2.1 실험 방법

1% La 도핑된 두께 약 100 nm의 에피택셜 La-도핑 BaSnO₃ (LBSO) 박막은 SrTiO₃(001) 단결정 기판 위에서 800° C의 온도에 100∼310 mTorr의 O₂ 분위기에서 펄스 레이저 증착법 (Pulsed Laser Deposition, PLD)을 이용하여 성장시켰다. 여기서 사용된 레이저는 KrF 엑시머 레이저 (λ = 248 nm, 펄스 폭 τ = 20 ns, Coherent Compex Pro102F)이며, 기판이 놓인 챔버의 기본 압력은 약 10⁻⁶ Torr였다. KrF 엑시머 레이저는 회전하는 타겟에 조사되었으며, 레이저 에너지는 약 0.73 (혹은 1.46) W 및 반복률 5 Hz로 설정하였다. 타겟과 기판 간의 거리는 39 mm에서 47 mm까지 변화시켰다.

성장된 LBSO 박막은 650∼1000° C에서 1시간 동안 다양한 산소 화학 퍼텐셜 (μ_O) 조건에서 알루미나 튜브 내에서 열처리되었다. 이 때 주입되는 가스를 조절하여 μ_O를 변화시켰으며, 사용된 가스 조합은 순수 O₂, 순수 Ar, 그리고 수소가 혼합된 Ar (H₂/Ar)이었다. 수소 혼합 가스는 Drechsel 병에 물을 채우고 이를 통해 H₂ 가스를 통과시켜 얻었으며, 25° C에서 물의 증기압은 3.17 kPa이므로 이 방식으로 약 3%의 H₂O 가 섞인 수소 혼합 가스를 만들었다 (Fig. 1). 사용한 가스들의 산소 분압 (pO₂)은 이트리아-안정-지르코늄 (Yttria-stabilizedzirconia, YSZ) 센서를 이용하여 측정하였으며, 측정된 값은 다음과 같다. O₂ 기체 흐름 시: log p(O₂) = 1.0, 순수 Ar 기체 흐름 시: log p(O₂) = -3.99, H₂O + 수소 혼합 Ar 기체 흐름 시: log p(O₂) = -16.5 YSZ 센서는 공기와 주입된 가스가 접촉하는 YSZ 셀 내부 및 외부 간 전위차(전기화학적 기전력, E)를 측정하였으며, 이를 Nernst 방정식을 이용하여 주입된 가스의 p(O₂)로 변환하였다.

Fig. 1.

Schematic of thermal treatment process of La-doped BaSnO₃ (LBSO) thin films.

여기서, E [mV] : 측정된 기전력, R = 8.3145 [J mol⁻¹ K⁻¹] : 기체 상수, T [K] : YSZ 센서 온도, F = 96485 [C/mol] : 패러데이 상수, pO₂(air) = 0.21 [bar] : 대기 중 산소 분압, pO₂ (Flow gas) : 주입된 기체 내 산소 분압이다.

박막의 결정성 분석을 위해 고분해능 X-선 회절 (High-resolution X-ray diffraction, Bruker D8 Discovery) 기기를 이용하여 Cu Kα1 (λ = 1.5406 Å) X-선으로 θ-2θ 스캔을 수행하였다. 전기적 특성은 실온에서 홀 측정 시스템을 이용하여 측정하였으며, 0.56 T의 수직 자기장을 인가하였다. 샘플은 Van der Pauw 형상 (5 × 5 mm² 정사각형) 으로 가공되었으며, 인듐 (Indium) 오믹 접점(< 1 × 1 mm²)을 네 개의 모서리에 형성하여 4단자 저항을 측정할 때 1 mA의 전류를 인가하였다. 홀 효과 측정 시 자기장 방향을 ±0.56 T로 변화시켜 측정하였다. 측정된 홀 계수 R_H와 박막의 두께를 이용하여 캐리어 농도(n) 및 이동도(μ _e)를 다음과 같이 계산하였다. [e: 전자의 기본 전하량], 이다. [ρ: 박막의 비저항, t: 박막 두께] 비저항은 Van der Pauw 방법을 사용하여 측정되었으며, 두께 측정 오차에 영향을 받지 않도록 독립적으로 결정되었다.

