 에피택셜 성장이 확인되었으며, 비스토이히오메트릭 조성 영역에서는 Fe3Se4 불순물 상이 나타났다.