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  • 초경 물질 다이아몬드 및 질화 붕소 접합 계면의 원자 구조 특정등록일 : 2015/02/23
  • 일본 토호쿠대학 원자분자 재료과학 고등연구기구(AIMR)의 연구그룹은 물질재료 연구기구(NIMS)의 연구팀 및 파인세라믹 센터(JFCC)와 공동으로 첨단의 초고분해능 주사 투과 전자 현미경과 제1원리 계산 수법을 구사하여, 가장 단단한 물질로 알려진 다이아몬드와 다이아몬드 다음으로 단단한 입방정 질화 붕소와의 접합 계면의 원자 구조, 결합 메커니즘을 원자 수준에서 결정하는데 최초로 성공했다.

    본 연구 그룹은 크리스털 격자 결함인 전위 및 입계 계면을 대상으로 그 원자 구조 해석 및 격자 결함을 제어하는​​ 새로운 기능 재료의 개발을 시도해 왔다. 최근 원자 분해능 주사 투과 전자 현미경법의 기술 혁신과 제1원리에 의한 대규모 이론 계산을 병용하여, 다이아몬드와 질화 붕소의 접합 계면에서는 탄소와 붕소가 결합되어 있으며, 전위로 불리는 결함이 특징적인 구조를 취하고 있음을 확인했다.

    향후, 본 연구를 기점으로 이러한 결함 구조의 형성을 제어하기 위한 장치 재료의 특성 향상이나 격자 결함 구조를 활용한 새로운 장치의 설계, 신기능 재료의 연구 개발로 이어질 것으로 기대된다. 이번 성과는 2015년 2월 17일(영국 시간)에 영국 과학 잡지 "Nature Communications" 온라인 판에 공개되었다.

    입방정 질화 붕소(c-BN)는 질소 원자 N과 붕소 원자 B 사이에 배위 결합이 형성된 탄소 C만으로 이루어진 다이아몬드와 동등한 수준의 공유 결합성과 경도를 가지며, 다이아몬드와 같이 정사면체 구조 (다이아몬드 구조)를 취한다. 그러나, 평균 원자 간격(격자 상수)이 두 물질에서 1.4% 정도 서로 다르며, 모두 공유 결합성이 큰 물질이기 때문에 그 접합은 매우 어려울 것으로 예측되고 있었다. 만약 접합이 된다해도, c-BN/다이아몬드 경계면에는 불일치가 발생하기 때문에 이 불일치를 완화하기 위해서는 전위 등 주기적인 결함 구조의 도입이 필요하다. 그러나, 금속과는 달리 모두 견고한 공유 결합 물질이기 때문에 원자의 완화가 필요한 전위의 도입도 어려울 것으로 판단되었다. 이러한 이종 물질 경계는 다양한 전자, 광학, 자성 장치 등에 널리 이용되고 있으며, 학술적으로도 공학적으로도 흥미로운 여러 현상이 보고 되고 있다. c-BN과 다이아몬드도 견고한 공유 결합을 가지며, 금속과는 달리 대부분 변형할 수 없는 물질끼리 경계면에서 어떤 원자 구조를 취하면서 결합하는지에 대해서는 지금까지 알려지지 않았다.이러한 배경 하에서 본 연구에서는 초고 경도 물질인 c-BN / 다이아몬드 경계면의 원자 수준의 구조 특정과 그 물리적 특성을 밝히는 데 처음으로 성공했다.

    연구그룹은 파인 세라믹스 센터(JFCC)와 공동으로 c-BN / 다이아몬드 경계면의 원자 수준의 구조 분석과 물성의 해석을 시도했다.본 연구에서는 먼저 밀도범 함수법에 근거한 제1원리 계산에 의해 에너지적으로 안정한 c-BN / 다이아몬드 경계면의 원자 구조를 탐구하고, 질소 - 탄소 (NC) 결합보다 붕소 - 탄소 (BC ) 결합이 결합 에너지가 낮은 구조임을 시사했다. c-BN / 다이아몬드 경계면은 다이아몬드를 토대에 고온 고압 하에서 c-BN의 단결정 성장 (온도 구배법에 의한 이종 에피택셜 성장)으로 NIMS의 독자적인 방법으로 제작했다. 얻어진 샘플의 계면을 초고분해능 주사 투과 전자 현미경법에 의해 관찰하고, 이론적으로 예측된 대로 그림 1과 같은 다이아몬드 탄소 원자와 c-BN 붕소 원자가 결합하고 있는 모습이 관찰되었다.

    또한, 금속의 계면은 보통 전위끼리 결합되어 복잡한 교대망을 형성하고 있지만, 본 연구에서는 제1원리 계산에 의해 육각형 전위 루프가 독립적으로 존재하는 것이 에너지적으로 안정하다고 제안되었다. 그래서, 전자 현미경으로 자세히 관찰한 결과, 그림 2와 같은 육각형 구조가 관찰되었으며, 이론적으로 예측된 전위 루프의 분리가 실험적으로도 나타났다.

    향후, 본 연구를 기점으로 공유 결합 물질끼리의 접합을 이용한 새로운 기능 재료의 연구 개발로 이어질 것으로 기대된다.

    [논문정보]
    1) 논문명 : "Misfit accommodation mechanism at the heterointerface between diamond and cubic boron nitride"
    2) 저자명 : Chunlin Chen, Zhongchang Wang, Takeharu Kato, Naoya Shibata, Takashi Taniguchi and Yuichi Ikuhara
    3) 저널명 : Nature Communications 인터넷 판 2015 년 2 월 17 일 (영국 시간)
    4) DOI : 10.1038 / ncomms
    5) http://www.nature.com/naturecommunications

  • 키워드 : 다이아몬드, 질화 붕소, 계면
  • 출처 : KISTI 미리안 글로벌동향브리핑