2.2 LBSO 박막 합성 최적화

1%의 란타늄 도핑된 BSO 박막(LBSO)은 (001) 방향으로 정렬된 SrTiO₃ 단결정 기판 위에 펄스 레이저 증착 (PLD) 방법을 이용하여 성장시켰다. 펄스 레이저 방법으로 LBSO를 증착하는 경우, Fig. 2에 나타난 바와 같이, 강력한 자외선 영역의 나노 초 레이저 펄스가 LBSO 타겟 표면을 용융시키면서 주석과 바륨 이온이 증발하여 기판을 향해 방출되며 플라즈마 플룸 (Plasma plume)을 형성한다. 레이저에 의해 타겟 표면이 용융될 때, 불균일한 용융 (Incongruent melting)이 발생하기 때문에 타겟에서 방출되는 바륨/주석 비율은 LBSO타겟의 바륨/주석 비율과 달라지게 된다.[19] 또한, 레이저 에너지에 따라 타겟 표면의 온도가 결정되기 때문에, 레이저 에너지를 이용하여 타겟에서 방출되는 바륨/주석 비율을 제어할 수 있다. LBSO의 경우 낮은 레이저 에너지에서 바륨/주석 비율이 감소하며 높은 레이저 에너지에서 바륨/주석 비율이 증가한다고 알려져 있다.[19] 일단 LBSO 타겟에서 방출된 바륨과 주석 원자는 기판 방향으로 움직이면서 챔버 내의 산소 분자들과 충돌한다. 고진공 환경에서는 이러한 산소 분자와의 충돌로 인한 영향이 거의 없지만, 산소 분압이 높아질수록 산소 분자들과 충돌 빈도는 증가하며 그에 따라 바륨과 주석의 이동, 즉 플라즈마 플룸의 전파가 영향을 받는다. 플룸이 전파되는 동안 산소 분자와 반복적으로 충돌하면, 기판 수직 방향으로 향하는 주석 계열의 각도 분포가 바륨 계열 보다 넓어지는데, 이는 질량이 가벼운 주석 (원자량 = 50)이 질량이 더 무거운 바륨 (원자량 = 56)보다 각 충돌 사건에서 더 큰 운동량 손실과 높은 산란 각을 경험하기 때문이다 (Fig. 2). 따라서, 플룸 전면에서 주석 밀도는 바륨 밀도보다 훨씬 빠르게 감소하며, 플룸이 기판 표면에 도달하는 과정에서 바륨/주석 비율이 증가하게 된다. 결과적으로, 레이저 에너지와 산소 분압 그리고 기판-타겟 거리를 제어함으로써 증착되는 LBSO 박막 내의 바륨/주석 비율을 제어할 수 있다.[20]

Fig. 2.

Schematic of pulsed laser deposition process and scattering of plasma plume with oxygen molecules.

