High-$T_{c}$ cuprate superconductors, unlike conventional superconductors, have a significantly high critical temperature $T_{c}$. Since they are discovered, many researchers have studied for about 30 years. The main interest has been focused on improving the $T_{C}$ for applications. At the same time, researches are also conducted to understand the mechanism of superconductivity. High-$T_{c}$ superconductors cannot be completely explained by the well-known Bardeen-Cooper-Schrieffer (BCS) theory and have a d-wave gap structure that is different from the conventional s-wave gap. In the $\textbf{k}$ reciprocal space, it is observed that the gap is dependent on the $\textbf{k}$ with gap closing at the nodes leading to the pseudo-gap structure. Phase diagram of the high-$T_{c}$ cuprate superconductors appear through hole-doping or by controlling the amount of oxygen contents. In the case of La$_{2-x}$Sr$_{x}$CuO$_{4}$, substitution of Sr for La element provides a hole in a CuO$_2$ conduction plane. In the bulk single crystal, it is known that superconductivity appears in the range of $0.05\leq x \leq0.3$. It is also considered to be a quasi-two dimensional system because of the layered perovskite structure. Superconductor-to-insulator transitions (SITs) reveal the transition model and conduction mechanism result in the observed phase change, and thereby play an important role in understanding of the superconductivity in each system. Especially, the SITs in thin films can be induced by applying magnetic field, carrier density control by using gate voltage, and disorder effects caused by controlling film thickness. Among various parameters, the disorder effect which inevitably arises in thin films has a huge influence on the superconductivity of thin films. In this dissertation, we investigate the SIT and describe anomalous electrical transport phenomena in the La$_{2-x}$Sr$_{x}$Cu$_{4}$ as changing Sr doping ratio and film thickness.The optimal-doped La$_{1.85}$ Sr$_{0.15}$CuO$_{4}$ thin films are deposited with changing film thickness to investigate the disorder effect. The $R_{s}-T$ curves show that the SIT occurs with the film thickness control, that is not induced from the crystal structural or stoichiometric variations as characterized by X-ray diffraction and transmission electron microscopy (TEM). Also, a highly disordered thin film shows a clear field-driven SIT with a significantly low critical magnetic field. Being consistent with the previous theoretical work by M. P. A. Fisher, the observed transport property is attributed to a bosonic transition rather than a fermionic one. Finite-size scaling indicates the classical percolation model plays a crucial role in the quantum phase transition. For a better understanding of the disorder effect, we systematically measure $R_{s}-T$ curves for various Sr doping ratios and film thicknesses. As a result, the disorder effect does not only suppress the superconductivity but also shifts the superconducting dome to the over-doped regime in the phase diagram. Additionally, this shift is supported by an opposite tendency of the enhancement of $T_{c}$ with the decrease of film thickness in the highly over-doped La$_{1.7}$Sr$_{0.3}$CuO$_{4}$ thin films. In 5-nm-thick La$_{1.7}$Sr$_{0.3}$CuO$_{4}$ thin films, two-step phase transitions are observed by tuning the magnetic field, suggesting the existence of two conduction channels. Lastly, anomalous electronic transport behavior is observed in the La$_{2-x}$Sr$_{x}$CuO$_{4}$ thin films depending on AC frequency. The enormous phase angle rotation is observed and the magnitude even reaches 180$^{\circ}$ corresponding to the `negative resistance' regime. The huge phase angle rotation exhibits a strong correlation with $T_{c}$ and carrier density controlled by Sr doping.
