NO₃가 부분치환된 TlSr₄Cu₂O_z(SO₄)계의 초전도 특성

이호근, New Physics: Sae Mulli 70, 909 (2020).

YBa₂Cu₃O₇(Y-123) 고온 초전도체의 구조가 [(BaO)(CuO)(BaO)][(CuO₂)(Y)(CuO₂)]의 반복 형태임이 밝혀진 후, 초전도 현상은 (CuO₂) 평면층의 홀 농도가 적당한 수준일 때에 나타남이 밝혀졌다. 따라서 보통 [(CuO₂)(Y)(CuO₂)] 블록은 초전도 특성을 나타내는 활성블록(active block, superconducting block), [(BaO)(CuO)(BaO)] 블록은 활성블록에 홀 등 전하를 공급하는 역할을 한다고 전하보관블록(charge reservoir block)이라 부르고 있다. 이러한 구조적 특성의 이해를 바탕으로 전하보관블록의 구성 원소 중 Cu 대신 다양한 양이온 원소의 치환 연구 결과로 Tl계 및 Hg계 등의 새로운 초전도체가 발견되었다. 특히 전하보관블록의 치환 원소 중 많이 연구되어온 양이온 대신 [CO₃]^2-, [SO₄]^2- 등의 산화 음이온(oxyanion)도 CuO 대신 일부 치환될 수 있음이 밝혀졌다.

그후 (Tl_0.5Pb_0.5)Sr₄Cu₂O₇ CO₃계에서 약 70 K의 초전도 특성이 관측되었다. 이 초전도체는 (Tl_0.5Pb_0.5)Sr₂CuO₅상과 Sr₂CuO₂CO₃상이 교대로 층 구조를 이루는 합생(intergrowth) 구조의 특성을 보였다. 매우 흥미있는 사실은 이들 두 상은 초전도 특성을 보이지 않는다는 것이다. 즉, Sr₂CuO₂CO₃상은 절연체이며, (Tl_0.5Pb_0.5) Sr₂CuO₅상은 과잉 홀 상태의 금속적인 특성을 나타내며, 최적화 되더라도 약 40 K의 초전도 특성을 보인다. 따라서 합생구조의 물질 합성은 초전도체가 되지 않는 상들의 적당한 층구조 조합을 통해 임계온도가 향상된 새로운 초전도체를 개발하는 방안이 될 수 있음을 시사해주었다. 최근 본 연구자는 CO₃보다 열적으로 안정한 SO₄에 기반한 새로운 TlSr₄Cu₂O₇SO₄ 초전도체를 합성하는데 성공했으며, 이 초전도체의 최고 임계온도는 76 K였다.

본 연구에서는 SO₄ 대신 NO₃를 치환한 경우의 상형성 및 초전도특성에 대해 연구했다. X-선 회절 분석을 통해 TlSr₄Cu₂O_zS(SO₄)_1-x(NO₃)_x계 초전도체의 NO₃의 고용한계 x는 약 0.35임을 밝혔으며, 고용한계 내에서는 임계온도의 변화가 매우 적음을 보여주었다. 본 연구의 결과는 공기의 중요 원소인 질소에 기반한 NO₃가 고온초전도체 전하보관층의 중요 요소가 될 수 있으며, 추가적 연구로 새로운 초전도체의 합성에 활용될 수 있음을 시사해주었다.

고품질 구리 박막으로부터의 산화구리 박막

천미연, 이유실, 김수재, 정세영, New Physics: Sae Mulli 70, 914 (2020).

