[논문 리뷰] Synthesis of ReN3 thin films by magnetron sputtering

G. Soto, Hugo Tiznado외 2명|arXiv (Cornell University)|2012. 11. 07.

Metal and Thin Film Mechanics인용 수 5

한 줄 요약

이 연구는 실온에서 반응성 마그네톤 스퍼터링을 통해 타겟 포isoning을 이용하여 레니늄 산화물(ReN3) 박막의 합성을 입증한다. 밀도함수이론(DFT)은 삼각형 Ama2 (40) 공간군에서 에너적으로 안정된 ReN3를 확인하며, 이는 이전 보고된 ReN2와는 대조적으로 질소 농축된 아지드 화합물임을 밝힌다. 또한 타겟 포isoning은 질화물 박막을 위한 실현 가능한 합성 경로로 확인된다.

ABSTRACT

Recently was reported a novel compound between rhenium and nitrogen, announced with ReN2 composition. This compound was synthesized by the high temperature and high pressure method. We found that the diffraction peaks of this compound are in agreement with the x-ray pattern of a rhenium-nitrogen film, under the assumption that the film is oriented on the substrate. The film was prepared by reactive magnetron sputtering, at room temperature, and deposited on a silicon wafer. From the analysis of the diffractograms it could be concluded that both materials share the same structure. By density functional calculation was found that the composition could be ReN3, instead of ReN2, as stated before. The ReN3 fits in the Ama2 (40) orthorhombic space group, and by the existence of N3 anions it should be categorized as an azide; that is, a nitrogen-rich compound. To reach high nitrogen concentrations by sputtering a crucial step is the target-poisoning. Under this regime of deposition is ensured that the compound is formed simultaneously on the substrate and the target. The poisoned target is rarely used because of a reduced sputtering yield, but as shall see, it can be used as a novel synthetic technique.

연구 동기 및 목표

• 반응성 마그네톤 스퍼터링 조건에서 레니늄 질화물 상의 형성을 조사한다.
• 레니움-질소 화합물에서 보고된 ReN2와 ReN3 조성 간의 모순을 해결한다.
• 고질소 함량을 갖는 스퍼터링 박막에 도달하기 위한 타겟 포isoning을 새로운 방법으로 탐색한다.
• X선 회절(XRD)과 DFT 계산을 통해 생성된 레니움 질화물 상의 결정 구조와 안정성을 규명한다.

제안 방법

• 레니움 금속 타겟을 질소 함유 플라즈마에서 실온에서 반응성 마그네톤 스퍼터링을 수행하였다.
• 동시 타겟과 기질에서 화합물 형성을 촉진함으로써 질소 도핑을 향상시키기 위해 타겟 포isoning을 적용하였다.
• 沈착된 박막의 결정 구조 및 상 조성을 분석하기 위해 X선 회절(XRD)을 사용하였다.
• ReN3 및 ReN2 상의 안정성과 전자 구조를 평가하기 위해 밀도함수이론(DFT) 계산을 수행하였다.
• XRD를 통한 구조적 특성 분석을 가능하게 하기 위해 박막을 실리콘 웨이퍼 기질에 증착하였다.
• 이론적 분석은 ReN3의 삼각형 Ama2 (40) 공간군과 ReN3 조성의 에너적 선호도에 집중하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반응성 마그네톤 스퍼터링을 통해 안정된 상으로서 ReN3 박막을 합성할 수 있는가?
• RQ2 특정 정렬 조건을 가정할 경우, 보고된 ReN2 박막의 XRD 패턴이 왜 ReN3 구조와 일치하는가?
• RQ3 타겟 포isoning은 고질소 함량의 레니움 질화물 박막을 얻기 위한 실현 가능한 방법인가?
• RQ4 DFT 계산을 통해 ReN3의 열역학적 안정성은 ReN2에 비해 어떻게 되는가?
• RQ5 ReN3에 존재하는 N3 이온은 이 화합물이 질소 농축 아지드 화합물로 분류될 수 있음을 뒷받침하는가?

주요 결과

• 기질 상의 박막 정렬을 가정할 경우, 레니움-질소 박막의 XRD 패턴은 ReN3 상과 일치한다.
• 밀도함수이론 계산을 통해 ReN3는 ReN2보다 에너적으로 더 안정적이며, 이는 ReN3 조성의 타당성을 뒷받침한다.
• ReN3는 삼각형 Ama2 (40) 공간군에서 결정화되어 잘 정의된 결정 구조를 나타낸다.
• N3 이온의 존재로 인해 아지드 화합물로 분류되며, 이는 질소 농축 성질을 확인한다.
• 타겟 포isoning은 질소 도핑을 크게 향상시켜 스퍼터링 수율 감소에도 불구하고 ReN3의 형성을 가능하게 한다.
• 이 연구는 스퍼터링 중 포화된 타겟을 이용한 고질소 함량 전이 금속 질화물의 새로운 합성 경로를 확립한다.