우선, 0.73 W와 1.46 W의 두 레이저 에너지 조건에서 산소 분압을 100 mTorr에서 시작하여 310 mTorr까지 70 mTorr 간격으로 증가시키면서 LBSO 박막을 증착하였다 (Fig. 3). 증착한 박막들의 X선 회절 분석 데이터에서 (Fig. 3(a)) LBSO (002) 픽 (peak) 근처의 X선의 반사에 의한 프린지 (frindge) 패턴이 0.73 W 조건에서는 산소 분압과 상관없이 프린지가 깔끔하게 보이는 반면, 1.46 W 조건에서는 100 mTorr 조건에서만 프린지가 잘 보이고 산소 분압이 높아질수록 프린지가 불분명해지는 양상이다. 프린지는 결정 격자에 의한 X선의 반사가 잘 일어날수록 선명해지므로 박막의 결정성이 높을수록 잘 나타난다고 볼 수 있으며, 따라서 1.46 W 조건에서는 산소 분압이 높아질수록 결정성이 감소한다는 것을 알 수 있다. 일반적인 산화물 박막에서는 산소 분압이 증가할수록 산소 공공 결함 농도가 낮아져서 결정성이 높아질 수 있으나, LBSO 박막의 경우에는 산소 공공보다는 양이온 공공의 영향으로 인한 결정성 변화가 더 크게 나타난 것으로 추정된다. 따라서, 양이온 공공의 변화를 확인하기 위해 LBSO (002) 픽 (peak)의 위치를 보면 (Fig. 3(a, b)), 0.73 W와 1.46 W 두 조건 모두 100 mTorr에서 가장 작은 각도에서 (002) 픽이 나오며 산소 분압이 170 mTorr로 증가하면서 (002) 픽의 각도가 크게 증가하고, 그 이후 240 mTorr와 310 mTorr에서는 큰 차이가 없는 것을 볼 수 있다. 특히, 0.73 W 조건에서 산소 분압에 의한 픽 위치 변화가 더 급격하게 드러난다. LBSO에서 (002) 픽이 상대적으로 왼쪽, 즉, 작은 각도에서 나온다는 것은 결정 격자가 팽창했기 때문인데, 격자 팽창을 유발하는 결함은 산소 공공과 주석 공공 두 종류이다.[21] 낮은 산소 분압에서 산소 공공이 발생하여 격자 팽창을 유발했을 수 있으나, 산소 공공이 수반하는 전자 밀도의 증가가 관측되지 않고 오히려 전자 밀도가 가장 작기 때문에 (Fig. 3(c)) 산소 공공으로 인한 격자 팽창으로 볼 수 없다. 따라서, 산소 공공이 아닌 주석 공공의 형성으로 인해 이웃한 산소 이온 간의 반발이 증가하기 때문에 격자 팽창이 발생한 것으로 추정할 수 있다. 또한, 주석 공공이 형성되었다면 자유 전자를 가두는 역할을 하기 때문에 전자 밀도와 이동도가 100 mTorr 조건에서 가장 작은 것도 자연스럽게 설명이 된다 (Fig. 3(c,d)). 산소 분압이 증가할수록 격자 팽창은 감소하여 수렴하는 양상을 보이며 이는 산소 분압의 증가에 따라 주석 공공 밀도가 감소하여 양이온 비율이 1에 가까워진다는 것을 의미한다. 이러한 산소 분압 증가에 의한 양이온 비율의 변화는 두 가지 측면에서 해석될 수 있다. 첫 번째는, 산소 분자 밀도가 증가하면서 레이저로 인해서 발생한 플라즈마 플룸 내의 입자들이 산소 분자와 더 자주 충돌하면서 기판에 도달하는 바륨과 주석의 밀도가 변화하는 것이다. 그러나 Fig. 2에서와 같은 플라즈마 동역학을 고려해보면, 산소 분압이 높아질수록 주석 비율이 감소하여 주석 공공이 증가할 것이다. 이는 산소 분압 증가에 따라 주석 공공이 감소한다는 실험결과 (Fig. 3)와 반대이기 때문에 플라즈마 동역학 변화는 주석 공공 밀도 감소의 원인으로 보기 어렵다. 두 번째로는, 온도와 산소 분압에 따른 열역학적 에너지의 변화로 인해 증착되는 박막 내의 양이온 결함 비율이 변화하는 것이다. LBSO를 구성하는 산소의 화학포텐셜은 주위 산소 분압에 비례하며, 이에 따라 주석의 화학포텐셜도 같이 변화하기 때문에 산소 분압이 높을수록 주석 공공의 형성에너지는 감소하게 된다.[14] 이는 산소 분압 증가에 따라 주석 공공이 증가한다는 실험결과와 잘 일치하며, 레이저 에너지가 높고 낮은 것과 관계 없이 유사한 양상을 보인다는 점에서 산소 분압의 영향은 플라즈마 플룸의 동역학보다는 결함 형성의 열역학적 요인이 더 지배적이라 할 수 있다. 또한, Fig. 3(c-e)을 보면, 산소 분압이 증가할수록 전자 밀도와 전자 이동도가 동시에 증가하는 양상을 확인할 수 있으며, 이는 산소 분압 증가에 따라 전자를 트랩하는 주석 공공이 감소한다는 것을 뒷받침한다.

