국문초록
에너지 변환소재의 자기적 특성에 대한 연구
국민대학교 대학원
물 리 학 과
박 일 진
초거대자기저항 물질로 알려진 La-manganite는 상대적으로 약한 외부 자기장으로 높은 자기열량효과를 나타내는 물질이다. 이에 본 연구에서는 sol-gel법을 이용하여 분말 및 ...
국문초록
에너지 변환소재의 자기적 특성에 대한 연구
국민대학교 대학원
물 리 학 과
박 일 진
초거대자기저항 물질로 알려진 La-manganite는 상대적으로 약한 외부 자기장으로 높은 자기열량효과를 나타내는 물질이다. 이에 본 연구에서는 sol-gel법을 이용하여 분말 및 박막 시료를 제조하여 자기열량효과와 그 변화를 이끌어 낼 수 있는 변수에 대하여 연구하였다. 시료들의 변화를 조절하기 위하여 열처리 온도, 열처리 분위기 및 lattice mismatch의 변화를 주어 자기열량효과와 자기구조 전이 온도를 조절하고 변수들의 원인에 대하여 연구하고 최종적으로 새로운 자기냉동소재를 제안하고자 하였다. 또한 P-type 태양전지 흡수체 소재로 응용이 가능한 Cu2FeSnS4 물질을 High-temperature arrested precipitation법을 이용하여 nano분말을 합성하였다. 현재까지 이론적인 분석과 여전히 논란이 되고 있는 stannite-kesterite의 구조적인 특성으로 인한 disorder에 의한 현상을 규명하고자 하였다. 특히 disordered된 이온의 분포를 뫼스바우어 스펙트럼의 분석으로부터 정량적으로 규명하고자 하였으며 자기구조 분석으로부터 disorder에 대한 증거를 제시하고자 하였다.
La0.7Ca0.357Fe0.01Mn0.99O3 시료들은 X-선 회절 실험 결과로부터 Pnma의 공간군을 갖는 orthorhombic 구조로 분석되었다. 열처리 온도가 1000 oC, 1200 oC, 1400 oC로 증가함에 따라 격자상수 a0, b0, 단위포의 부피가 증가하는 것으로 분석되었다. 이와 함께 LCMO에서 자기거동에 영향을 미치는 Mn-O의 결합거리는 열처리 온도가 증가함에 따라 1.971 Å, 1.951 Å, 1.943 Å로 감소하였고, Mn-O-Mn의 결합각은 156.4 o, 164.3 o, 168.1 o로 증가하였다. 이러한 변화와 함께 자기구조 전이온도는 265 K, 255 K, 245 K으로 감소하고 최대 자기엔트로피 변화는 242 K에서 1.6 J/kg•K, 3.6 J/kg•K, 5.5 J/kg•K으로 증가하였다. 이와 함께 뫼스바우어 스펙트럼의 분석결과 열처리 온도가 증가할 수록 자기 이방성 상수의 값은 5.38 × 103 erg/cm3, 3.05 × 103 erg/cm3, 2.69 × 103 erg/cm3로 계산되었다. 이러한 결과로부터 열처리 온도는 Mn-O의 결합거리, 및 Mn-O-Mn의 결합각, 자기 이방성 상수에 영향을 미치며 이와 같은 변수들은 최대 자기엔트로피 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
Mn-O의 결합거리, 및 Mn-O-Mn의 결합각, 자기 이방성 상수에 더 큰 변화를 유발시키기 위하여 sol-gel법으로부터 얻어진 전구체를 진공 중에서 열처리를 하였다. 1000 oC에서 진공 중에 열처리 하였을 경우, Mn-O 결합거리는 1.941 Å으로 1000 oC에서 공기 중에 열처리 하였을 경우보다 0.03 Å 감소하였고, Mn-O-Mn 결합각은 169.3 o로 13 o 증가하였다. 이와 같은 변수들의 변화는 결과적으로 단위포의 부피를 감소시키는 결과를 나타내었으며 최종적으로는, 최대 자기엔트로피 변화가 1.6 J/kg•K에서 3.2 J/kg•K 증가하였다. 또한, 최대 자기엔트로피 변화를 나타내는 온도는 242 K에서 262 K으로 증가하였다. 이와 같은 결과로부터 결정구조적인 찌그러짐이 자기구조 전이온도 및 최대 자기엔트로피 변화에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결정구조적인 찌그러짐을 더 크게 유도할 수 있도록 음의 lattice mismatch를 보이는 epitaxial 박막을 제조하였다. Epitaxial La0.7Ca0.3MnO3 박막을 제조하기 위하여 LaAlO3(LAO) 기판을 사용하였으며, 방향성이 다른 LAO(001), LAO(110) 단결정 기판을 사용하여 epitaxial 박막을 제조하였다. XRD 패턴으로부터 분석된 격자상수는 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 a0 = 3.873 Å, La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 a0 = 3.925 Å로 계산되었고, 각 기판과의 lattice mismatch는 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 -2.18 %, La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 -3.56 %로 각각 계산되었다. Epitaxial La0.7Ca0.3MnO3 박막의 최대 자기엔트로피 변화 |∆S_M |은 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 280 K에서 1.5 J/kg•K로 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 275 K에서 2.5 J/kg•K로 계산되었다. 기판과의 lattice mismatch가 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 -2.18 %이고, La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 -3.56 %이므로 이와 같은 lattice mismatch가 자기구조 전이 온도부근에서 동반되는 결정구조적인 찌그러짐을 더욱 크게 유도하여 결합상수 η의 증가를 나타내었고, 이와 같은 현상이 자기엔트로피의 변화를 크게 이끌어내는 것으로 해석할 수 있다. 반면 단위포의 부피는 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 58.095 Å3, La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 60.467 Å3으로 단위포의 부피증가가 약 5K의 전이온도감소를 나타내었으며 이것은 Rodbell 모델에 부합되는 내용으로 해석할 수 있다.