아주 얇은 막을 뜻하는 박막은 두께가 수백 나노미터에서 수 나노미터 정도이기 때문에 박막 자체만 존재하기는 어렵다. 따라서 박막은 기판이라고 불리는 상대적으로 두꺼운 물질 위에 성장시키게 되는데 일반적으로 성장시키고자 하는 박막과 기판은 서로 다른 물질이라 격자 상수 불일치로 인해 고품질 박막을 성장하는 것은 어려운 과제 중의 하나이다. 이를 해결하기 위한 방법 중의 하나로 최근 수정된 스퍼터링 기술을 이용하여 돌연경계 제어, 무결함, 초평탄 박막 성장이 가능한 금속 박막 성장 기술이 제안되었고 이를 이용하여 사파이어 기판 위의 무결함 구리 박막의 성장이 성공적으로 이루어졌다. 수정된 스퍼터링법으로 성장된 구리 박막은 표면 거칠기가 0.2 nm 정도의 초평탄면을 가지며 산화에 대한 저항이 높아 상온의 대기 중에서는 쉽게 산화되지 않으며 산화를 위해서는 온도를 높이고 산소를 공급하는 일을 해 주어야 한다. 국소영역에 대한 산화를 위해서 레이저를 이용하여 두께와 선폭을 마음대로 조절하는 기술도 개발되었다. 이러한 산화 리소그래피 기술은 향후 반도체 패터닝 기술에 획기적인 진보를 가져 올 것이다. 고품질 산화막을 얻는 한 예로 본 연구에서는 수정된 스퍼터링 기술을 이용하여 사파이어 기판 위에 성장한 고품질 구리 (111) 박막을 고속열처리 방법(rapid thermal processing)으로 고온에서 열처리하였으며 얻어진 산화구리 박막의 구조적, 광학적 특성을 조사하였다. 800 ℃ 이상의 온도에서 아르곤 분위기로 열처리하면 (111) 면 방향의 고품질 제일 산화구리 박막(Cu₂O)을 얻을 수 있는데 기존의 산화구리 박막과는 결정성에 있어서 큰 차이를 보인다. 제일 산화구리는 2.1 eV ~ 2.5 eV 정도의 적당한 밴드 갭, 높은 광흡수계수, 풍부한 구리 덕분의 저렴한 생산 비용, 그리고 낮은 독성 등의 특성으로 인해 박막 트랜지스터, 태양광 발전, 비선형 광학, 광촉매, 가스 센서 등의 소자 응용이 가능하며 고품질 제일 산화구리 박막의 성장은 소자의 효율을 높이는 첫 번째 단계가 될 것이다.

CMOS 단일형 활성 픽셀 센서의 디자인에 따른 전하수집시간 연구

이상현, 유인권, New Physics: Sae Mulli 70, 1059 (2020).

▲ 입사한 입자가 만드는 픽셀신호군 중 가장 큰 신호의 크기(Signal amplitude)와 전하수집시간(Charge Collection Time, C.C.T.)의 2차원 분포 및 각각의 1차원 분포를 픽셀크기가 (a) 20 μm인 경우와 (b) 30 μm인 경우에 대해 나타냄. 모두 역바이어스-전압(V_BB)는 0 V, n-웰 다이오드의 크기는 3 μm 및 n-웰과 p-웰 사이 간격은 1 μm임.

실리콘 반도체의 생산 가격이 낮아짐에 따라, 높은 검출 효율과 공간 분해능을 가진 실리콘 센서가 고에너지 입자 충돌 실험에서 차세대 입자 검출기로 주목받고 있다. 특히 상보성 금속산화막반도체(CMOS) 센서와 신호처리 회로가 통합된 단일형 활성 픽셀 센서(Monolithic Active Pixel Sensor, MAPS) 기술은 낮은 전력소비와, 픽셀 세분성 및 빠른 신호처리를 가능하게 하였다. MAPS는 픽셀 회로부, p-도핑된 에피택시얼층 및 p-도핑된 기판과 내장된 CMOS 영역을 보호하기 위해 p-웰로 깊게 덮인 n-웰 다이오드로 구성된다.