Fig. 3.

Laser energy and oxygen partial pressure dependent (a) XRD pattern of LBSO thin film, (b) peak position of LBSO (002) plane, (c) carrier concentration, (d) carrier mobility and (e) correlation between carrier concentration and mobility.

가장 높은 전자 이동도를 나타낸 조건 (레이저 에너지 0.73 W, 산소 분압 310 mTorr) 조건에서 추가적인 전자 이동도 향상을 위해 타겟-기판 거리 (Target-substrate distance)를 39 mm 부터 47 mm까지 변화시키며 LBSO 박막의 구조적, 전기적 특성을 확인하였다. 우선, XRD패턴을 보면 LBSO 박막의 결정성이 타겟-기판 거리에 따라 크게 변하지 않는 것으로 보인다 (Fig. 4(a)). 그러나, LBSO (002) 픽을 비교해보면 (Fig. 4 (b)) 타겟-기판 거리가 멀어짐에 따라서 점점 (002) 픽의 위치가 감소하는, 즉, 격자가 팽창하는 것으로 확인된다. 산소 분압에 의한 차이보다는 작지만, 38 mm와 47 mm 샘플의 (002) 픽 위치 사이에는 최대 약 0.1 도(°) 정도의 값 차이가 존재한다. 물론 똑같은 타겟-기판 거리에서 증착하더라도 샘플에 따라 ±0.02도 정도의 오차가 존재하지만, 타겟-기판 거리에 따라 (002) 픽이 위치가 움직이는 경향성은 뚜렷하다. 이러한 경향성은 플라즈마 플룸의 동역학으로 인해 발생한 것으로 추정되는데, 이는 Fig. 1에서와 같이 높은 산소 분압 하에서는 타겟-기판 거리에 따라서 기판에 도달하는 양이온의 밀도가 크게 달라질 수 있기 때문이다. 타겟-기판 거리가 멀어질수록 격자가 팽창하는 것은 주석 공공이 발생한다는 것으로, 바륨/주석 비율이 증가한다고 할 수 있다. 이는 상대적으로 바륨보다 가벼운 주석 원자가 산소 분자와의 충돌로 인해 바륨보다 더 넓은 충돌각을 만들면서 더 넓게 퍼지고, 결과적으로 기판까지 도달하면서 밀도가 바륨보다 작아지는 현상으로 이해할 수 있다. LBSO (002) 픽 위치 2theta값에 따른 전자 이동도를 보면 (Fig. 4(c)), 43.82도에서 전자 이동도가 0 cm²V⁻¹s⁻¹에 가깝고 2theta 값이 증가할수록 전자 이동도도 점차 증가하다가, 43.865도 근처에서 84 cm²V⁻¹s⁻¹로 최대값을 갖고 그 이후 2theta 값이 더 증가하면 오히려 전자 이동도가 감소한다. 2theta 값이 증가할수록 따라 바륨/주석 비율이 증가한다는 것을 고려하면 43.865도 근처에서 전자 이동도가 최대값을 갖는 것은 바륨/주석 비율이 1에 가까워서 바륨 공공이나 주석 공공의 생성이 최소화되는 것으로 추정된다. 반면, 43.865도 이하에서는 바륨/주석 비율이 1보다 작아 바륨 공공이 생성되어 전자의 이동을 방해하고, 43.865도 이상에서는 바륨/주석 비율이 1보다 커서 주석 공공이 생성되어 전자의 이동을 방해하는 것으로 볼 수 있다. 또한, 이러한 양이온 비율의 효과는 전자 밀도에서도 마찬가지로 나타난다 (Fig. 4(d)). 전자 밀도는 43.82도에서는 측정 불가능할 정도로 작은데 (≈0), 2theta 값이 증가할수록 전자 밀도는 점차 증가하다가 43.865도에서 최대치를 찍고, 그 이상으로 2theta 값이 증가하면 전자 밀도는 감소하기 시작한다. 이는 전자 이동도를 낮추는 바륨 혹은 주석 공공들이 전자를 트랩 시키는 결함으로도 작용하기 때문이다. 따라서, 높은 산소 분압 하에서 타겟-기판 거리를 바꿈으로써 전자 밀도와 전자 이동도 모두 극대화시킬 수 있음을 알 수 있다.

