나노기술 및 정책 정보

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● 일본 도쿄대학교의 연구팀이 계면에서의 국소 열팽창을 나노미터(nm) 수준의 높은 공간 분해능으로 측정하는 데 성공

● 연구팀은 주사투과전자현미경(STEM)으로 측정되는 전자에너지손실분광법(EELS)에 주목하였는데, EELS는 전자 구조와 원자 구조에 대한 정보를 제공하는 분광법으로 연구팀은 EELS의 저에너지 영역에 나타나는 플라즈몬이라 불리는 스펙트럼에 주목

● 플라즈몬의 피크 위치는 전하 밀도와 관련이 있는 것으로 알려져 있으며, 재료가 열에 의해 팽창할 때 전하 밀도가 변화하며 플라즈몬 피크 위치의 변화로부터 재료의 팽창을 검출할 있다는 아이디어에 집중

● 연구진은 티탄산스트론튬이라는 세라믹 결정 두 개가 만나는 계면에서의 열팽창 거동을 STEM-EELS를 통해 조사

● STEM 내에서 700℃까지 온도를 올려 각 계면의 국소적인 열팽창을 측정한 결과, 한 계면은 결정 내부의 약 3배의 열팽창을 나타내어 전부터 예상되었던 계면에서의 열팽창과 대략 일치하였지만, 다른 계면의 열팽창은 결정 내부의 단 1.4배 정도로 억제되어 있는 것을 관찰

● 또한 계면과 결정 내부에서는 원자가 존재하는 밀도가 다르고 계면 쪽이 조금 희소하게 원자가 존재하고 있는 것으로 확인되었으며, 이는 계면에는 결정 내부와 비교할 때 여유 공간이 존재하고 있고 계면에서의 열팽창이 여유 공간의 크기와 상관관계가 있음을 규명

● 본 연구를 통해 모든 계면이 결정 내부와 동일한 큰 열팽창을 나타내는 것은 아니며, 계면 구조에 따라 서로 다른 열팽창을 나타내고 있어 계면의 원자 배열을 의도대로 제작하는 것이 가능할 경우 열팽창도 제어할 수 있을 것으로 전망

● 본 연구 성과는 향후 계면에서 국부적인 열팽창을 이해하고 제어하는 ​​데 있어 지침이 될 것으로 기대

※ 용어설명

- 플라스몬(plasmon): 금속 내의 자유전자가 집단적으로 진동하는 유사 입자

※ Nano Letters(2021.12.02.) 게재, “Nanoscale Investigation of Local Thermal Expansion at SrTiO3 Grain Boundaries by Electron Energy Loss Spectroscopy”