새로운 유형의 초 거대 격자 슈퍼 크리스탈(Super Crystal) 만들었다.

문광주 기자 / 기사승인 : 2021-05-27 23:19:59
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* 초격자 Super gitter"는 자기 조직화를 통해 나노 결정 구성요소를 형성
* 자가 조직화를 통해 페로브스카이트와 유사한 입방체 구조를 형성
* 결정의 상호 작용은 들뜬 상태를 생성, 에너지는 짧지만 매우 강한 집단 광 펄스로 방출
* 이미터(emitter)는 예를 들어 양자 통신 및 기타 광전자 응용 분야에 사용될 수 있다.

연구원들이 번쩍이는 슈퍼 크리스탈(Super Crystal)을 만들었다.
"초격자 Super gitter"는 자기 조직화를 통해 나노 결정 구성요소를 형성한다.


새로운 구조 :
연구자들은 처음으로 입방체 모양과 구형 나노 결정을 결합하여 ‘Super Gitter 초격자’ 라고하는 새로운 유형의 초거대 결정을 형성했다. 자가 조직화를 통해 페로브스카이트와 유사한 입방체 구조를 형성하고 초 형광과 같은 특수한 전자 및 광학 특성을 보여준다. 전문 잡지 "Nature"의 과학자들에 따르면 이러한 맞춤형 초 격자는 완전히 새로운 응용 프로그램을 열 수 있다고 한다. 

▲ 이 입방체 모양의 결정은 '초 격자'다. 규칙적으로 배열된 원자나 이온이 아니라 입방체 및

구형 나노 결정 요소로 구성된다. © Empa


소금 입자, 얼음 결정 또는 다이아몬드 여부 :
결정(crystal)은 일반적으로 규칙적인 격자로 배열된 원자 또는 이온으로 구성된다.
다양한 형태의 결합이 격자의 안정성을 보장한다. 재료에 따라 전자 교환, 공유 결합 또는 금속 결합을 기반으로 한 이온 결합이 될 수 있다.

나노 결정으로 만든 결정 격자

그러나 몇 년 동안 완전히 새로운 유형의 결정(Crystal)들이 있었다.
이러한 "초격자"의 기본 요소는 개별 입자가 아니라 작은 나노 결정으로 구성된다.
주변의 용매가 증발하거나 레이저 충격을 받을 때와 같은 특정 상황에서 이러한 나노 결정은 결정으로 만들어진 규칙적인 격자 구조 유사 결정을 스스로 구성한다.

이러한 초격자는 종종 비정상적인 전자 및 광학 특성을 갖는다.
일부는 특히 전자를 잘 전도하고, 다른 일부는 효과적인 촉매이거나 초 형광을 나타낸다.
이들은 매우 짧고 매우 강한 광 펄스를 방출하기도 한다. 나노 결정 구성요소의 모양과 크기에 따라 다양한 초 격자가 생성될 수 있다. 그러나 지금까지는 구형(球形) 나노 구성요소로 만든 거대 결정이 대부분을 지배했다.

주사위와 공이 교대로

ETH Zurich의 이호르 체르니우크(Ihor Cherniukh)와 그의 동료들은 최근 완전히 새로운 유형의 초격자를 개발했다. 5월 27일자 "Nature"의 표지를 장식했다.
메가 크리스탈의 특별한 점은 입방체와 구형 나노 결정으로 구성된 것이다.
"우리가 아는 한 이러한 혼합 초 격자는 이전에 생성된 적이 없다"고 팀은 말한다. "우리는 이제 이러한 입방체와 구형 나노 결정의 조합이 실험적으로 가능하다는 것을 보여주고 있다.“
▲ 현재 "Nature" 표지를 장식한 새로운 슈퍼 그리드. © Nature


새로운 초격자의 구성은 페로브스카이트 미네랄 세슘-납-브로마이드(CsPbBr3)의 입방체 모양의 나노 결정으로 구성된다. 또한 마그네타이트(Fe3O4) 또는 나트륨, 가돌리늄 및 불소 (NaGdF4)의 조합으로 만들어진 구형 결정이 있다. 이러한 나노 결정이 결합되면 규칙적인 입방격자로 배열된다.

페로브스카이트와 같은 격자 구조

나노 결정 구성요소의 크기에 따라 새로운 메가 크리스탈의 격자 구조는 식염과 같은 입방 결정 구조 또는 페로브스카이트 광물 격자와 유사하다. 이것들은 그들을 구성하는 세 가지 유형의 이온이 단단히 채워진 결정 구조를 가지고 있다. 이 광물은 또한 태양 전지 및 광전자 부품에 대한 수요가 많은 재료로 만드는 특별한 전자적 특성을 지니고 있다.

새로운 초격자는 이제 이온 대신 다른 모양의 나노 결정이 나타나는 동일한 구조를 보여준다. 또한 이 그리드의 개별 구성요소는 이온 결합을 통해 서로 연결되어 있지 않지만 궁극적으로 엔트로피의 힘에 의해서만 할당되고 결합된다. 자연은 다양한 형태의 나노 결정을 최대한 무질서하게 분포시키려고 노력하기 때문에, 말하자면 특히 조밀하고 규칙적인 패킹을 생성한다.

초형광은 매우 짧은 광 펄스를 생성

페로브스카이트 모델을 기반으로 한 초격자의 특별한 점은 그들도 모델의 탐욕스러운 특성을 지니고 있다는 것이다. CsPbBr3 및 NaGdF4로 만들어진 메가 크리스탈은 강한 초형광을 나타낸다. 결정의 상호 작용은 들뜬 상태를 생성하며, 그 에너지는 매우 짧지만 매우 강한 집단 광 펄스로 방출된다. 이러한 이미터(emitter)는 예를 들어 양자 통신 및 기타 광전자 응용 분야에 사용될 수 있다.

그러나 이러한 새로운 유형의 거대 결정의 특성은 거의 연구되지 않았다.
“우리는 아직 초기 단계에 있다. 이러한 약한 초격자에는 어떤 물리적 특성이 있으며 그 구조는 관찰된 특성과 어떤 관련이 있을까? 특정 기술 애플리케이션에 사용할 수 있을까? 어떤 수학적 법칙이 형성됐는가?”

Eidgenössische Materialprüfungs- und Forschungsanstalt Empa의 팀 리더 막심 코발렌코(Maksym Kovalenko)가 공개 질문을 내놓았다.
(Nature, 2021; doi : 10.1038 / s41586-021-03492-5)
출처 : Empa-Federal Materials Testing and Research Institute

[더사이언스플러스=문광주 기자]

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