P-type 태양전지 흡수체 소재로 응용이 가능한 Cu2FeSnS4를 결정성을 다르게 하기 위하여 반응온도를 다르게 하여 High-temperature arrested precipitation법을 이용하여 nano분말을 제조하였다. 반응온도가 230 oC에서 330 oC로 증가할수록 입자의 크기는 10 nm에서 98 nm로 증가하였고, 균일한 모양에서 다각형의 모양으로 변화하는 것을 확인할 수 있었다. Optical absorption spectra 측정결과 230 oC, 280 oC, 330 oC에서 제조된 샘플의 band gap은 각각 1.7 eV, 1.6 eV, 1.3 eV로 계산되었다. 한편, 뫼스바우어 스펙트럼 측정결과 Fe이온의 전하상태가 Fe2+와 Fe3+가 공존하고 있다는 것을 확인할 수 있었고, Fe2+:Fe3+의 비율은 230 oC에서 반응시킨 시료의 경우 4:6, 280 oC에서 반응시킨 시료의 경우 6:4, 330 oC에서 반응시킨 시료의 경우 7:3으로 계산되었다. 이와 같은 결과는 반응온도에 따라 Cu+Fe layer의 부분적인 disorder에 의해 2a 와 4d 부격자를 점유하는 이온들이 다른 양이온 분포를 이룸으로써 나타나는 현상으로 해석되며, 이와 같은 다른 Fe2+:Fe3+의 비율은 자기구조에 영향을 미치며 Fe2+이온은 반강자성 상호작용을, Fe3+이온은 강자성 상호작용을 하는 것으로 분석되어 결과적으로 Fe3+이온은 Cu+Fe layer의 부분적인 disorder에 의해 생성되는 것을 증명하였다.
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에너지 변환소재의 자기적 특성에 대한 연구
국민대학교 대학원
물 리 학 과
박 일 진
초거대자기저항 물질로 알려진 La-manganite는 상대적으로 약한 외부 자기장으로 높은 자기열량효과를 나타내는 물질이다. 이에 본 연구에서는 sol-gel법을 이용하여 분말 및 박막 시료를 제조하여 자기열량효과와 그 변화를 이끌어 낼 수 있는 변수에 대하여 연구하였다. 시료들의 변화를 조절하기 위하여 열처리 온도, 열처리 분위기 및 lattice mismatch의 변화를 주어 자기열량효과와 자기구조 전이 온도를 조절하고 변수들의 원인에 대하여 연구하고 최종적으로 새로운 자기냉동소재를 제안하고자 하였다. 또한 P-type 태양전지 흡수체 소재로 응용이 가능한 Cu2FeSnS4 물질을 High-temperature arrested precipitation법을 이용하여 nano분말을 합성하였다. 현재까지 이론적인 분석과 여전히 논란이 되고 있는 stannite-kesterite의 구조적인 특성으로 인한 disorder에 의한 현상을 규명하고자 하였다. 특히 disordered된 이온의 분포를 뫼스바우어 스펙트럼의 분석으로부터 정량적으로 규명하고자 하였으며 자기구조 분석으로부터 disorder에 대한 증거를 제시하고자 하였다.
La0.7Ca0.357Fe0.01Mn0.99O3 시료들은 X-선 회절 실험 결과로부터 Pnma의 공간군을 갖는 orthorhombic 구조로 분석되었다. 열처리 온도가 1000 oC, 1200 oC, 1400 oC로 증가함에 따라 격자상수 a0, b0, 단위포의 부피가 증가하는 것으로 분석되었다. 이와 함께 LCMO에서 자기거동에 영향을 미치는 Mn-O의 결합거리는 열처리 온도가 증가함에 따라 1.971 Å, 1.951 Å, 1.943 Å로 감소하였고, Mn-O-Mn의 결합각은 156.4 o, 164.3 o, 168.1 o로 증가하였다. 이러한 변화와 함께 자기구조 전이온도는 265 K, 255 K, 245 K으로 감소하고 최대 자기엔트로피 변화는 242 K에서 1.6 J/kg•K, 3.6 J/kg•K, 5.5 J/kg•K으로 증가하였다. 이와 함께 뫼스바우어 스펙트럼의 분석결과 열처리 온도가 증가할 수록 자기 이방성 상수의 값은 5.38 × 103 erg/cm3, 3.05 × 103 erg/cm3, 2.69 × 103 erg/cm3로 계산되었다. 이러한 결과로부터 열처리 온도는 Mn-O의 결합거리, 및 Mn-O-Mn의 결합각, 자기 이방성 상수에 영향을 미치며 이와 같은 변수들은 최대 자기엔트로피 변화에 큰 영향을 미치는 것으로 분석되었다.
