열역학 - ZnO 박막

목차

1. Abstract

2. Introduction

3. Experimental design

4. Expectation
4-1 구조인자계산에 따른 회절면
4-2 우선 배향성을 가지는 면
4-3 온도에따른 FWHM & XRD Peak Intensity 변화

5. Conclusion

6. Reference

본문내용

따른 FWHM & XRD Peak Intensity 변화
박막은 일반적으로 기판 위에서의 핵생성(nucleation)과 성장(growth)을 통하여 island들이 형성되고, 이 island들이 합쳐져 형성된다. 일반적으로 기판은 박막과 화학적으로 다른 본질(chemical nature)을 가지고 있기 때문에 박막의 증착 과정은 adsorbed phase 또는 adsorbed atoms (adatoms)이라는 준안정한 제3의 상(phase)을 도입하여 설명한다. Adatom들이 모여 있는 것을 cluster라고 하고, 안정화된 cluster를 핵(nucleus)이라고 하며, 핵이 생성되는 과정을 핵생성이라고 한다. 핵생성의 간략한 개념도를 밑의 그림에서 보여주고 있다. 이렇게 생성된 핵들이 성장하고 합쳐져 연속막이 되는 과정을 핵 성장이라고 한다.
<그림. 4> 핵 생성 과정
핵들이 성장을 하고 박막을 이루는데 중요한 요인중 하나는 핵 생성 속도와 핵의 임계 반지름일 것이다. 이러한 개념에 대한 이론은 복잡한 열역학적 분석과 통계학적 분석을 통해 Capillarity Theory와 Walton-Rhodin Theory라는 박막성장 이론으로 정립되었다.
: 증착 속도
: 기판온도에서 박막 핵의 평형 증발속도
Ω : 원자 부피
위의 식은 Capillarity Theory에서 기판 온도와 증착속도에 따른 핵 생성 속도의 변화를 나타내주는 식이다. 위의 식을 분석해보면 아래와 같이 두 가지의 결론을 얻게 된다.
① 기판 온도 의존성
: 기판 온도가 증가할수록 임계 크기가 증가하여 불연속적인 island구조를 이룬다.
: 기판 온도가 증가하면 핵 생성 에너지 장벽이 증가한다.
② 증착 속도 의존성
: 증착 속도가 증가하면 좀 더 작은 island를 형성한다.
: 증착 속도가 증가하면 에너지 장벽이 감소한다.
<그림. 5> NaCl(111)에 증착시킨 Cu대한 증착속도와 기판온도에 따른 미세구조
그림. 5에서 볼 수 있듯이 우리는 열역학적인 분석을 통해서 기판온도를 높일수록 또한 증착속도를 낮출수록 결정립이 크고 단결정에 가까운 구조를 형성할 수 있다는 것을 예상할 수 있다.
이번 실험에서는 ZnO를 Al2O3기판위에 증착시킬때 기판의 온도를 증가시켜줌에 따라서 ZnO박막의 결정립의 크기의 증가와 결정성 증가가 이루어 질것이라는 예상을 XRD를 통해 확인해 볼 것이다. 또한 JCPDS 카드 상의 ZnO Diffraction Peak를 통해 앞서 계산한 구조인자와 비교해 볼 것이다.
5. Conclusion
<그림. 6> ZnO 분말시료에 대한 공정온도별 XRD Diffraction Peak
<그림. 7> Al2O3(0001)에 증착시킨 ZnO 박막의 기판온도별 XRD Diffraction Peak
문헌연구를 통해서 이번 실험설계와 동일한 박막에 대한 XRD Diffraction pattern을 확인 해본 결과 위의 그림과 같았다. 우리의 예상과 같이 Al2O3기판 위에 성장시킨 ZnO는 그림, 과 그림,를 비교해봄으로써 C축으로 우선 향함을 확인 할 수 있었고 온도가 높아질 수 록 ZnO(002)의 peak의 Intensity가 증가하는 것을 보아 성장된 박막의 결정성이 좋아짐을 확인할 수 있었다.
식(1)
또한 scherre fomular 식(1)을 이용하면 위에 예상했던 결과와 마찬가지로 온도가 증가함에 따라 B(FWHM)이 줄어드는 것으로 보아 박막의 미소결정립의 크기가 증가함을 알 수 있었다.
<그림. 8> ZnO의 JCPDS 카드
또한 계산된 구조인자와 JCPDS카드 상의 ZnO Diffraction pattern을 비교해 보면 Wurtzte 구조 역시 HCP와 같은 면지수에서 회절이 일어날 것이라는 우리의 예상과 일치하였음을 알수 있었다.
6. Reference
[1] 심은섭, InP 기판 위에 증착한 ZnO 박막의 특성 연구 ,연세대학교 대학원, 2003, p21-22
[2] psel.snu.ac.kr/psel/files/lecture/film-formation.hwp
[3] Lee H.Y, Principles of Thin Film Formation I: Nucleation and Growth, Georgia Institute of Technology, U.S.A,
[4] H.J. Yearian, Intensity of Diffraction of Electron by ZnO,PHYSICAL REVIEW, Vol. 48, 1935, p.631-639

키워드

산화아연,   아연,   열역학,   Zn,   결정학,   증착