PAX기법을 이용하여 기판온도와 Co증착량에 따른

Co/vicinal Cu(111) 의 특성

김정현, 서재명*, 신형식

전북대학교 화학공학부, 전북대학교 과학기술학부*

Characterization of Co/vicinal Cu(111) through various substrate

temperature and Co deposition amount using PAX method

Jung-Hyun Kim, J. M. Seo and Hyung-Shik Shin

School of Chemical Engineering, Chonbuk National University

Division of Science and Technology, Chonbuk National University*

1. 서론

본 실험에서 다룬 Co/Cu(111) system에서 자성의 Co층과 비자성의 Cu층 사이의 magnetic coupling은 강자성과 반강자성 사이에서 oscillatary coupling 행동을 보여줌으로써 많은 연구대상이 되고 있다.(1)(2)

기존의 에피 성장의 방법인 MBE(molecular beam epitaxy)등은 보통 상온이나 더 높은 온도의 기판에 원자를 증착 시켜 왔다. 이때 금속에 따라서는 평평한 박막으로 성장하지 못하고 응집체로 성장하는 문제를 갖고 있다. 그러나 본 실험에서는 He-refrigerator를 이용하여 기판의 온도를 40K로 유지하여 기판에 도달하는 원소의 확산도를 감소시켜 이러한 3차원의 응집체가 되는 것을 억제할 수 있었다. 비록 결정성에서는 손해를 보더라도 이미 2차원의 금속박막이 되었으므로 비록 상온으로 온도가 올라가더라도 쉽게 3차원의 응집체가 되지는 않았다.

또한 기판의 온도가 Xe, Ar등의 원소를 적층으로 흡착시킬 수 있게 충분히 낮은 온도를 유지할 수 있게 됨에 따라 종래의 금속 위에서 한층 정도의 불활성 원소에 의해 불균일한 표면의 일함수에 사용하던 PAX(Photoemission of Adsorbed Xenon) 기법을 사용하여 표면의 morphology의 변화와 일함수 변화를 훨씬 민감하게 측정할 수 있었다. 이는 청결한 Cu(111)표면에 rare gas를 적층으로 흡착시켜가면서 rare gas의 core level의 위치와 세기의 변화를 standard spectra로 먼저 구하고, core level의 위치와 세기의 변화를 측정하면 Co가 어떤 형태로 자라는지 Cu Step에서는 rare gas가 어떤 형태의 새로운 peak로 나타나는지를 비교함으로써 Co morphology의 변화를 자세히 알아낼 수 있었다.

2. 이론

PAX(Photoemission of adsorbed xenon)는 원자 크기의 표면 포텐셜을 결정할 수 있는 이종 접합 표면 또는 표면의 step사이의 국부 일함수의 측정에 사용되며 주요한 원리는 Xe는 직경이 다른 원자들에 비해 크고, 금속과 Xe의 상호 작용이 매우 약하므로 기판의 종류와는 무관하게 [eqn: Xe~ {5p }_{1/2 }]의 이온화 포텐셜이 12.2eV로 일정하다. 따라서 그림 1과 같이 다른 금속 위에 있는 Xe이 흡착하고 있다면 전기적으로는 평형상태를 이루어 Fermi level은 일치하게되며 동시에 한 표면에 일함수가 서로 다른 □1, □2이 존재할 것이다. 식으로 표현하면 다음과 같이 [eqn: {E}`_{b} ^{v} {(Xe~ {5p }_{1/2 }) }_{ads} = {E}`_{b} ^{F} {(Xe~ {5p }_{1/2 }) }_{ads} + PHI ~APPROX ~12.2eV=constant~value]

로 나타내진다.(3)

서로 다른 표면에 흡착한 Xe 5p1/2의 절대 결합 에너지의 차이를 측정하여 그 표면의 일함수의 차이를 알 수 있게된다. 즉, 다음과 같이

[eqn: TRIANGLE {E}`_{b} ^{F}~ =-(Xe~ {5p' }_{1/2 }- Xe~ {5p }_{3/2 })~=~- TRIANGLE { PHI}`_{ b} ^{F } =PHI1-PHI2] 로 표현된다.    본 실험에서는 각기 다른 부분에 흡착한 [eqn: Xe~ {5p }_{1/2 }] peak의 절대 결합 에너지의 차이를 측정하므로써 Xe이 흡착한 부분의 국부 일함수를 알 수 있게 되는 것이다.