Mn-O의 결합거리, 및 Mn-O-Mn의 결합각, 자기 이방성 상수에 더 큰 변화를 유발시키기 위하여 sol-gel법으로부터 얻어진 전구체를 진공 중에서 열처리를 하였다. 1000 oC에서 진공 중에 열처리 하였을 경우, Mn-O 결합거리는 1.941 Å으로 1000 oC에서 공기 중에 열처리 하였을 경우보다 0.03 Å 감소하였고, Mn-O-Mn 결합각은 169.3 o로 13 o 증가하였다. 이와 같은 변수들의 변화는 결과적으로 단위포의 부피를 감소시키는 결과를 나타내었으며 최종적으로는, 최대 자기엔트로피 변화가 1.6 J/kg•K에서 3.2 J/kg•K 증가하였다. 또한, 최대 자기엔트로피 변화를 나타내는 온도는 242 K에서 262 K으로 증가하였다. 이와 같은 결과로부터 결정구조적인 찌그러짐이 자기구조 전이온도 및 최대 자기엔트로피 변화에 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
이러한 결정구조적인 찌그러짐을 더 크게 유도할 수 있도록 음의 lattice mismatch를 보이는 epitaxial 박막을 제조하였다. Epitaxial La0.7Ca0.3MnO3 박막을 제조하기 위하여 LaAlO3(LAO) 기판을 사용하였으며, 방향성이 다른 LAO(001), LAO(110) 단결정 기판을 사용하여 epitaxial 박막을 제조하였다. XRD 패턴으로부터 분석된 격자상수는 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 a0 = 3.873 Å, La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 a0 = 3.925 Å로 계산되었고, 각 기판과의 lattice mismatch는 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 -2.18 %, La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 -3.56 %로 각각 계산되었다. Epitaxial La0.7Ca0.3MnO3 박막의 최대 자기엔트로피 변화 |∆S_M |은 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 280 K에서 1.5 J/kg•K로 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 275 K에서 2.5 J/kg•K로 계산되었다. 기판과의 lattice mismatch가 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 -2.18 %이고, La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 -3.56 %이므로 이와 같은 lattice mismatch가 자기구조 전이 온도부근에서 동반되는 결정구조적인 찌그러짐을 더욱 크게 유도하여 결합상수 η의 증가를 나타내었고, 이와 같은 현상이 자기엔트로피의 변화를 크게 이끌어내는 것으로 해석할 수 있다. 반면 단위포의 부피는 La0.7Ca0.3MnO3/LAO(001)는 58.095 Å3, La0.7Ca0.3MnO3/LAO(110)는 60.467 Å3으로 단위포의 부피증가가 약 5K의 전이온도감소를 나타내었으며 이것은 Rodbell 모델에 부합되는 내용으로 해석할 수 있다.
P-type 태양전지 흡수체 소재로 응용이 가능한 Cu2FeSnS4를 결정성을 다르게 하기 위하여 반응온도를 다르게 하여 High-temperature arrested precipitation법을 이용하여 nano분말을 제조하였다. 반응온도가 230 oC에서 330 oC로 증가할수록 입자의 크기는 10 nm에서 98 nm로 증가하였고, 균일한 모양에서 다각형의 모양으로 변화하는 것을 확인할 수 있었다. Optical absorption spectra 측정결과 230 oC, 280 oC, 330 oC에서 제조된 샘플의 band gap은 각각 1.7 eV, 1.6 eV, 1.3 eV로 계산되었다. 한편, 뫼스바우어 스펙트럼 측정결과 Fe이온의 전하상태가 Fe2+와 Fe3+가 공존하고 있다는 것을 확인할 수 있었고, Fe2+:Fe3+의 비율은 230 oC에서 반응시킨 시료의 경우 4:6, 280 oC에서 반응시킨 시료의 경우 6:4, 330 oC에서 반응시킨 시료의 경우 7:3으로 계산되었다. 이와 같은 결과는 반응온도에 따라 Cu+Fe layer의 부분적인 disorder에 의해 2a 와 4d 부격자를 점유하는 이온들이 다른 양이온 분포를 이룸으로써 나타나는 현상으로 해석되며, 이와 같은 다른 Fe2+:Fe3+의 비율은 자기구조에 영향을 미치며 Fe2+이온은 반강자성 상호작용을, Fe3+이온은 강자성 상호작용을 하는 것으로 분석되어 결과적으로 Fe3+이온은 Cu+Fe layer의 부분적인 disorder에 의해 생성되는 것을 증명하였다.
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