Fig. 4.

Target-substrate distance dependent (a) XRD pattern of LBSO thin film and (b) peak position of LBSO (002) plane LBSO. (c) carrier mobility and (d) carrier concentration depending on 2theta value of (002) peak.

한편, 타겟-기판 거리에 따라 바륨/주석 비율이 제어되고 전자 밀도와 이동도가 향상되는 원리는 결국 플라즈마 플룸 동역학에서 기원하는 것으로 볼 수 있다. 따라서, 높은 레이저 에너지 (1.46 W) 조건에서도 타겟-기판 거리를 조절하여 LBSO 박막을 증착하고, 이를 기존에 구했던 낮은 레이저 에너지 조건의 샘플들과 비교하였다 (Fig. 5). 높은 레이저 에너지로 증착할 경우, 타겟-기판 거리와 상관없이 (002) 픽의 2theta 값이 낮은 레이저 에너지에 비해 전체적으로 증가하는 경향을 보였다 (Fig. 5(a)). 즉, 고에너지로 증착할 경우의 격자 크기가 더 작았다. 기존 연구에 따르면 레이저 에너지가 작으면 타겟에서 방출되는 플라즈마 내의 주석 비율이 높아지고, 반대로 레이저 에너지가 높아지면 바륨 비율이 높아진다고 알려져 있다. 따라서, 고에너지로 증착할 경우에는 저에너지 보다 주석 비율이 낮아 상대적으로 주석 공공이 더 많이 발생하여 격자 크기가 더 클 것이라고 예상되지만, 실험 결과 오히려 고에너지 샘플들의 격자 크기가 더 작게 나왔다. 따라서, Fig. 5(a)와 같은 2theta 값의 변화는 바륨 혹은 주석 공공의 영향이 아닌 고에너지 플라즈마로 인한 박막의 응력 변화 혹은 다른 결함의 형성 때문으로 보인다. 물론, 그렇다고 하더라도 타겟-기판 거리가 가까울수록 2theta 값이 커지는 경향성은 그대로 유지하고 있기 때문에 플라즈마 플룸 동역학으로 인한 바륨/주석 비율의 변화가 그대로 적용된다고 볼 수 있다. 전자 밀도와 전자 이동도의 변화 또한 이러한 분석을 뒷받침한다. 저에너지로 증착한 샘플의 경우 타겟-기판 거리가 45 mm 일 때 최대값의 전자 이동도를 나타내는데, 만약 플라즈마 플룸 동역학의 영향으로 바륨/주석 비율이 변한다면 고에너지로 증착할 시에는 타겟-기판 거리가 45 mm 보다 더 짧을 때 전자 이동도가 최대값을 가져야 한다. 고에너지 증착 샘플들은 저에너지 증착 샘플들에 비해 전체적으로 전자 이동도가 크게 감소하는 경향을 보여 무언가 다른 결함이 형성되어 전자의 이동을 방해하는 것으로 추측되지만, 그럼에도 불구하고 타겟-기판 거리가 가까울수록 전자 밀도와 전자 이동도가 증가하는 것으로 보아 전자 이동도를 최대로 만드는 타겟-기판 거리가 45 mm 보다 짧은 거리에 위치할 것이라는 예측에 부합한다 (Fig. 5 (b,c)).

Fig. 5.

Laser energy and target-substrate distance dependent (a) peak position of LBSO (002) plane, (b) carrier concentration and (c) carrier mobility.

