| 기관명 |
NDSL |
| 작성자 |
KISTI 미리안 글로벌동향브리핑 |
| 작성일자 |
2018-12-07 00:00:00.000 |
| 내용 |
연구팀은 처음으로 해독한 가장 복잡한 페로브스카이트 결정 구조 시스템의 3 차원 원자 및 전자 밀도 구조를 시각화했다. 페로브스카이트는 원자와 전자의 배열에 따라 전기 절연체, 반도체, 금속 또는 초전도체로서 관심있는 미네랄이다. 페로브스카이트 결정은 팔각형을 형성하는 8 개의 다각형인 산소 원자의 특이한 그룹을 가지고 있다. 이러한 산소 원자의 배열은 주기율표의 많은 원소 원자를 보유할 수 있는 케이지 (cage)처럼 작용한다. 또한 금속을 절연체로 변경하거나 비 자석을 강자성체로 변경하는 경우와 같이 재질의 특성을 변경하기 위해 정확한 위치에서 케이지 외부의 큐브 모서리에 다른 원자를 고정할 수 있다. 현재 연구에서, 연구팀은 표면에 비슷하지만 약간 다른 산소 케이지를 가진 일련의 다른 페로브스카이트 결정 기판 위에 티타늄 산 칼슘이라고 불리는 가장 먼저 발견된 페로브스카이트 결정을 성장시켰다. 상부의 박막 페로브스카이트는 보다 두꺼운 기판의 구조와 일치하기를 원하기 때문에, 틸트 에피택시 (tilt epitaxy)로 알려진 공정에서 케이지를 뒤틀어 버린다. 연구팀은 이 티탄산 칼슘의 틸트 에피택시가 매우 평범한 물질을 강유전체 (자발 분극화)가 되게 하고 실온보다 약 3 배 더 높은 900 켈빈까지 강유전체로 유지하게 만들었다. 그들은 또한 처음으로 티탄산 칼슘 박막의 3 차원 전자 밀도 분포를 시각화할 수 있었다. 오랫동안 원자를 볼 수 있었지만 3 차원의 결정으로 우주의 전자 분포를 매핑하지 못했다. 원자핵이 공간에서 어디에 위치해 있는지 뿐만 아니라 전자 구름이 어떻게 공유되어 있는지를 볼 수 있다면 그 속성을 추론하기 위해 물질에 대해 알아야 할 모든 것을 기본적으로 알려줄 것이다. 이 결과는 네이처 커뮤케이션스 (Nature Communications, 'Three-dimensional atomic scale electron density reconstruction of octahedral tilt epitaxy in functional perovskites')에서 볼 수 있다. 원래 이스라엘의 한 그룹에 의해 개발된 COBRA (코 히어런트 브래그 로드 분석)라고 불리는 거의 사용되지 않는 x-ray 시각화 기술에 기반하여 연구된 가장 복잡하고 최소 대칭인 재료 시스템 중 하나를 분석하는 기술을 확장하고 수정하는 방법을 알아냈다. 이 시스템은 모든 방향으로 8 면체 기울기를 가진 변형된 3 차원 페로브스카이트 결정체로 다른 동일하게 복잡한 결정 구조에서 성장한다는 것을 보여준다. 원자 수준에서 3 차원 구조의 세부 사항을 밝히기 위해서는 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Labs)에서 제공되는 가장 우수한 싱크로트론 X 선 소스를 사용하여 광범위한 데이터 세트를 수집하고 그러한 낮은 대칭성의 복잡성을 수용하기 위해 수정된 COBRA 분석 코드로 신중하게 분석해야 했다. 이 방법으로 거의 모든 페로브스카이트 산소 케이지가 재료 전체에 걸쳐 완벽하게 정렬되어 있다는 것을 알아냈다. 어떤 것은 원자의 한 층에서 반 시계 방향으로 회전하고 다음 층에서는 시계 방향으로 회전한다. 일부 케이지는 기판 표면과 평행한 방향으로 또는 기판 표면과 평행한 방향으로 그러지거나 기울어진다. 표면과 끝까지 성장한 기판과의 인터페이스에서 각 원자 층은 구조와 패턴에 독특한 변화를 가져올 수 있다. 이러한 모든 왜곡은 밀도 특성 이론 (DFT)이라고 하는 계산 기술을 사용하여 예측할 수 있는 재료 특성에 차이를 만든다. DFT 계산에서 얻은 예측은 실험 데이터를 보완하고 페로브스카이트 산소 케이지의 정렬 또는 기울임에 따라 물질 특성이 변하는 방식을 설명하는데 도움이 되는 통찰력을 제공한다. 연구팀은 또한 펜실베니아 주립 대학의 재료 연구소에서 강력한 Titan 투과 전자 현미경을 사용하여 재료의 여러 이미지에 대해 고급 COBRA 기술을 검증했다. 전자 현미경은 2D 투영에서 극도로 얇은 전자 투과 샘플을 촬영하기 때문에 현재 사용 가능한 최고의 현미경과 여러 샘플 방향으로도 3D 이미지를 캡처할 수 있는 것은 아니다. 이것은 COBRA 기술에 의한 3D 입체 이미징이 복잡한 구조에서 전자 현미경보다 우월한 영역이다. 연구팀은 그들의 COBRA 기술이 다른 많은 3D, 저차원 대칭 원자 결정의 연구에 적용 가능하다고 믿고 있다. |
| 출처 |
