전이금속(TM)이 치환된 Zn_(1-x) TM_(x)O 반도체 물질의 자기 특성 연구 = (A) study of magnetic properties of transition-metal(TM) doped Zn_(1-x) TM_(x)O semiconductor

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 II-VI 족 반도체인 산화아연(Zinc Oxide) 계열의 묽은 자성 반도체(diluted magnetic semiconductor)에 대한 연구이다. 진공 봉합 소결 시료인 Zn_(0.9)Co_(0.1)O 에서 강자성 특성의 원인은 코발트 금속의 이차상으로 인한 코발트 클러스터임을 확인하였다. 산화아연(ZnO) 반도체의 아연(Zn)을 각종 전이금속(TM = Fe, Co, Mn)으로 치환하고 합성하여 구조적, 자기적 특성 등을 조사하였다. 코발트(Co) 치환의 경우는 코발트의 농도를 0 에서 0.20 몰까지 변화시켜 체계적인 실험이 이루어졌다. 구조 분석을 통해 단일상이 확인된 시료에서는 모두 반강자성 특성이 발견되었고, 전이금속 이온의 농도를 증가시킴에 따라 반강자성 특성도 증가 하였다. 아울러, 진공 열처리와 산소 고압 열처리의 두 가지 각기 다른 열처리 방법과 그 조건의 변화를 통해 Zn_(1-x)Co_(x)O(x=0.1, 0.15)의 전하운반체 농도의 변화를 꾀하였고, 그에 따른 자기적 특성을 연구하였다. 그 결과, 진공 열처리 과정을 거친 시료의 전하운반체의 농도의 증가가 자기적인 특성에는 영향을 주지 않았다는 중요한 사실을 알 수 있었고, 산소 고압 열처리 과정을 거친 시료는 재고의 과정이 요구된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This is the study of electric and magnetic properties of transition metal doped Zn_(1-x)TM_(x)O (TM = Fe, Co, Mn) diluted magnetic semiconductors. The polycrystalline samples were synthesized by both the solid-state and the liquid-phase reaction. The magnetic properties of Zn_(1-x)TM_(x)O is found to be sensitive to the preparation condition. The ferromagnetic ordered moments were observed only in some Co-doped Zn_(1-x)Co_(x)O samples with the Co-metal phase. The ferromagnetism observed in Zn_(1-x)Co_(x)O is attributed to the Co metal clusters which is not incorporated in the ZnO structure. The systematic study of magnetic properties of Zn_(1-x)TM_(x)O single phase was performed for different transition metals (TM = Fe, Co, Mn) and different doping concentration (x). The magnetic properties of pure Zn_(1-x)TM_(x)O is found to be dominated by the antiferromagnetic (AF) interaction between doped transition metal ions, whereby the antiferromagnetic (AF) coupling strength is simply increased with the concentration of the doped transition metal. The dependence of the electric and magnetic properties of Zn_(1-x)Co_(x)O on the carrier concentration was also investigated. The carrier concentration was controlled by the vacuum annealing or the high pressure oxygen annealing. While the electrical conductivity is strongly sensitive to the annealing process and condition, the magnetic properties is negligibly changed by the annealing process. This suggests that the magnetic properties of Zn_(1-x)TM_(x)O does not depend on the carrier concentration.

목차 (Table of Contents)

• 목차 = 1
• 초록 = 1
• 1. 서론
• 1.1. 연구목적 = 2
• 1.2. 연구 배경 = 4
• 1.2.1. II-VI 족 반도체 = 4
• 1.2.2. III-V 족 반도체 = 6
• 1.2.3. 기타 반도체 = 8
• 1.3. 산화아연(ZnO) = 13
• 1.3.1. 산화아연(Zinc Oxide)의 구조 및 특성 = 13
• 2. 실험 및 결과
• 2.1. 코발트 클러스터에 기인한 Zn_(0.9)Co_(0.1)O 의 강자성 특성 = 15
• 2.1.1. 제작 및 측정 = 15
• 2.1.2. 결과 분석 = 16
• 2.1.2.1. 구조 분석 = 16
• 2.1.2.2. 자기 특성 분석 = 18
• 2.2. 각종 전이금속이 치환된 Zn_(1-x)TM_(x)O (TM = Fe, Co, Mn) = 23
• 2.2.1. 제작 및 측정 = 23
• 2.2.2. 결과 분석 = 24
• 2.2.2.1. 구조 분석 = 24
• 2.2.2.2. 자기 특성 분석 = 25
• 2.3. 코발트의 농도 변화에 따른 Zn_(1-x)Co_(x)O 의 자기적 특성 = 30
• 2.3.1. 제작 및 측정 = 30
• 2.3.2. 결과 분석 = 32
• 2.3.2.1. 구조 분석 = 32
• 2.3.2.2. 자기 특성 분석 = 37
• 2.4. 열처리 조건에 따른 Zn_(1-x)Co_(x)O 의 전기, 자기적 특성 연구 = 44
• 2.4.1. 제작 및 측정 = 44
• 2.4.2. 결과 분석 = 48
• 2.4.2.1. 구조 분석 = 48
• 2.4.2.2. 전기적 특성 분석 = 49
• 2.4.2.3. 자기적 특성 분석 = 54
• 3. 결론 = 59
• Ⅲ. 참고 문헌 = 60
• 영문 논문 제출서 = 64
• 영문 인준서 = 65
• ABSTRACT = 66