유리와 같이 투명하면서 금속과 같이 저항이 낮은 물질인 투명 전도성 산화물(TCO)은 박막의 형태로 디스플레이나, 태양광 패널 등 다양한 소자에 사용되는 중요한 물질이다. 소자에 적용되는 TCO는 전자를 전하 운반자로 하는 n-형 특성을 갖는다. 양공을 전하 운반자로 하는 p-형 TCO는 투명성 및 전기전도성 등 소자에 적용하기 위한 기능성을 충분히 나타내지 못하는 실정이다. 이는 TCO의 양공을 제공하는 받개의 형성 에너지가 전자를 제공하는 주개의 형성 에너지보다 높아서 충분한 양공을 형성하기가 어렵기 때문이다. 또한, 양공이 형성되는 O 2p 궤도가 국소적이기 때문에 TCO의 양공의 이동도가 일반적으로 매우 낮다. 이러한 문제점을 해결하기 위해, Mg, Li 등의 양이온을 첨가하여 양공의 농도를 높이거나, N, Se을 첨가하여 O 2p 궤도의 국소적인 특성을 완화시키려는 연구가 진행되고 있다.

최근 Bi가 첨가된 In₂O₃가 새로운 p-형 TCO 물질로 제시되었다. 밀도 범함수 이론 결과와 분말 합성 실험 결과를 바탕으로 Bi의 첨가를 통해 받개의 형성 에너지를 낮출 수 있는 새로운 가전자대가 형성됨으로써 In₂O₃의 p-형 특성이 발현될 가능성이 제시되었다. 본 연구에서는 Bi가 첨가된 In₂O₃를 박막 형태로 제작하여 이론으로 제안된 Bi에 의해 유도된 가전자대의 형성을 확인하였다. 그리고 박막의 성장 온도가 증가함에 따라 가전자대의 에너지 준위가 감소하는 것을 검증하였다. (그림) 구조 특성 분석을 통해 성장 온도에 따라 박막 내 결정립의 크기가 증가하는 것을 확인하였고 이를 바탕으로 크기갇힘(size confinement) 효과가 줄어들어 가전자대의 에너지가 감소하는 것으로 여겨진다.

투명 전극(TCO)은 가시광선 영역에서 높은 광 투과도와 높은 전기 전도도를 갖는 전극을 의미한다. 페로브스카이트 유형의 산화물(ABO₃ 형태)은 쉽게 이온 치환이 가능한 구조로 인해 낮은 비저항을 가져, TCO 설계에 유망하다고 보고되고 있다.

SrRuO₃ (SRO)는 페로브스카이트 유형의 산화물로, 초전도성 및 강유전성 산화물 박막과 함께 전자 응용 분야에서 전도성 전극 층으로 사용될 잠재력을 가지고 있으며 우수한 물리적 특성 및 화학적 안정성을 가지고 있음에도 불구하고, TCO 응용 분야엔 다양한 연구가 진행되어 있지 않았기 때문에 본 연구를 통해 확인하고자 하였다.

유리 기판 위에 증착한 SRO 박막은 스퍼터링 방법으로 상온에서 증착하였다. 증착 시간은 (1) 5분과 (2) 50분으로 설정하였으며, 결정성 확인을 위해 (3) 50분 동안 증착한 SRO 박막을 700 ^◦C에서 30초간 열처리하였다. 그림 (a)와 (b)는 각각 (2)와 (3)의 FFT 패턴이다. 그림 (a)는 결정상에 의해 나타나는 회절 점이나 다결정상들에 의한 동심환 형태의 회절선이 아닌, 비정질 회전 패턴과 같은 투과 빔 주변에 전체적으로 일정한 명암을 갖는 훈륜(halo)이 나타나고 있으며, 고분해능 이미지에서도 결정상의 존재를 보여주는 격자 선이 관찰되지 않았다.

반면에, 그림 (b)의 경우 FFT 패턴엔 회절 점들이 관찰되고 있으며, 고분해능 이미지에선 격자 선들이 관찰되었고 이를 분석한 결과 2개의 면 사이 간격이 사방정계 SRO의 격자 상수 a = 5.567 Å과 유사하므로 (200)면임을 확인할 수 있었다. 따라서, 열처리하지 않은 SRO 박막은 비정질임을 확인하였다.

두 번째로 투과도 측정 결과, (1)의 경우(두께 5 nm) 800~350 nm 파장 범위에서 약 80%, (2)의 경우(두께 68 nm) 동일 파장 범위에서 약 40% 이상으로, 유리 기판 자체가 90%인 것과 비교하면 (1)의 경우가 매우 우수한 투명성을 가지고 있음을 확인할 수 있다. 밴드 갭의 경우, 전자는 4.57 eV 후자는 4.48 eV로 증착 시간의 증가에 따라 감소하였다.

세 번째로 비저항과 이동도의 결과, (1)의 경우는 각 1.99 mΩ·cm와 8.24 cm²/Vs이며 (2)의 경우 각각 26.3 mΩ·cm와 3.66 cm²/Vs이다. 즉, 증착 시간이 짧을수록 우수한 값을 가지고 있다.

결과적으로, 비정질 SRO 박막이 5분 동안 증착된 경우가 가장 우수한 TCO 특성들을 가짐을 확인하였다.