[논문]질소 열처리에 따른 <tex>$RuSr_2(EuCe)Cu_2O_z$</tex> 계의 구조 및 자기적 특성

이호근; 김용일; 김영철

질소 열처리에 따른 $RuSr_2(EuCe)Cu_2O_z$ 계의 구조 및 자기적 특성
Effect of Nitrogen Treatment on the Structure and Magnetic Properties of $RuSr_2(EuCe)Cu_2O_z$ Compound 원문보기

Progress in superconductivity, v.13 no.3, 2012년, pp.178 - 183

이호근 (Department of Physics, Kangwon National University) , 김용일 (Korea Research Institute of Standards and Science) , 김영철 (Department of Physics, Pusan National University)

Abstract ▼ AI-Helper

Two $RuSr_2(EuCe)Cu_2O_z$ samples (as prepared and after $N_2$ treatment) have been investigated by thermogravimetric (TC) analysis, high-resolution x-ray powder diffraction and magnetization measurements. TG measurements which were carried out in $H_2/Ar$ atmosphere showed that the $N_2$ treatment of the as-prepared sample at $650^{\circ}C$ for 2h leads to a decrease in the oxygen content z by about 0.25. This oxygen depletion was accompanied by an increase in the magnetic transition temperature from 54.0 K to 114.9 K. This magnetic behavior is discussed in connection with the results of Rietveld analysis of the x-ray diffraction data which showed that the $N_2$ treatment resulted in both a significant increase in the rotation angle of the $RuO_6$ octahedra and a decrease in c-lattice parameter of the sample.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 이들 시편들의 산소량 변화에 따른 시편의 국소구조변화의 차이에 대해서는 잘 알려져 있지 않다. 본 연구에서는 시편의 산소량 변화에 따른 자기적 특성변화와 구조적 특성변화를 규명하기 위해 RuSr₂(EuCe)Cu₂O_z 시편을 합성하고 N₂ 분위기 열처리 전후의 자기적 특성변화와 시편의 국소구조변화를 연구했다.

제안 방법

RuSr₂(EuCe)Cu₂Oz 시편을 고상 반응법으로 합성한 후 N₂ 분위기 열처리를 통해 산소량을 변화시켜 자기적 특성과 구조적 특성 변화를 연구했다. 열중량 분석 실험 결과는 650 ℃에서 2 h 동안 N₂ 분위기로 열처리 한 후 시편의 산소량 z 값이 약 0.
그러나 시편의 정확한 산소량의 분석은 보통의 열 중량법으로는 CeO₂가 완전히 환원되지 않기 때문에 어렵다 [9]. 본 연구에서는 시편의 상대적 산소량 변화를 정확히 측정하기 위해 꼭 같은 시편으로부터 절단한 두 시편을 준비한 후, 한 시편조각은 N₂ 분위기에서 2 h 동안 650 ℃에서 열처리한 후 상온으로 급냉하여 준비하고(N₂-treated), 다른 시편은, 처음 합성한 상태(as-prepared)로 준비하여 같은 조건으로 열중량법으로 산소량을 분석한 후 비교했다. 이 경우 CeO₂가 완전히 환원되지 않더라도 두 시편이 같은 량의 Ce를 포함하고 있다고 볼 수 있으므로 충분한 시간의 경과 후 열중량법에 의한 무게의 차이는 두 시편의 산소량 차이로 볼 수 있고 무게차이와 구성원소들의 원자량으로부터 산소량차이를 계산할 수 있다.
시편은 고상반응법으로 합성했으며 3N 이상의 고순도 RuO₂, SrCO₃, Eu₂O₃, CeO₂ 및 CuO 분말을 이용해 RuSr₂(EuCe)Cu₂O_z의 명목구성으로 혼합한 후 잘 갈고 먼저 공기 중에서 940 ℃, 20 h, 질소 분위기에서 1010 ℃ 15 h, 산소분위기에서 1070 ℃ 72 h 열처리했다. 1070 ℃ 열처리 후 상온으로 온도를 천천히 내리는 중 다시 400 ℃ 5h, 350 ℃ 12 h 열처리했다.
자기 감수율은 SQUID 장치를 이용하여, 20 Oe의 자기장으로 field-cooled (FC) 방법으로 측정했다. 열중량(TG)분석 실험은 TGA/DTA 장치(TA Inst. SDT-2960)를 이용하여 5 % H₂/95 % Ar분위기에서 상온에서 600 ℃로 분당 20 ℃로 온도를 올린 후 이 온도를 유지하며 수행되었다.

대상 데이터

구조분석은 RuSr₂(Gd_1.3Ce_0.7)Cu₂O₁₀ 시편의 분석결과 [11]를 기본 모델로 삼아 진행되었다. 구조분석과정에서 Ru 자리 Cu의 치환, Sr 자리 Eu의 치환 등을 검토했으며 이들 원소들의 치환은 오차범위 내로 적거나, 열(진동)변수(B)가 음이 되어, 치환이 거의 되지 않는 것으로 분석되었다.
본 연구는 한국학술진흥재단의 지원(KRF- 2007-C00204)으로 수행되었다. 본 연구의 수행 중 배수민 군이 일부 실험에 도움을 주었으며, TG 실험 및 x-선 회절 실험은 각각 강원대학교 공동실험실습관의 장치와 한국표준과학연구원의 고분해 X-선 장치가 이용되었다. 또한 SQUID 측정은 부산대학교 및 한국기초과학지원연구원에서 수행되었다.