2.3 LBSO 박막의 열처리 공정 개발

증착된 LBSO 박막들의 추가적인 전자 이동도 및 전자 밀도 향상을 위해 후속 열처리를 수소 분위기에서 진행하였다. 고온에서 수소 분자는 LBSO의 산소를 빼앗아 가면서 물 분자가 되며, LBSO에서 산소가 외부로 빠져나가고 산소 공공이 형성되는 과정에서 전위와 같은 결정 결함들의 회복이 이루어져 전자 이동도와 전자 밀도가 증가할 수 있다.[22] 이 때, 후속 열처리 온도와 산소 분압에 따른 변화를 보면, 크게 세 가지의 변화 양상이 나타나는 것을 확인할 수 있다 (Fig. 6(a)). 첫 번째로, 온도가 지나치게 높거나 산소 분압이 지나치게 낮은 “ A” 영역에선 산소 공공이 지나치게 많이 생성되고 LBSO 상이 열역학적으로 불안정해지면서 결정 격자가 무너져버린다. 그 결과, 열처리 후에 XRD 패턴 상에서 (002) 픽이 사라지면서 페로브스카이트 결정이 없어지는 것이 확인되고, 전기적으로도 부도체가 되면서 박막이 완전히 망가진다 (Fig. 6 (b)). 이는 과도하게 낮은 산소 분압이 산소 공공 뿐만 아니라 바륨 혹은 주석 공공의 형성도 촉진하여 LBSO 결정의 불안정성이 크게 증가하기 때문으로 보인다. 반면에, 열처리 온도와 산소 분압이 적당한 “ B” 영역에선 XRD 패턴에서 보이듯이 결정성의 향상이 나타나며, 전자 이동도가 최대 130 cm²V⁻¹s⁻¹까지 크게 증가하고 전자 밀도도 최대 7×10¹⁹ cm⁻³ 증가한다 (Fig. 6(c)). 이는 산소 공공이 결정 격자를 무너뜨리지는 않지만 다른 결함들의 회복을 도울 정도로는 생성되었다는 것을 의미한다. 한편, 온도가 너무 낮거나 산소 분압이 높아 산소 공공이 잘 생성되지 않는 “ C” 영역에선 아무런 변화가 일어나지 않는다. 열처리 전후로 XRD 패턴이 완전히 동일하며, 전자 밀도와 전자 이동도 또한 동일하다 (Fig. 6(d)). 이는 산소 공공의 형성이 충분하지 않거나 열처리 온도가 너무 낮아 결정 결함의 회복을 유도하기 부족했기 때문으로 추정된다.

Fig. 6.

(a) Annealing temperature and oxygen partial pressure dependent phase diagram, XRD pattern, carrier concentration and mobility before and after annealing: (b)“A”region, (c)“B”region and (d)“C”region.

결정성 향상과 전자이동도 및 전자 밀도 향상이 이루어지는 적절한 열처리 온도와 산소 분압 조건에서, 타겟-기판 거리 변화를 통해 바륨/주석 비율을 제어한 샘플들의 열처리를 진행하였다 (Fig. 7). 흥미롭게도, 타겟-기판 거리가 43 mm 이하로 가까운 경우에는 전자 이동도가 크게 증가하는 것이 관찰되었으나, 타겟-기판 거리가 45 mm 이상으로 먼 경우에는 전자 이동도가 거의 증가하지 않는 현상이 관찰되었다 (Fig. 7(a)). 즉, 타겟-기판 거리가 가까워서 주석 비율이 높은 경우에만 후속 수소 열처리 이후 전자 이동도가 증가한 것이다. Fig. 4(c)에서 측정한 샘플들을 그대로 수소 열처리를 진행하여 전후의 전자 이동도를 비교해보면, 확실히 2theta 값이 커서 결정 격자가 작은 샘플들만 열처리 이후에 전자 이동도가 크게 증가했다 (Fig. 7 (b)). 이는 주석 비율이 높은 경우에만 수소 열처리에 의해서 전자 이동도가 증가한다는 사실을 강력하게 뒷받침한다. 이러한 결과는 수소 열처리를 이용한 결정 결함의 회복이 단순히 산소 공공의 형성으로만 촉진되지 않고, 과도한 양의 주석이 이미 LBSO 박막 내에 존재하거나 바륨 공공이 많을 때에만 발생한다는 것을 의미한다.

