초록 ▼

□ 연구개요
최근에 니켈 산화물에서 최초로 발견된 초전도 시스템인 무한-층상 니켈 산화물 박막에 대한 연구를 바탕으로 관련 연구의 획기적인 진전을 위해 필수적인 벌크 형태의 니켈 산화물 초전도체를 제작하는 것이 본 연구의 최종목표이었다.
니켈 산화물에서는 한 가지 조성에 대해 환원된 Nd_0.8Sr_0.2NiO₂ 박막에서 전기저항 측정을 통해 초전도가 발견 되었을 뿐 아직 거의 밝혀진 것이 없는 셈이었다. 그러나 구리 산화물 초전도체와 유사한 전자구조를 지닌 니켈 산

□ 연구개요
최근에 니켈 산화물에서 최초로 발견된 초전도 시스템인 무한-층상 니켈 산화물 박막에 대한 연구를 바탕으로 관련 연구의 획기적인 진전을 위해 필수적인 벌크 형태의 니켈 산화물 초전도체를 제작하는 것이 본 연구의 최종목표이었다.
니켈 산화물에서는 한 가지 조성에 대해 환원된 Nd_0.8Sr_0.2NiO₂ 박막에서 전기저항 측정을 통해 초전도가 발견 되었을 뿐 아직 거의 밝혀진 것이 없는 셈이었다. 그러나 구리 산화물 초전도체와 유사한 전자구조를 지닌 니켈 산화물에서 최초로 발견된 초전도 현상은 거대한 초전도체군을 찾아가는 새로운 단초를 만들어주기에 충분한 방향성을 제시해 주는 것으로 추정할 수 있었다. 따라서 니켈 산화물 초전도체 연구에서 중요한 연구 방향은 벌크 형태의 다결정이나 단결정 시료를 제작하여 발견된 초전도의 본질적인 물리적 성격을 규명하고 구리 산화물에서의 경험했던 다양한 후속 연구와 고온 초전도체로의 발견으로 이어졌던 것과 유사하게 광범 위한 니켈 산화물 초전도 시스템을 탐색하는 것이라 할 수 있다.

□ 연구 목표대비 연구결과
벌크 형태의 니켈 산화물 Nd_1-xSr_xNiO₂에서는 초전도가 본 연구의 개시 시점에 관측되지 않았다. 초전도가 발견된 니켈 산화물 박막 연구에 따르면 도핑되지 않은 구리 산화물의 d9 전자구조를 모방하려면 매우 특이한 원자가인 Ni1+가 필요하다. 이러한 산화 상태는 종래의 고온합성에 의해 도달하기 어렵지만, LaNiO₃의 저온 환원은 LaNiO₂를 형성하기 위한 토포 화학적(topochemical) 반응을 유도 할 수 있는 것으로 밝혀졌다. 그 결과 이 산소 디인터컬레이션(deintercalation)은 3차원 페로브스카이트 구조인 LaNiO₃에서 선택적으로 산소를 제거하여 LaNiO₂에서 니켈은 2 차원 NiO2 평면에서 정사각형 평면 산소 배위를 가지며, dx2-y2 궤도에 하나의 홀을 남기고 d9 전자구조로 인해 뚜렷한 궤도 편향성을 띈다. 즉, 구리 산화물 초전도체와 유사한 전자구조를 가지기 위해서는 Ni1+ 원자가에 홀도핑을 통해 일부 Ni2+ 원자가를 가진 시스템을 제작해야 한다.
LaNiO₂ 구조를 안정화하기 위해서는 기존에 시도되었던 방법은 LaNiO₃ 구조를 만든 후 CaH₂ 분말을 환원제로 사용한 저온 환원법을 이용하여 페로브스카이트의 기본 구조를 유지한 채로 선택적으로 산소를 제거하여 LaNiO₂ 구조를 만드는 것이다. 이 방법으로 만들어진 벌크 Nd_1-xSr_xNiO₂에서는 초전도가 관측되지 않았고 본 연구에서도 초전도 현상이 발현되지 않았다. 박막 연구에 의하면 기판의 변형력이 초전도 발현에 중요한 역할을 할 수 있으므로 다양한 이온 반경의 희토류를 시도하여 화학적인 압력에 변화를 줄 때 초전도가 발현 될 수 있을 것으로 예상했지만 역시 벌크 형태의 초전도는 어떤 그룹에서도 시현하지 못했다.
위의 방법 외에도 Ni2+의 La₂NiO₄ 구조에서 고온 환원법 (고온에서 H₂ 가스 분위기나 고온에 급냉 등)을 통해 La₂NiO_4-x 형태로 Ni2+와 Ni1+가 섞인 원자가(mixed valence)를 유도하거나 Ce4+의 화학적 도핑과 환원법을 이용할 수도 있을 것으로 예상되어 La₂NiO₄ 구조의 단결정의 표면을 환원하여 초전도 현상을 관측해 보았지만, 환원을 통해 전기저항은 증가하는 양상만 보였다. 이 이외에도 다른 층상 구조인 La₄Ni₃O₈ 구조 (명목상의 원자가가 Ni1.33+)에서도 화학적 도핑과 환원을 통해 초전도를 유도하는 방법도 시도해 보았으나 역시 벌크 형태의 초전도 현상은 발현되지 않았다.

□ 연구개발성과의 활용 계획 및 기대효과(연구개발결과의 중요성)
니켈 산화물에 대해서는 기존에도 많은 연구가 진행되었지만 초전도가 발견된 것은 박막 형태의 경우 뿐이다. 저온에서 화학적으로 환원된 박막에서 전기 저항 측정을 통해서만 관측된 초전도 현상이라 이 연구에 대한 여러 가지 의문점이 존재하고 기존 연구의 문제점 및 후속 연구를 통해 다루어야 할 이슈들을 위해서 제일 시급한 것은 제한적인 실험만 가능한 박막형태의 시료 보다는 벌크 형태의 니켈 산화물 초전도 시료를 제작하는 것이었다. 그래서 기존의 벌크 시료 제작에서 아직 시도 하지 못한 제작 방법들과 화학 조성의 변화, 다양한 유사 결정구조로의 제작 시도를 통해 초전도가 발현되는 제작 조건을 찾아보려는 노력이 있었지만 본 연구뿐 아니라 지난 3여 년 동안 세계 어떤 연구 그룹에서도 벌크 형태의 니켈 산화물 초전도체를 확인하지 못하였다. 그렇지만 본 연구를 통해 저온환원법이 큰 틀에서의 결정구조 변화없이 상당량의 산소 조성을 변화시킬 수 있는 탁월한 실험 방법임을 확인하여 이후 전이금속산화물 연구에서 새로운 길을 열어 줄 수도 있음을 확인하였다.

(출처 : 연구결과 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 연구결과 요약문 ... 2
• 목차 ... 3
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 4
• 가. 연구의 목적 ... 4
• 나. 연구의 필요성 ... 4
• 다. 연구의 범위 ... 5
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 6
• 가. 1차년도 연구 수행 과정 및 내용 ... 6
• 나. 2차년도 연구 수행 과정 및 내용 ... 7
• 다. 3차년도 연구 수행 과정 및 내용 ... 8
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 수준 ... 8
• 1) 정성적 연구개발성과(연구개발결과) ... 8
• 2) 세부 정량적 연구개발성과 ... 10
• 3) 목표 달성 수준 ... 10
• 4) 목표 미달 시 원인 분석 ... 10
• 4. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도(연구개발결과의 중요성) ... 11
• 5. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 11
• 6. 자체점검표 ... 11
• 7. 참고문헌 ... 12
• 끝페이지 ... 26