Fabrication and Characterization of SnN and PZT Thin Films and PZT Nanofibers

Abstract

Radio frequency (RF) magnetron sputtering 방법을 이용하여 질소가스의 비율을 다르게 하여 SnN 박막을 제작하였다. 만들어진 박막의 두께는 SnN-6부터 SnN-30까지 129.2 nm에서 33.0 nm로 두께가 점점 얇아지는 것을 알 수 있었다. 또한 SnN 박막의 결정성은 질소가스가 유입되자마자 바뀌었고, Sn의 메탈 결정성에서 비결정성으로 바뀌었다. 또한 X-선 광전자 분광법 (XPS)을 통해 질소가스의 비율이 증가할수록 Sn2+가 증가하는 반면 Sn4+와 Sn0는 줄어드는 것을 알 수 있었다. 그리고 면 저항은 SnN-6부터 SnN-30까지 6.34×104에서 56.2 Ω/sq로 줄어들었다. 총표면자유에너지는 질소가스의 비율에 따라 달라진다. 총표면자유에너지를 결정하는 주요한 인자는 질소가스의 비율이 낮을 때 (6 sccm 이하)는 극성 표면자유에너지에서 분산 표면자유에너지로 변화하였다. PZT (lead zirconate titanate) 박막은 reactive RF magnetron co-sputtering 방법으로 산소가스의 비율을 달리하여 만들어졌다. 그리고 만들어진 PZT박막을 총 80분동안 스퍼터를 하여 박막의 표면에서 내부까지의 화학적 조성이 어떻게 변하는지 연구하였다. 다양한 산소비율에서 만들어진 PZT박막의 화학적 환경과 전기적인 성질에 대해 연구하였다. 스퍼터가스에 산소가 유입되었을 때, 박막의 두께는 272.74 nm에서 40.36 nm로 감소하였다. X-선 광전자 분광법을 통해 산소의 비율이 증가할수록 납의 비율이 증가하는 반면, 지르코늄과 타이타늄의 비율은 감소하는 것을 알 수 있었다. 스퍼터 시간이 증가할수록 납의 비율은 감소하고 지르코늄의 비율은 증가하였다. 그리고 PZT-0에서는 비결정성을 띠었지만 PZT-5에서부터 PZT45까지는 pyrochlore와 perovskite 결정성을 가졌다. 전도성은 PZT-5부터 PZT-45까지 7.79×102 S/cm에서 7.72×10-1 S/cm로 감소하였다. 스퍼터된 PZT박막은 스퍼터 전의 PZT 박막의 전도성과 유사한 경향성을 나타내었다. 스퍼터된 PZT박막은 스퍼터 전의 PZT 박막의 접촉각은 증류수와 에틸렌글리콜을 이용하여 측정하였고, 산소의 비율이 증가할수록 접촉각이 증가하였다. 그리고 PZT 나노파이버는 폴리비닐피롤리돈(PVP)을 이용하여 점도를 조절하여 전기방사법으로 만들었다. 이 방법으로 얻어진 PZT 나노파이버는 결정성과 화학적 성질의 특성을 갖도록 하기위해 가열을 하였다. 제작된 나노파이버의 형태를 알기위해 전계방출형 주사전자현미경을 통해 분석하였고, 결정성을 알기위해 X선 회절법, 화학적 성질과 산화상태를 알기위해 X-선 광전자 분광법을 사용하여 분석하였다. PZT 나노파이버의 직경은 수백 나노미터였다. 그리고 직경은 가열 온도가 높아질수록 PZT-D 나노파이버 (가열하고자 하는 온도로 직접 가열하는 방법)에서는 감소하였지만, PZT-S 나노파이버(단계별로 가열하는 방법)에서는 증가하였다. 이 결과는 전계방출형 주사전자현미경을 통해 확인되었다. X-선 광전자 분광법에서는 PZT화합물이 존재하는 것을 알 수 있었다. X-선 회절법의 결과에서는 가열 온도가 높아짐에 따라 PZT 나노파이버의 결정성이 비결정성에서 perovskite 구조로 바뀌었다. Perovskite 구조는 823K 에서 가열된 PZT 나노파이버에서부터 관찰할 수 있었다.

The tin nitride (SnxNy) thin films were prepared by a reactive radio frequency (RF) magnetron sputtering method at various N2 gas flow rates. The thickness of SnxNy thin films decreased from 129.2 to 33.0 nm from SnN-6 to SnN-30. The crystallinity of the SnxNy thin films was changed as N2 gas was progressively introduced, from metallic Sn to the amorphous phase. The X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) study indicates that the intensity of Sn2+ increased, while those of Sn4+ and Sn0 decreased with increasing N2 gas flow rate. The surface resistance decreased from 6.34×104 to 56.2 Ω/sq with gradual increasing from SnN-6 to SnN-30. The total surface free energy (SFE) varied by changing the N2 gas flow rate. When the N2 gas flow rate in the sputter gas was low (less than 6 sccm), dominant contribution to total SFE was inverted from polar to dispersive SFE. The PZT thin films (PZT TFs) were fabricated by a reactive RF magnetron co-sputtering method at various O2 gas ratios. And obtained PZT TFs were sputtered for 80 min to study about chemical composition from surface to interior. Chemical environment and electrical properties of the PZT TFs fabricated at different O2 gas ratios were investigated. Thickness of the PZT TFs was dramatically decreased from 272.74 to 40.36 nm as soon as O2 gas introduced in the sputter gas. From XPS study, atomic ratio of Pb was increased and those of Zr, Ti were decreased after introduction of O2 gas. With sputtering time increased the portion of Pb decreased and Zr increased. And amorphous phase at PZT-0 and pyrochlore and perovskite phases were observed from PZT-5 to PZT-45. The conductivity was decreased from 7.79×102 to 7.72×10–1 S/cm from PZT-5 to PZT-45, respectively. And the sputtered PZT TFs presented similar tendency about conductivity with before sputtered PZT TFs. The contact angles (CA) of PZT TFs measured with distilled water (DW) and ethylene glycol (EG) were increased as O2 gas ratio increased for before and after sputtered PZT TFs. And the PZT nanofibers (PZT NF) were synthesized by an electrospinning method using polyvinylpyrrolidone (PVP) as a viscosity controller. PZT NFs obtained by different post-annealing methods were characterized the crystallinity and the chemical environment. The obtained PZT NFs were characterized by means of field emission scanning electron microscopy (FESEM) for study of morphologies, X-ray diffraction (XRD) to understand the crystallinity and phase of the PZT NFs, and XPS for investigation of the oxidation states and the chemical properties of PZT NFs. The diameter of PZT NF was a few hundreds of nanometers. And the diameter of PZT NF-D (directly annealed to the target temperature) decreased as the annealing temperature increased while the diameter of PZT NF-S (stepwisely annealed to the target temperature) increased. This was confirmed with FESEM. From the XPS results, the formation of PZT compound was confirmed. According to the results of XRD, as the annealing temperature increased, the crystallinity of PZT NFs changed from amorphous to perovskite structure. The perovskite phase of PZT was observed from the PZT NF annealed at 823K.