Fig. 7.

(a) Carrier mobility of 0.4% and 1% La-doped BSO thin films depending on target-substrate distance, (b) comparison of carrier mobility depending on 2theta value of LBSO (002) peak before and after hydrogen annealing.

바륨/주석 비율에 따른 이러한 현상은 두 가지로 해석될 수 있다. 첫 번째는, 열처리에 의해 전위와 같은 결정 결함이 회복될 때, 전위 결함을 구성하는 주요 요소가 바륨 공공과 산소 공공이어서 두 종류의 공공이 모두 다량 존재할 때만 전위가 움직여서 회복이 일어난다는 것이다. 두 번째는, 열처리 과정에서 산소 뿐만 아니라 주석도 같이 증발하여 박막 내부에서 산소와 주석 이온 모두가 움직이면서 공공을 만들 때에만 결정 결함이 회복될 수 있다는 것이다. 그러나, LBSO 박막에 대한 전자 현미경 관찰 실험 결과, 전위를 구성하는 요소는 바륨 공공, 주석 공공, 산소 공공 모두였기 때문에 여기서 첫 번째 가능성은 제외할 수 있다.[23] 따라서 남는 가능성은 두 번째 뿐으로, 주석 자체에 의한 움직임이 결정 결함의 회복에 핵심적인 역할을 한다는 것이다. 여기서 주석의 움직임은 두 가지로 나타날 수 있는데, 첫 번째는 산소 공공에 의해 주석 금속이 석출되면서 발생하는 움직임이고,[24] 두 번째는 주석의 증발과 공공의 형성으로 인한 움직임이다.[20] 그 중에서도 주석의 증발에 관해 살펴보자면, Fig. 8과 같이 온도와 산소 분압에 따라 바륨 및 주석 관련 분자들의 평형 증기압이 변한다는 것을 알 수 있다. 즉, 미세한 양이지만 산소 외에도 바륨과 주석이 증발할 수 있다는 것이다. 특히, 대기압에서는 바륨 산화물의 평형 증기압이 주석 산화물보다 크지만, 바륨 산화물의 평형 증기압은 산소 분압에 따라 거의 변하지 않고 주석 산화물의 평형 증기압은 산소 분압이 감소함에 따라서 크게 증가하기 때문에 산소 분압이 매우 낮은 수소 열처리에서는 바륨보다 주석의 증발량이 훨씬 많을 것이다 (Fig. 8(a)). 평형 증기압이 가장 큰 BaO와 SnO를 온도와 산소 분압에 따라서 비교해보면 (Fig. 8 (b)), 온도가 높아지거나 산소 분압이 낮아지는 영역에서는 BaO 보다 SnO의 평형 증기압이 더 큰 것을 확실하게 알 수 있다. 특히, 주석이 더 많이 증발하는 조건인 높은 온도와 낮은 산소 분압은 Fig. 6에서와 같이 열처리 후의 LBSO 박막 결정성과 전자 이동도 향상에 중요한 요소이기 때문에 주석의 증발이 박막 결정성 향상과 전자 이동도 증가에 핵심적인 역할을 한다고 유추할 수 있다. 비슷한 원리로, 지나치게 높은 온도와 낮은 산소 분압은 주석의 과도한 증발을 유발하여 LBSO 박막의 결정 격자를 무너뜨리고 전자 이동도를 낮추는 것으로 생각할 수 있다.

Fig. 8.

(a) Equilibrium vapor pressure depending on oxygen partial pressure of Ba and Sn species, (b) Comparison of equilibrium vapor pressure between BaO and SnO depending on temperature and oxygen partial pressure.