Pulsed Laser Deposition (PLD) 법으로 증착된 EuBa2Cu3O7-δ 초전도 박막의 Eu2O3 첨가에 의해 향상된 피닝 특성

Abstract

고온 초전도 선재 (HTS CCs) 의 자장 하에서 임계전류 (IC) 의 증가를 위해, 나노입자를 초전도 기지상에 넣어 자속고정점피닝을 유발하여 임계전류밀도 (JC) 를 증가시키거나, JC 감소를 최소화하며 박막의 두께를 증가시키는 것이 요구된다. Reactive co-evaporation deposition &reaction 공정을 통해 HTS CCs 제조 시, GdBa2Cu3O7-δ 기지 상 내에 Gd2O3 나노입자의 포획을 피할 수 없다는 점과 pulsed laser deposition (PLD) 법으로 박막을 증착할 경우 EuBa2Cu3O7-δ (EuBCO) 가 다른 REBa2Cu3O7-δ (RE: Gd, Sm) 보다 박막 두께의 증가에 따른 JC 감소가 적어, 높은 IC 값을 얻기에 유리하다는 선행 논문 보고를 근거로, 본 연구에서는 PLD 법으로 EuBCO 초전도상 내에 Eu2O3의 나노입자를 넣을 때 최적의 도핑량을 규명하고, 이 도핑량으로 박막 두께를 증가시킬 때 IC의 증가에 미치는 영향을 규명하고자 하였다. 본 연구를 위해 PLD법으로MgO (100) 단결정 기판 위에 CeO2 완충층을 성막한 후, 그 위에 800℃의 증착온도를 유지하며 EuBCO 박막을 증착하였다. 이 때 여러 도핑량의 Eu2O3 가 첨가된 EuBCO 박막을 제조하여, 최적의 도핑량을 규명하였고, 최적의 도핑량을 갖는 EuBCO 박막의 두께를 변화시킬 때 IC 와JC 특성에 미치는 영향을 분석하여 다음의 결과를 얻을 수 있었다. 첫째, 제조된 EuBCO 박막의 임계 온도 (TC), 상의 비교 분석, 그리고 JC 값의 비교 분석을 통해, PLD 공정의 최적 조건은 증착온도 800℃에서 산소분압은 400 mTorr, 타겟-기판 거리는 4 cm임을 알 수 있었다. 둘째, 위에 설명한 도핑하지 않은 박막의 PLD 최적공정을 적용하여 2, 4, 5, 6, 8 mol% 의 Eu2O3가 첨가된 박막을 제조한 후 자장 하 JC 값을 비교 분석한 결과, 4 mol% 의 Eu2O3 가 첨가된 EuBCO 박막이 20, 40 K에서 가장 높은 JC 및 최대 자속 고정 힘 밀도 (maximum pinning force density) 값을 가지므로 최적의 도핑량임을 알 수 있었다. 그러나 65, 77 K에서는 도핑하지 않은 EuBCO 박막이 더 나은 특성을 보였으므로, 도핑효과는 상대적으로 낮은 온도에서 나타남을 알 수 있었다. 셋째, 4 mol%의 Eu2O3가 도핑된 0.5, 1, 1.5, 그리고 2㎛ 두께의 박막을 제조하여, 두께 변화에 의한 여러 특성의 변화를 분석한 결과, In-plane 및 out-of-plane 배향 특성은 1.5 ㎛ 두께까지 향상되었지만, 2 ㎛ 두께에서는 다시 저하됐다. 또한 TC 는 88 – 90 K 의 범위 내에서 큰 변화를 보이지 않았고, △TC 값 또한 2 K으로 거의 일정했다. SEM으로 미세구조를 분석한 결과, a-축으로 배향된 결정립들이 1, 1.5, 그리고 2 ㎛ 두께의 박막에서 관찰되었다. 그리고 박막의 두께가 증가함에 따라 JC 는 20, 40 K에서 약간의 감소를 보여 IC 는 두께 증가에 따라 거의 선형적으로 증가했다. 결론적으로, 3차원의 nano-dot 형태의 결함인 Eu2O3 가 특히 저온, 자장 하에서 4 mol%가 최적의 도핑량이고, 이 도핑량으로 EuBCO 박막의 두께가 증가함에 따라, JC 특성이 크게 감소하지 않아, IC를 선형적으로 증가시킬 수 있었다. 이러한 연구 결과를 토대로, EuBCO의 차세대 초전도 선재로써의 가능성을 확인할 수 있었다.