DC 마그네트론 스퍼터링 방식으로 성장시킨 금속-절연체 복합 TiOX 박막의 유전 특성 조사

Abstract

티타늄 산화물(TiOX) 박막의 다양한 전기 및 화학적 특성에 관한 연구가 활발히 진행되고 있다. 이 논문은 TiOX 박막의 화학적 조성과 결정 구조가 그 특성에 어떤 영향을 미치는가에 대해 심층적으로 탐구한다. 특히, TiO2와 Ti2O3, TiO와 같은 티타늄 산화물들로 구성된 복합체의 전기적 특성 분석에 집중한다. TiO2의 세 가지 주요 결정 구조로는 브루카이트, 아나타스, 루타일이 있고, 이들은 넓은 밴드 갭을 가지며, 저항이 높다. TiO2는 TiOX 결정 중 가장 낮은 형성 에너지를 갖고, 가장 안정적인 구조이다. 조성비 X가 2보다 작은 TiOX는 다양한 화학적 조성비와 결정 구조를 갖는다. 또한 TiO2에 비해 상대적으로 밴드 갭이 작고, 전도도가 크다. X에 따라 상반된 전기적 특성을 갖는 TiOX 결정들을 적절히 혼합하여 새로운 전기적 특성을 갖는 박막을 제작하는 것이 이번 연구의 핵심이다. 본 연구에서는 MHz 진동수의 AC 전압을 걸어줬을 때, TiOX 나노 복합 박막의 유전 특성을 조사하였다. 금속과 절연체를 혼합하여 만든 나노 복합물은 주목할만한 유전 상수와 유전 손실 값을 갖는 것으로 밝혀졌다. 우리는 DC 마그네트론 스퍼터링 기법을 이용하여 유리 기판 위에 나노 복합 티타늄 산화물 박막을 증착하였다. 그 결과, TiO2 및 아산화물 TinO2n-1이 비정질 a-TiO2-d 매트릭스에 박혀 있는 구조의 필름을 제작할 수 있었다. 플라즈마 방전 임피던스가 낮아짐에 따라, 이산화물 TiO2, 삼산화물 Ti2O3, 그리고 일산화물 TiO 순으로 결정이 형성되는 것이 관찰되었다. 또한, 이 과정에서 TiO2의 결정성은 저하되고, a-TiO2-d 매트릭스 내 산소 정공의 감소함을 확인하였다. 주파수의 영향을 받는 임피던스를 분석한 결과에 따르면, TiO 결정상으로 구성된 TiOX 박막이 102에서 106Hz 사이 주파수 범위에서 106을 초과하는 거대한 유전상수 값을 보인다는 것을 알 수 있었다. 이러한 거대한 유전상수는 주로 전극과 물질, 그리고 복합체 요소들 사이에 존재하는 계면 분극에서 기인하는 것으로 예상된다. 이 연구는 TiOX 기반 나노 복합물의유전 특성에 대한 깊은 이해를 제공하며, 이러한 지식은 MHz 영역대 통신, 회로 설계 등 다양한 분야에서의 응용 가능성을 열어줄 것으로 기대된다. 이 논문은 TiOX의 특성에 관한 연구 결과로, 해당 분야의 연구자들에게 중요한 자료가 될 것이다.|Research on the diverse electrical and chemical properties of titanium oxide (TiOX) thin films is being actively conducted. This paper explores how the chemical composition and crystal structure of TiOX thin films influence their properties. It particularly focuses on analyzing the electrical characteristics of composites consisting of various titanium oxides such as TiO2, Ti2O3, and TiO. TiO2 has three major crystal structures: brookite, anatase, and rutile, all characterized by wide band gaps and high resistance. TiO2 possesses the lowest formation energy among TiOX crystals, making it the most stable structure. TiOX with a composition ratio X less than 2 exhibits a variety of chemical compositions and crystal structures. Moreover, these have relatively smaller band gaps and higher conductivity compared to TiO2. The crux of this research is to mix these TiOX crystals with contrasting electrical properties to fabricate thin films with novel electrical characteristics. In this study, the dielectric properties of TiOX nano-composite thin films were investigated when subjected to AC voltage at MHz frequencies. Nano-composites made by mixing metals and insulators were found to have notable dielectric constants and dielectric loss values. We employed the DC magnetron sputtering technique to deposit nano-composite titanium oxide thin films on glass substrates. As a result, we were able to fabricate films with a structure where TiO2 and sub-oxides TinO2n-1 are embedded in an amorphous a-TiO2-d matrix. With decreasing plasma discharge impedance, the formation of crystals in the order of dioxide TiO2, trioxide Ti2O3, and monoxide TiO was observed. Additionally, this process led to a decrease in the crystallinity of TiO2 and a reduction in oxygen vacancies within the a-TiO2-d matrix. Analysis of impedance influenced by frequency revealed that TiOX thin films composed of TiO crystal phases exhibit colossal permittivity exceeding 106 in the frequency range of 102 to 106 Hz. This colossal permittivity is primarily attributed to interfacial polarization occurring between electrodes and materials, as well as among the components of the composite. This research provides a profound understanding of the dielectric properties of TiOX-based nano-composites, and this knowledge is expected to open up potential applications in various fields such as MHz range communications and circuit design. This paper, presenting research findings on the properties of TiOX, will be a valuable resource for researchers in the field.