물리학자들이 두 가지 수수께끼를 풀다

2023년 1월 26일

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마틴 루터 대학교 할레-비텐베르크

2차원 산화티타늄의 구조는 바륨을 첨가하면 고온에서 분해됩니다. 정육각형 대신 4개, 7개, 10개의 원자로 구성된 고리가 비주기적으로 생성됩니다.

MLU(Martin Luther University Halle-Wittenberg) 팀은 막스 플랑크 미세 구조 물리학 연구소(MPI), 그르노블 알프스 대학교 및 국립 표준 기술 연구소(미국 게이더스버그)의 연구원들과 협력하여 이 발견을 수행했습니다. 금속 산화물로부터 2차원 준결정 형성의 수수께끼를 푸는 것입니다. 그들의 연구 결과는 Nature Communications에 게재되었습니다.

육각형은 자연에서 자주 발견됩니다. 가장 잘 알려진 예는 벌집구조이지만, 그래핀이나 산화티타늄 등 다양한 금속산화물도 이 구조를 형성한다. MLU 물리학 연구소의 표면 및 인터페이스 물리학 그룹 연구원인 Stefan Förster 박사는 "육각형은 주기적인 배열을 위한 이상적인 패턴입니다."라고 설명합니다. "그들은 빈틈이 없을 정도로 완벽하게 들어맞습니다."

2013년에 이 그룹은 백금 기판 위에 산화티타늄과 바륨을 포함하는 초박막을 증착하고 초고진공에서 약 섭씨 1,000도까지 가열하면서 놀라운 발견을 했습니다. 원자는 삼각형, 정사각형, 마름모꼴로 배열되어 12개의 모서리를 가진 훨씬 더 큰 대칭 모양으로 그룹화됩니다. 예상되는 6겹 주기 대신 12겹 회전 대칭 구조가 생성되었습니다.

Förster에 따르면, "비주기적 구조를 갖는 준결정이 생성되었습니다. 이 구조는 관찰자가 식별하기 어렵더라도 이러한 정렬 뒤에 있는 체계적 구조는 고도로 정렬된 기본 원자 클러스터로 구성됩니다." Halle의 물리학자들은 금속 산화물에서 2차원 준결정의 형성을 세계 최초로 입증했습니다.

그러한 준결정 형성의 기본 메커니즘은 발견 이후 여전히 수수께끼로 남아 있습니다. MLU의 물리학자들은 막스 플랑크 미세구조 물리학 할레 연구소, 그르노블 알프스 대학교, 국립 표준 기술 연구소(미국 게이더스버그)의 연구원들과 협력하여 이 수수께끼를 풀었습니다.

정교한 실험, 에너지 계산 및 고해상도 현미경을 사용하여 그들은 고온과 바륨의 존재가 각각 4개, 7개 및 10개의 원자로 구성된 티타늄과 산소 고리의 네트워크를 생성한다는 것을 보여주었습니다. 공동 프로젝트를 이끌고 있는 Förster는 "바륨은 원자 고리를 분해하고 안정화시킵니다."라고 설명합니다.

"7개의 고리에는 하나의 바륨 원자가 박혀 있고, 10개의 고리에는 두 개의 원자가 박혀 있습니다." 이는 바륨 원자가 백금 지지체와 정전기적으로 상호작용하지만 티타늄이나 산소 원자와 화학적 결합을 형성하지 않기 때문에 가능합니다.

최근 발견을 통해 연구자들은 물리학의 근본적인 질문을 명확히 하는 것 이상의 성과를 거두었습니다. "이제 우리는 원자 수준에서 형성 메커니즘을 더 잘 이해하게 되었기 때문에 금속 산화물이나 그래핀과 같은 다른 응용 관련 재료에서 필요에 따라 이러한 2차원 준결정을 제조할 수 있습니다."라고 Förster는 말합니다. "우리는 이 특별한 배열이 완전히 새롭고 유용한 특성을 만들어낼 수 있을지 알아보고 싶습니다."

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