이론/모형

이 결과는 고온 열처리 후 급냉하거나 환원 분위기 열처리로 산소량을 감소시키면 자기전이온도가 증가한다는 보고 [6, 7]와 일치함을 보여준다. N₂ 열처리에 따른 상기의 자기 전이 특성변화와 국소구조변화와의 상관관계를 조사하기 위해 N₂ 열처리 전 후 시편의 x-선 회절 데이터를 Rietveld 법으로 분석했다.
시편의 구조는 고분해 X-선 회절 장치(Rigaku, Dmax 2200)를 이용하여 얻은 회절 데이터를 이용하여 Rietveld 법으로 분석 했으며, 이 때 RIETAN-2000 프로그램을 이용했다 [8].자기 감수율은 SQUID 장치를 이용하여, 20 Oe의 자기장으로 field-cooled (FC) 방법으로 측정했다.
시편의 구조는 고분해 X-선 회절 장치(Rigaku, Dmax 2200)를 이용하여 얻은 회절 데이터를 이용하여 Rietveld 법으로 분석 했으며, 이 때 RIETAN-2000 프로그램을 이용했다 [8].자기 감수율은 SQUID 장치를 이용하여, 20 Oe의 자기장으로 field-cooled (FC) 방법으로 측정했다. 열중량(TG)분석 실험은 TGA/DTA 장치(TA Inst.

성능/효과

X-선 회절데이터를 Rietveld 법으로 분석한 결과는 N₂ 분위기 열처리 후 c 축 격자상수의 감소와 RuO₆팔면체의 회전 각도가 증가됨을 보였다. N₂ 분위기로 열처리 후 관측되는 약한 강자성 질서도의 증가는 RuO₆ 팔면체의 회전 각도 변화에만 기인하는 것으로는 설명하기 어려우나 격자상수 c 축의 변화와 산소 결함과는 밀접하게 연관되는 것으로 논의되었다. 본 연구의 결과는 Ru-1222 계의 초전도성을 이해하는 것과 밀접히 연관되며, 향 후 원소 치환 연구를 통해 Ru-1222 계의 자기적 특성 변화가 초전도 특성에 미치는 효과를 이해하는데 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
2는 N₂ 열처리 전 후 두 시편의 FC로 측정된 자기 감소율의 변화를 보여 준다. N₂ 열처리 후 자기감수율의 크기는 상대적으로 감소하나 자기전이온도는 증가하는 것을 보여주며, 저온에서 자기감수율이 포화되는 강자성 특성을 보여준다. 그러나 자기감소율의 크기는 보통의 산화물 초전도체에서 관측되는 반자성 자기감소율의 크기와 비슷한 정도로서 약한 강자성 특성을 나타냄을 알 수 있다.
X-선 회절데이터를 Rietveld 법으로 분석한 결과는 N2 분위기 열처리 후 c 축 격자상수의 감소와 RuO6 팔면체의 회전 각도가 증가됨을 보였다.
7)Cu₂O₁₀ 시편의 분석결과 [11]를 기본 모델로 삼아 진행되었다. 구조분석과정에서 Ru 자리 Cu의 치환, Sr 자리 Eu의 치환 등을 검토했으며 이들 원소들의 치환은 오차범위 내로 적거나, 열(진동)변수(B)가 음이 되어, 치환이 거의 되지 않는 것으로 분석되었다. 분석 과정에서 O(1) 산소의 이상적 위치인 (0,1/2,0)에서 (x,1/2,0)로의 이동은 R 인자(신뢰도 인자)의 향상을 보였으나 O(2) 원자는 이상적 위치 (0,0,z) 에 오차범위 내로 존재하는 것으로 분석되었으며, Table 1에 분석 결과가 요약되어 있다.
본 연구의 결과는 시편을 N2 분위기에서 열처리 할 경우 Table 1에 나타나 있는 바와 같이 RuO6 팔면체의 회전각이 16.9(6)°에서 27.9(6)°로 크게 증가됨을 보여준다.
구조분석과정에서 Ru 자리 Cu의 치환, Sr 자리 Eu의 치환 등을 검토했으며 이들 원소들의 치환은 오차범위 내로 적거나, 열(진동)변수(B)가 음이 되어, 치환이 거의 되지 않는 것으로 분석되었다. 분석 과정에서 O(1) 산소의 이상적 위치인 (0,1/2,0)에서 (x,1/2,0)로의 이동은 R 인자(신뢰도 인자)의 향상을 보였으나 O(2) 원자는 이상적 위치 (0,0,z) 에 오차범위 내로 존재하는 것으로 분석되었으며, Table 1에 분석 결과가 요약되어 있다. Fig.
1의 결과는 600 ℃ 열처리 후 15 분 경과 후 약 8 %의 무게 감소가 생기며 무게 감소의 크기가 포화되는 경향을 보여준다. 약 150 분 후 포화되는 상태에서 두 시편 간의 무게감소의 차이(0.472 %)는 두 시편의 간의 산소량 차이로 볼 수 있으며, 계산 결과는 N₂ 분위기 열처리 후 산소량 z 값이 0.25 만큼 감소한 것으로 분석되었다.
분위기 열처리를 통해 산소량을 변화시켜 자기적 특성과 구조적 특성 변화를 연구했다. 열중량 분석 실험 결과는 650 ℃에서 2 h 동안 N₂ 분위기로 열처리 한 후 시편의 산소량 z 값이 약 0.25 감소했음을 보여주었으며, 이 때 시편의 약한 강자성 전이 온도는 54.0 K에서 114.9 K로 증가됨을 관측했다. X-선 회절데이터를 Rietveld 법으로 분석한 결과는 N₂ 분위기 열처리 후 c 축 격자상수의 감소와 RuO₆팔면체의 회전 각도가 증가됨을 보였다.