실리콘 픽셀 센서 내부의 전하 수집 프로세스는 입자 검출에 가장 중요한 부분이다. 입사한 하전 입자의 이온화로 생성된 전자-정공쌍은 에피택시얼층에서 열확산에 의한 무작위적 운동으로 공핍영역에 도달하며, 공핍영역에 포획된 전자는 손실없이 전기장을 따라 이동하여 최종적으로 n-웰 다이오드에 수집된다. 따라서, 공핍영역이 클수록 발생한 전자의 포획확률이 높아지는데, 기판을 통해 역바이어스-전압(VBB)을 걸어주면, 공핍영역의 부피를 증가시킬 수 있으며, 에피택시얼층의 두께, p-웰과 n-웰 사이의 간격(spacing)과 n-웰 다이오드의 크기와 같은 픽셀의 기하학적 디자인도 공핍영역의 부피에 영향을 주는 주요 변수가 된다. 따라서 낮은 전력소비로 높은 검출 효율과 빠른 검출 시간을 얻기 위하여 픽셀의 여러 가지 기하학적 디자인 및 VBB에 대한 최적화 연구가 요청된다.

본 연구를 통하여, 픽셀의 다양한 디자인에 따라 변하는 공핍층영역의 상대적인 변화와 이에 따른 전하수집시간(C.C.T.)을 측정했다. 결론적으로 역-바이어스 전압, n-웰 다이오드 크기와 스페이싱은 크게 할수록, 픽셀의 크기는 작게 할수록 C.C.T.는 줄어든다. 특히 n-웰 다이오드와 주변의 p-웰 사이의 간격인 스페이싱이 C.C.T.의 변화를 일으키는 핵심변수임을 확인하였다.

E_lab=240 MeV인 α+¹¹⁶Sn과 ⁶Li+¹¹⁶Sn 탄성산란: 쿨롱-수정된 글라우버 모형 접근

김용주, New Phys.: Sae Mulli 70, 1085 (2020).

글라우버 모형은 탄성산란 실험데이터(미분산란단면적)를 분석하는 방법 중 하나이다. 미분산란단면적은 산란진폭의 제곱으로 주어지며, 산란진폭의 중요한 요소는 위상이동이다. 글라우버 모형에서 위상이동을 결정하는 중요 인자는 충돌 핵의 밀도와 핵자-핵자(NN) 산란진폭이고, 여기서 핵 밀도분포를 가우시안 형태라고 가정하면 위상이동에 대한 해석적 표현이 얻어진다. 한편 무거운 핵(A > 40)의 밀도분포는 보통 페르미 형태로 주어지는데, 표면영역이 산란단면적 결정에 중요하다. 이 경우 핵 표면에서 페르미 분포와 가우시안 분포 사이의 매칭을 통해 가우시안 파라미터를 구하고, 이를 위상이동에 대입하여 산란단면적을 계산한다면 보다 개선된 결과를 얻을 수 있을 것으로 기대된다.

본 연구에서는 쿨롱-수정된 글라우버 모형 틀 내에서 표면-매칭을 통해 얻은 가우시안 파리미터를 사용하여 E_lab=240 MeV인 ¹¹⁶Sn과 ⁶Li+¹¹⁶Sn계의 탄성산란을 분석하였다. 표면-매칭을 적용한 결과는 그렇지 않은 결과에 비해 실험데이터와의 일치 정도가 개선되었고, ⁶Li+¹¹⁶Sn계에서의 진동하는 패턴의 정성적 재현도 가능함을 확인하였다. 또한 비교적 큰 산란각 영역에서 실험데이터를 보다 더 잘 기술하기 위해 유효 NN 산란진폭을 도입하였고, 계산결과는 관측된 산란각 전 영역에서 데이터를 성공적으로 기술할 수 있었다(그림의 실선).

본 연구를 통해 무거운 핵이 포함된 산란을 보다 정확하게 기술하기 위해서는 표면-매칭이 고려된 가우시안 분포와 유효 NN 산란진폭을 도입하는 것이 중요하다는 것을 알 수 있었다.