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| 원문URL |
연구팀은 처음으로 해독한 가장 복잡한 페로브스카이트 결정 구조 시스템의 3 차원 원자 및 전자 밀도 구조를 시각화했다. 페로브스카이트는 원자와 전자의 배열에 따라 전기 절연체, 반도체, 금속 또는 초전도체로서 관심있는 미네랄이다. 페로브스카이트 결정은 팔각형을 형성하는 8 개의 다각형인 산소 원자의 특이한 그룹을 가지고 있다. 이러한 산소 원자의 배열은 주기율표의 많은 원소 원자를 보유할 수 있는 케이지 (cage)처럼 작용한다. 또한 금속을 절연체로 변경하거나 비 자석을 강자성체로 변경하는 경우와 같이 재질의 특성을 변경하기 위해 정확한 위치에서 케이지 외부의 큐브 모서리에 다른 원자를 고정할 수 있다. 현재 연구에서, 연구팀은 표면에 비슷하지만 약간 다른 산소 케이지를 가진 일련의 다른 페로브스카이트 결정 기판 위에 티타늄 산 칼슘이라고 불리는 가장 먼저 발견된 페로브스카이트 결정을 성장시켰다. 상부의 박막 페로브스카이트는 보다 두꺼운 기판의 구조와 일치하기를 원하기 때문에, 틸트 에피택시 (tilt epitaxy)로 알려진 공정에서 케이지를 뒤틀어 버린다. 연구팀은 이 티탄산 칼슘의 틸트 에피택시가 매우 평범한 물질을 강유전체 (자발 분극화)가 되게 하고 실온보다 약 3 배 더 높은 900 켈빈까지 강유전체로 유지하게 만들었다. 그들은 또한 처음으로 티탄산 칼슘 박막의 3 차원 전자 밀도 분포를 시각화할 수 있었다. 오랫동안 원자를 볼 수 있었지만 3 차원의 결정으로 우주의 전자 분포를 매핑하지 못했다. 원자핵이 공간에서 어디에 위치해 있는지 뿐만 아니라 전자 구름이 어떻게 공유되어 있는지를 볼 수 있다면 그 속성을 추론하기 위해 물질에 대해 알아야 할 모든 것을 기본적으로 알려줄 것이다. 이 결과는 네이처 커뮤케이션스 (Nature Communications, 'Three-dimensional atomic scale electron density reconstruction of octahedral tilt epitaxy in functional perovskites')에서 볼 수 있다. 원래 이스라엘의 한 그룹에 의해 개발된 COBRA (코 히어런트 브래그 로드 분석)라고 불리는 거의 사용되지 않는 x-ray 시각화 기술에 기반하여 연구된 가장 복잡하고 최소 대칭인 재료 시스템 중 하나를 분석하는 기술을 확장하고 수정하는 방법을 알아냈다. 이 시스템은 모든 방향으로 8 면체 기울기를 가진 변형된 3 차원 페로브스카이트 결정체로 다른 동일하게 복잡한 결정 구조에서 성장한다는 것을 보여준다. 원자 수준에서 3 차원 구조의 세부 사항을 밝히기 위해서는 아르곤 국립 연구소 (Argonne National Labs)에서 제공되는 가장 우수한 싱크로트론 X 선 소스를 사용하여 광범위한 데이터 세트를 수집하고 그러한 낮은 대칭성의 복잡성을 수용하기 위해 수정된 COBRA 분석 코드로 신중하게 분석해야 했다. 이 방법으로 거의 모든 페로브스카이트 산소 케이지가 재료 전체에 걸쳐 완벽하게 정렬되어 있다는 것을 알아냈다. 어떤 것은 원자의 한 층에서 반 시계 방향으로 회전하고 다음 층에서는 시계 방향으로 회전한다. 일부 케이지는 기판 표면과 평행한 방향으로 또는 기판 표면과 평행한 방향으로 그러지거나 기울어진다. 표면과 끝까지 성장한 기판과의 인터페이스에서 각 원자 층은 구조와 패턴에 독특한 변화를 가져올 수 있다. 이러한 모든 왜곡은 밀도 특성 이론 (DFT)이라고 하는 계산 기술을 사용하여 예측할 수 있는 재료 특성에 차이를 만든다. DFT 계산에서 얻은 예측은 실험 데이터를 보완하고 페로브스카이트 산소 케이지의 정렬 또는 기울임에 따라 물질 특성이 변하는 방식을 설명하는데 도움이 되는 통찰력을 제공한다. 연구팀은 또한 펜실베니아 주립 대학의 재료 연구소에서 강력한 Titan 투과 전자 현미경을 사용하여 재료의 여러 이미지에 대해 고급 COBRA 기술을 검증했다. 전자 현미경은 2D 투영에서 극도로 얇은 전자 투과 샘플을 촬영하기 때문에 현재 사용 가능한 최고의 현미경과 여러 샘플 방향으로도 3D 이미지를 캡처할 수 있는 것은 아니다. 이것은 COBRA 기술에 의한 3D 입체 이미징이 복잡한 구조에서 전자 현미경보다 우월한 영역이다. 연구팀은 그들의 COBRA 기술이 다른 많은 3D, 저차원 대칭 원자 결정의 연구에 적용 가능하다고 믿고 있다. |
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