나노기술 및 정책 정보

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교토(京都)대학, 도쿄(東京)공업대학, 미국 미시간대학 등의 국제 공동 연구그룹이 무기 결정의 원자 공공(空孔) 배열 패턴을 응력으로 제어하는 ​​데 성공함. 원자 공공이 초전도와 이온 전도 등 다양한 기능에 본질적인 영향을 미친다는 사실은 알려져 있지만, 배열 패턴을 자유롭게 제어한 사례는 없었음. 연구진은 바나듐 산화물의 박막 시료에 대해 기판으로부터 응력을 주면서 저온 토포케미컬(topochemical) 화학 반응을 일으킴으로써, 산소 공공 면이 형성되는 방향 및 그 주기를 변화시키는 것을 세계 최초로 발견함. 연구진은 3차원 구조(페로브스카이트 구조)를 가진 스트론튬과 바나듐산화물(SrVO3)을 사용했으며, 먼저 SrVO3의 박막 결정을 격자 정수가 다른 다양한 같은 기판 위에 성장시킴. SrVO3는 기판 결정의 크기(격자 상수)에 맞추어 성장했지만, 이것은 SrVO3 박막이 기판에서의 응력을 받고 있다는 것을 의미함. 이렇게 얻어진 다양한 응력을 받은 SrVO3 박막(응력제로에 상당하는)과 분말 시료에 대해 토포케미털 반응(산소의 일부를 질소로 치환하는 반응)을 시험했으며, 그 결과, SrVO3 분말 시료는 질소의 일부와 함께 (111)라 불리는 면에 위치하는 산소가 주기적으로 빠진 구조를 얻었음. 하지만, 압축 응력을 주는 격자 정수가 작은 기판(예를 들어 LaAlO3)을 이용한 경우에는 산소 공공이 나타나는 방향이 (112)면으로 변화함. 또한 당가는 응력을 주는 격자 정수가 큰 기판(예를 들어 SrTiO3)을 이용한 경우 산소 공공 면의 방향은 (111)면 그대로였지만, 그 주기가 5배에서 6배로 변화하는 것을 발견함. 이러한 결과는 응력에 의해 결정 구조가 제어된 것을 의미함. 본 연구는 설계는 불가능하다고 여겨졌던 무기 물질 합성의 상황을 변화시킬 뿐만 아니라 온디맨드형 기능 개발을 가능하게 하는 것임. 향후, 본 기술을 통해 새로운 유형의 전기 광 변환 기능과 높은 전이 온도를 갖는 초전도 등 혁신적 기능재료가 개발될 것으로 기대됨.

본 연구 성과는 ‘Nature Communications’ (“Strain-induced creation and switching of anion vacancy layers in perovskite oxynitrides”) 지에 게재됨.