낮은 산소 분압에서 YBa2Cu3O7-δ 화합물의 상안정도

Abstract

본 연구에서는 YBCO 비정질 전구체 막을 이용하여 1 – 900 mTorr 낮은 산소 분압 하에서 YBa2Cu3O7-δ (YBCO) 화합물의 상안정도를 실험적으로 정확하게 규명하고자 하였다. 본 연구를 위하여 YBCO 비정질 전구체 막은 펄스레이저 증착법(pulsed laser deposition: PLD)을 이용해 200 C 로 유지된 LaAlO3 (LAO) (001) 단결정 기판 위에 증착하였다. 증착된 전구체 막을 시편으로 사용하여 릴투릴(reel-to-reel)기능이 있는 석영관 퍼니스 안에서 다양한 온도, 낮은 산소 분압에서 어닐링하여 상을 형성시킨 후, 상온으로 급냉한 시편의 상과 미세구조를 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다. 먼저1 – 200 mTorr의 산소 분압 조건에서 실험적으로 결정된 YBCO 안정 영역과 불안정 영역의 상경계선을 최소자승법을 사용해 Log PO2 (Torr) = 9.787 – 11,783/T (K) 의 관계식을 얻을 수 있었다. 아울러, YBCO의 상안정 영역의 경계에서는 YBCO  Y2O3 + YBa3Cu2O6.5 (Y132) + Liquid (L)의 삼원계 포정반응(ternery peritectic reaction)이 일어나는 것을 확인하였다. 다음으로 250 – 900 mTorr 영역의 보다 높은 산소 분압 영역에서는 YBCO의 상경계선은 Log PO2 (Torr) = 12.67 – 15,276/T (K) 의 관계식으로 나타낼 수 있었다. 이 영역의 상경계선에서는 YBCO  Y2BaCuO5 (Y211) + Y132 + L 의 삼원계 포정반응이 일어난다는 것을 규명하였다. 이러한 결과는 기존에 Driscoll 등[20] 에 의해 보고된 상경계선의 위치와 조금 다를 뿐 아니라 고온 분해상은 250 – 500 mTorr 의 산소 분압 영역에서만 일치하고 다른 산소 분압 영역에서는 매우 상이하다. 500 mTorr 이상의 산소 분압 영역에서 그들은 YBCO  Y211 + L 의 의사이원계 포정반응(pseudobinary peritectic reaction)을 제시한 반면에, 본 연구결과는 250 – 500 mTorr 영역의 경우와 마찬가지로 삼원계 포정반응 (ternary peritectic reaction)에 의한 Y211 + Y132 + L 의 분해상을 보인다. 250 mTorr 이하의 영역에서도 그들은 약 100 mTorr를 경계로 그 이하에서는 YBCO  Y211 + Y132 + BaCu2O2 (Solid), 그 이상에서는 YBCO  Y211 + Y132 + BaCu2O2 (Liquid) 의 삼원계 포정반응(ternary peritectic reaction)이라 보고한 반면 본 연구결과는 Y2O3 + Y132 + L 의 분해상을 보인다. YBCO 결정질 분말의 경우 YBCO 상분해시 발생되는 산소가스가 시편 밖으로의 방출이 어려워 분해생성물이 주어진 산소 분압에서 비평형상을 형성할 수 있는데 반하여, YBCO 비정질 박막을 시편으로 사용하는 경우 산소가스 방출 문제를 피할 수 있으므로 본 연구에서 규명한 YBCO 의 상안정도가 신뢰할 만한 것으로 사료된다.