$Fe^{4+}$ impurity-$O^2$-vacancy complex $(Fe^{4+}-V)$가 환원시킨 $SrTiO_3$의 광흡수에 미치는 영향

Abstract

pure 시료와 Nb 를 doping 한 $S_rT_iO_s$ 단결정을 흑연도가니를 이용하여 $1300 \sim 1650\,^\circ\!C$의 온도영역에서 고온 환원한 다음 공기중에서 온도를 올리며 산화시켜 흡수 Spectrum 을 측정한 결과 $0.38 \sim 2.5 \mu m$ 파장영역에서 지금까지 관측된 바 있는 4개의 흡수 peak $2.9eV (0.41 \mu m),\; 2.4eV (0.50eV),\; 1.7eV (0.70\mu m),\; 1.0eV (1.20 \mu m)$ 을 관측했다. 특히 Strong 2.9eV peak이 관측되었는데 이 peak을 주는 흡수 center는 compensating acceptor center 임이 밝혀졌다. 다른 실험결과와 비교하여 이 center는 $Fe^{4+}-V$인 것으로 결론지었으며, 이 model에 의해 관측된 흡수 Spectra와 다른 실험결과를 설명할수 있었다. 실험에서는 또한 열처리에 따라 시료의 색갈이 연속적으로 여러가지 색갈로 변화되는 것이 관측되었는데 이는 열처리에 따라 $Fe^{4+}-V$가 다른 impurity center로 변하여 가시영역의 흡수에 변화를 주기 때문이라 생각되었으며 관측된 색갈은 흡수 Spectrum으로 부터 설명할 수 있었다. 얻어진 흡수 peak으로 부터 Smakula식을 이용하여 계산된 흡수 center의 수는 $Fe^{4+}-V$가 original $S_rT_iO_s$ 시료에 th淪？岵막? 존재하는 Fe impurity에 의해 생성된 것임을 보여 주었으며 고온 환원시켰을 때 이 center가 특히 많이 생기는 것은 전자와 longitudinal optical phonon의 강한 상호작용에 관계되는 것으로 생각되었다. 흡수 Spectrum 에서 free carrier absorption 영역의 흡수는 일반적으로 1.0eV의 broad peak과 free carrier absorption이 overlap 되고 다시 여기에 열처리에 따라 변화하는 2.9eV, 1.7eV peak 그리고 C.Lee 등에 의해 관측된 0.25eV peak의 영향으로 결정되는 것이 밝혀졌으며 특히 2.9eV peak의 흡수 center $Fe^{4+}-V$는 나머지 흡수 peak에 큰 영향을 주는 것이 알려졌다. 이로서 지금까지 이 영역의 흡수가 이론적 계산과 실험결과가 달랐던 사실을 설명할 수 있었다. $Fe^{4+}-V$는 고온에서도 매우 안정하여 적당한 량의 Fe impuity를 doping하여 고온 환원한 다음 다시 산화시키면 시료의 전기적 특성을 metal에서 insulator 다시 semiconductor 로 크게 변화시킬 수 있는 가능성이 있음을 관측했다. 시료의 색갈과 전기적 특성을 인위적으로 바꿀 수 있다는 사실은 응용면에서도 중요한 의미를 가질수 있는 것으로 생각된다.