[논문 리뷰] Room temperature ferromagnetism in transparent and conducting Mn-doped $SnO_{2}$ thin films

Sushant Gupta, V. Ganesan외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 08.

ZnO doping and properties참고 문헌 76인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 스퍼레이 피로리시스를 통해 제조한 투명하고 도핑된 Mn을 포함한 SnO₂ 박막에서 실온에서의 페로자성을 입증한다. 이 박막들은 높은 전기 전도도, 가시광선 영역에서의 투과도(50–65%), 그리고 350 K를 초과하는 투자온도를 보이며, 보조 상의 기여 없이 산화물 기반 스핀트로닉스 장치에 잠재적인 가능성을 보여준다.

ABSTRACT

The magnetization as a function of magnetic field showed hysteretic behavior at room temperature. According to the temperature dependence of the magnetization, the Curie temperature $(T_{C})$ is higher than 350 K. Ferromagnetic Mn-doped tin oxide thin films exhibited low electrical resistivity and high optical transmittance in the visible region (400-800 nm). The coexistence of ferromagnetism, high visible transparency and high electrical conductivity in the Mn-doped $SnO_{2}$ films is expected to be a desirable trait for spintronics devices.

연구 동기 및 목표

• 투명하고 도핑된 Mn을 포함한 SnO₂ 박막에서 실온에서의 페로자성을 달성하기 위해.
• SnO₂ 기반 희석자기반 반도체에서 페로자성, 높은 전기 전도도, 광학적 투과도의 공존을 조사하기 위해.
• 구조적 및 자기적 특성 분석을 통해 관측된 페로자성의 기원이 보조 상이 아님을 규명하기 위해.
• 특히 H⁺ 결함을 포함한 결함 화학이 도핑된 SnO₂ 박막의 전기적 및 자기적 성질과 어떻게 관련되어 있는지 조사하기 위해.

제안 방법

• 450 °C에서 유리 기판에 Mn 농도가 0에서 15 at.% 범위인 Mn 도핑된 SnO₂ 박막을 스퍼레이 피로리시스를 사용하여 증착하였다.
• X선 회절(XRD) 및 투과전자현미경(TEM)을 활용하여 테트라고날 루틸리트 상의 존재와 보조 상의 부재를 확인하였다.
• 윌리엄슨-홀 방법을 적용하여 XRD 데이터에서 결정립 크기 및 미세응력 분석을 수행하였다.
• 전기 저항도 및 홀 측정을 실시하여 운반자 농도와 이동도를 결정하였으며, H⁺ 결함에 의한 이온화된 불순물 산산을 확인하였다.
• 흡수 계수 데이터로부터 타크 플롯 방법을 사용하여 광역대역 갭을 계산하였다.
• 자기 히스테리시스 루프를 실온 및 온도 함수로 측정하여 투자온도(T_C)와 페로자성 거동을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Mn 도핑이 투명한 SnO₂ 박막에서 안정적이고 고온의 페로자성을 유도할 수 있는가?
• RQ2 Mn 도핑된 SnO₂에서 페로자성의 기원은 결함 매개 메커니즘인지, 보조 상인가?
• RQ3 Mn 도핑은 SnO₂ 박막의 전기 전도도와 광학적 투과도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 Mn 도핑된 SnO₂ 박막의 투자온도는 얼마이며, 실온을 초과하는가?
• RQ5 H⁺ 결함은 도핑된 박막의 전기적 및 자기적 성질에 어느 정도 기여하는가?

주요 결과

• Mn 도핑된 SnO₂ 박막은 실온에서 명확한 자기 히스테리시스 루프를 나타내어 페로자성 거동을 확인하였다.
• 이들 박막의 투자온도(T_C)는 350 K를 초과하는 것으로 확인되어 강력한 실온에서의 페로자성을 나타내었다.
• 전기 저항도는 낮았으며, 운반자 농도와 이동도는 H⁺ 결함에 의한 이온화된 불순물 산산에 의해 지배되는 n형 도핑 특성과 일치하였다.
• 가시광선 영역(400–800 nm)에서의 광학적 투과도는 50%에서 65% 사이로 나타나 고도의 투과성을 보였다.
• XRD 및 TEM 분석을 통해 MnO, Mn₂O₃, Mn₃O₄ 또는 SnMn₂O₄와 같은 보조 상의 부재를 확인하였으며, 이는 상 기반 페로자성의 기원을 배제하였다.
• Mn 도핑 농도가 증가함에 따라 광역대역 갭이 붉은 이동(레드시프트)하는 현상이 관찰되었으며, 이는 sp 운반자와 Mn d전자 간의 강한 교환 상호작용에 기인한 것으로 기인되었다.