Fig 1. principle of PAX

3. 실험

본 실험에서는 base pressure가 2×10-10 Torr인 초고진공 하에서 진행되었으며 기판은 4 경사진 vicinal Cu(111)를 사용하였으며 특히 많은 수의 step은 핵생성 site로 사용되었다.

깨끗한 시료를 얻기 위해 초고진공 하에서 sputtering을 한 후 annealing을 하여 재결정화 시킨 후 준비한 시료를 Auger 전자 분광법(AES), 저에너지 전자 회절법(LEED), X선 광전자 분광법(XPS) 등을 이용하여 시료 표면의 청결한 정도와 결정구조 변화를 확인하였다.

PAX(Photoemission of Adsorbed Xenon) 실험을 하기위해서는 기판의 온도를 Xe이 흡착될 수 있는 온도로 낮춰줘야 하는데 이를 위하여 본 실험에서는 He-refrigerator를 구리지지대 까지 열전도도가 좋은 무 산소동인 wire로 연결하여 기판의 온도를 낮추어 실험을 진행했다. 기판의 온도는 구리 지지대 가까이에 K-type thermocouple을 이용하여 측정하였다.

Co 증착률은 평균 1Å/min이었으며 증착 두께는 thickness monitor로 측정하였으며 각각의 증착량에 따라 Xe노출량은 0.1L에서 부터 10L까지 단계적으로 증가 시켜 PAX 스펙트럼을 얻었다.

3. 결과 및 토론

그림2는 같은 Co증착량이지만 각각의 다른 조건에 따른 흡착된 xenon의 양과 평균 work function의 변화를 도식한 그림으로 증착할 때의 기판의 온도가 R.T( Room Temperature)이 L.T(Low Temperature)보다 평균 work function이 컸으며 기판의 온도가 같더라도 annealing후가 work function이 컸다. 이는 기판의 온도가 높을수록 Co가 재결정화가 많이 되어 그만큼 work function이 커졌다고 생각된다.

Fig 2. Change of average work function as a function of Xe exposure

그림 3은 clean Cu 4°off의 PAX 스펙트럼인데 첫 번째 층의  두 번째 층의 Xe 5p1/2은 binding energy가 7.7eV에서 나타나고 Xe 5p의 spin-orbit splitting에 의해 1.4eV분리값을 갖고 Xe 5p3/2 peak이 E=6.3eV인 위치에서 나타났다.

Cu 3d의 valance band의 위치는 2~4.5eV 사이에서 나타났다.

Fig 3. PAX spectrum of clean Cu(111) 4°off

일반적으로 R.T(300K)에서의 Cu 원소가 Co층을 덮는 이른바 segregation현상이 일어나는 것으로 알려져 있다.(4)(5) 하지만 본 실험에서는 기판 온도를 저온(40K)에서 증착하면 그림4에서 보듯이 annealing후에도 intensity 변화가 거의 없음을 확인하였다. 이는 기판의 Step에 의해 기판과 Co층 사이의 인장력이 완화되어 맨 위층의 Cu 없이도 안정된 Co층을 형성되었다고 생각된다. 또한 기판온도가 R.T에서 증착할 시는 L.T에서 증착할 때와는 반대로 같은 Co 양이 증착되어도 Cu peak이 Co peak보다 훨씬 커 이는 R.T에서는  segregation 현상이 일어난 것으로 추정되며 annealing후에도 Cu와 Co의 Intensity에 큰변화는 없었다.

Fig 4. Change of intensity as a substrate temperature

4. 참고논문

(1) J. S. Tsay, C. S. Yang, Y. D. Yao, Y. Liou and S. P. Lee, Jpn. J. Appl.

Phys., 37, 5976(1998)

(2) J. Izquierdo, A. Vega, L. C. Balbas, Surface Sci., 352-354, 902(1996)

(3) K. Wandelt, Appl. Surface Sci., 3, 1(1997)

(4) X. Wang and C. L. Fu, IEEE Transactions on Magnetics, 34, 888(1998)

(5) S. Muller, G. Kostka, T. Schafer, J de la Figuera, J. E. Prieto, C. Ocal, R.

Miranda, K. Heinz, K. Muller, Surface Sci., 352-354, 46(1998)