후속연구

N₂ 분위기로 열처리 후 관측되는 약한 강자성 질서도의 증가는 RuO₆ 팔면체의 회전 각도 변화에만 기인하는 것으로는 설명하기 어려우나 격자상수 c 축의 변화와 산소 결함과는 밀접하게 연관되는 것으로 논의되었다. 본 연구의 결과는 Ru-1222 계의 초전도성을 이해하는 것과 밀접히 연관되며, 향 후 원소 치환 연구를 통해 Ru-1222 계의 자기적 특성 변화가 초전도 특성에 미치는 효과를 이해하는데 매우 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
c 축의 감소는 RuO₂ 층간의 거리를 좁혀 RuO₂ 층간의 상호작용을 증가시켜 강자성 전이온도를 증가시킬 수 있을 것이다. 이 상호작용과정에서 RuO₆ 팔면체의 회전 및 기울기, 희토류 원소의 종류 및 그 조성 그리고 산소의 결함 등이 중요 역할을 할 것으로 예상되며, 이들 변수와 자기적 특성간의 관계를 규명하기 위해서는 산소 결함과 희토류 원소 그리고 자기적 질서도에 대해보다 정밀한 정보를 제공할 수 있는 중성자 회절 데이터의 분석이 필요하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	RuSr2RCu2O8(Ru-1212)와 RuSr2(R2-xCex)Cu2O10 (Ru-1222) (R은 주로 Gd, Eu 또는 Sm임)계는 어떤 특성이 공존한다는 연구결과가 나왔는가?	RuSr2RCu2O8(Ru-1212)와 RuSr2(R2-xCex)Cu2O10 (Ru-1222) (R은 주로 Gd, Eu 또는 Sm임) 계는 초전도 특성과 자기적 특성이 공존한다는 연구결과 [1, 2]의 발표 후 많은 연구가 수행되어오고 있다. Ru-1212 계의 구조는 잘 알려져 있는 CuSr2RCuO7(Cu-1212) 계의 CuO 체인층이 RuO2층으로 대치된 구조이며, Ru-1222의 구조는 Ru- 1212 구조의 R 층이 (R, Ce)2O2 층으로 대치된 구조이다.
	Ru-1212계의 구조는 어떠한가?	RuSr2RCu2O8(Ru-1212)와 RuSr2(R2-xCex)Cu2O10 (Ru-1222) (R은 주로 Gd, Eu 또는 Sm임) 계는 초전도 특성과 자기적 특성이 공존한다는 연구결과 [1, 2]의 발표 후 많은 연구가 수행되어오고 있다. Ru-1212 계의 구조는 잘 알려져 있는 CuSr2RCuO7(Cu-1212) 계의 CuO 체인층이 RuO2층으로 대치된 구조이며, Ru-1222의 구조는 Ru- 1212 구조의 R 층이 (R, Ce)2O2 층으로 대치된 구조이다. 이들 계의 자기적인 특성과 초전도 특성은 각각 RuO2 및 CuO2에 기인하는 것으로 알려져 있으며, 자기전이온도(Tm)는 60 ∼ 180 K, 초전도 특성은 0.
	Ru-1222계의 자기적인 특성과 초전도 특성은 어디에 기인하는 것으로 알려져 있는가?	Ru-1212 계의 구조는 잘 알려져 있는 CuSr2RCuO7(Cu-1212) 계의 CuO 체인층이 RuO2층으로 대치된 구조이며, Ru-1222의 구조는 Ru- 1212 구조의 R 층이 (R, Ce)2O2 층으로 대치된 구조이다. 이들 계의 자기적인 특성과 초전도 특성은 각각 RuO2 및 CuO2에 기인하는 것으로 알려져 있으며, 자기전이온도(Tm)는 60 ∼ 180 K, 초전도 특성은 0.4 ≤ x ≤ 0.

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H. K. Lee and Y. I. Kim, unpublished.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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