구리 계열 고온초전도체는 처음 발견 된 이후로 기존의 알려진 초전도체와 다르게 확연히 높은 임계온도 $T_{c}$를 보이며 지금까지 약 30년간 활발하게 연구되어 왔다. $T_{c}$를 향상시켜 응용성을 높이고 초전도 매커니즘을 이해하기 위한 노력이 병행되고 있다. 고온 초전도체의 경우는 기존에 알려진 Bardeen-Cooper-Schrieffer(BCS) 이론에 의해 완벽히 해석되지 않는다. 기존의 s-파동 간격 구조와는 다른 d-파동 간격 구조를 가지고 있어 운동량 공간에서 방향성에 따라 다른 간격이 나타나며 유사-간격도 관측된다. 이러한 구리계열 고온 초전도체에서의 상도표는 정공 도핑을 통하여 나타난다. La$_{2-x}$Sr$_{x}$CuO$_{4}$의 경우에는, La 이온 자리에 Sr을 치환함으로써 CuO$_2$ 전도면에 정공을 제공한다. 덩어리 단결정상의 경우, $0.05\leq x\leq0.3$ 사이에서 초전도성이 발현되는 것이 알려져 있다. 또한 층상 페로브스카이트 결정 구조를 가지고 있어 준-2차원계로 간주된다. 초전도-절연체 상변화에 대한 연구는, 관측된 상변화가 어떤 이론적 상변화 모델 및 전도 메커니즘에 기인하는지 밝혀 각 시스템에서 발현되는 초전도성 이해에 이바지한다. 특히 박막에서의 초전도-절연체 상변화는 수직하게 인가한 자기장, 게이트 전압을 이용한 전하 운반체양 조절, 그리고 박막 두께 조절에 따른 무질서 정도 조절을 통해서 관측되어 왔다. 여러가지 변수들 중에서도 박막에서 불가피하게 발생하는 무질서 효과가 박막의 초전도성 발현에 큰 영향성을 가진다. 이 논문에서는 La$_{2-x}$Sr$_{x}$CuO$_{4}$ 박막내에서 일어나는 초전도-절연체 상변화 및 특이 전기수송 현상들에 대해 박막 두께와 Sr이온 치환량을 변화하며 조사하고 그 현상을 서술한다. 초전도 최적 치환량인 La$_{1.85}$Sr$_{0.15}$CuO$_{4}$ 박막을 두께에 따라 증착하여 그에 따라 나타나는 무질서 효과를 조사한다. 저항-온도 곡선 조사를 통하여 두께가 두꺼워짐에 따라 절연체-초전도체 상변화가 나타나는 것을 관측하며, 구조적 혹은 La/Sr 화학조성비 변화에 기인한 것이 아님을 X선 회절 실험과 투과전자현미경 측정을 통해 밝힌다. 또한 무질서 효과가 강하게 작용하고 있는 박막에서 자기장을 이용한 초전도-절연체 상변화가 상당히 낮은 임계자기장에 의해 발현된다. 관측된 상변화는 알려진 이론연구에 기초하여 페르미적 상변화가 아닌 보존적 상변화임을 얻어진 임계 저항값을 통해 알 수 있으며, 고전적 스미기 모형에 따르는 상변화라는 것을 유한-크기 축척법을 통해 밝혀낸다. 무질서 효과를 보다 깊이 이해하기 위해 다양한 Sr 치환량의 La$_{2-x}$Sr$_{x}$CuO$_{4}$ 박막에서 두께에 따른 저항-온도 곡선을 얻는다. 이를 통해 무질서 효과는 단순히 초전도성을 억제하는 것이 아닌 상도표상에서 고도핑 방향으로 초전도 돔을 움직인다. 또한, 이러한 사실은 Sr이 초고치환된 La$_{1.7}$Sr$_{0.3}$CuO$_{4}$ 박막에서 기존과 반대의 박막두께-무질서 관계를 가진다는 것과 일맥상통한다. 얇은 La$_{1.7}$Sr$_{0.3}$CuO$_{4}$ 박막의 경우 두 단계 상변화가 자기장에 의해 일어나며, 이것은 경계상에서 기인 하는 것으로 예측된다. 마지막으로 인가한 교류전류 주파수에 따라 나타나는 이상 전도 현상을 관측한다. 이때 얻어지는 전류 대비 위상각 회전이 초전도상 발현과 함께 강하게 발생하며, 그 크기가 180$^{\circ}$에 까지 도달하여 `음저항'과 같은 효과를 확인한다. 또한 관측된 큰 위상각 회전은 초전도 임계온도 및 Sr 치환량에 따른 전하운반체 양에 강한 상관관계를 가지는 것을 알 수 있다.
