고온 초전도 다층박막형 Biepitaxial 죠셉슨 접합 형성을 위한 기초 물성에 관한 연구

Abstract

고온 초전도 다층 박막으로 이루어진 biepitaxial domain boundary 죠셉슨 접합의 형성을 위한 기초 물성을 연구하였으며, dc SQUID를 제작하여 biepitaxial 죠셉슨 접합의 특성을 조사하였다. $SrTiO_3(001)$ 기판 위에 원통 형태의 stoichiometric (YBCO) target을 사용하는 dc-sputtering으로 YBCO 박막을 제작할 경우, 산소 압력이 10mTorr에서 250mTorr 까지의 구간에서 제작된 시료의 임계 온도 $T_zero$, Cu의 산소 결합도, 그리고 Y-Ba-Cu-O stoichiometry에는 모두 뚜렷한 변화가 없었다. 방전 전류가 150 mA 이상 일때 제작된 시료의 특성에는 뚜렷한 변화가 없었다. 그러나, 방전 전류가 30mA 이하 일 때 제작된 시료는 초전도 특성을 상실하는데, 이에 대한 주요 이유는 Cu의 산화도가 크게 감소하기 때문으로 관찰되었다. $T_s$가 740℃ 이상 일때 임계 온도 $T_zero$가 감소하는 이유는 Cu의 성분 비율이 감소하기 때문인 것으로 관찰되었다. $T_s$가 650℃ 이하에서 임계 온도 $T_zero$가 점차적으로 감소하는 이유는 a축 수직인 침상형 outgrowth에 의한 morphology 훼손일 가능성으로 관찰되었다. In-situ X-ray photoemission 측정에 의하여 0~100Å 두께를 갖는 YBCO 박막의 초기 성장을 조사하였다. 기판에서 발생하는 XPS 신호 크기가 박막 두께에 따라 지수적으로 감소하는 것은 YBCO 박막 성장이 초기에는 flat한 표면을 이루는 적층 구조적(layer by layer) 성장을 의미한다. 이러한 결과는 100Å 이상의 두께를 갖는 박막에서 STM으로 관찰되는 spiral expanding step edge island 구조와는 대조적이다. 따라서, 초기의 flat layered depositon이 박막이 두꺼워짐에 따라 spiral step edge island 구조로 전환되는 mechanism이 밝혀져야 한다. YBCO/$CeO_2$(/MgO)/$SrTiO_3$로 이루어진 45˚ angle biepitaxial domain boundary 접합을 제작하였다. MgO seed 층 위의 $CeO_2$가 약간의 결정의 왜곡을 보이고 있으나, YBCO overlayer의 특성은 양호하였다. 50㎛×0.5㎛ 단면적을 갖는 bridge에서 bicrystalline boundary의 임계 전류 밀도($J_c$)는 T=77K에서 $~3×10^2A/㎠$이며, $I_cR_n$은 4~5μV이었다. Biepitaxial domain boundary junction을 위한 $YBCO/CeO_2/MgO/SrTiO_3$ 다층 구조의 biepitaxial 성장에서 MgO seed 층의 두께가 30Å 보다 클때 $CeO_2[100]//SrTiO_3[100]$이 이루어지며, MgO 층의 두께가 ~100Å이 최적이다. MgO 층의 두께가 300Å 이상이면 $CeO_2$ 증착을 위한 온도를 ~100℃ 증가시키지 않는한 $CeO_2(001)$ 박막의 결정성은 약간 불량해진다. 그러나, YBCO의 초전도 특성에는 큰 영향이 없다. E-beam evaporation으로 제작된 MgO seed 층은 반드시 표면 산소처리를 해야만 그 위에 $CeO_2$ overlayer가 성장한다. $CeO_2$ 의 표면은 산소 처리하면 오히려 YBCO overlayer의 특성이 불량해 진다. $CeO_2/SrTiO_3$ 영역 위에서는 넓은 온도 범위에서 양호한 YBCO overlayer가 성장하지만, $CeO_2/MgO/SrTiO_3$ 영역 위에서는 낮고 좁은 온도 범위에서만 양호한 YBCO overlayer가 성장된다. $YBCO/CeO_2/MgO/SrTiO_3$ 다층 박막으로 이루어진 biepitaxial boundary 죠셉슨 접합형 dc SQUID를 inhibit pattern으로 제작하고 특성을 측정하였다. T=77K에서 죠셉슨 접합의 특성 전압은 $J_c=1.8×10^2A/㎠$,