기초과학

중국과학자 규소·게르마늄구조 다양성과 냉간압연 상전이 연구성과

발행일 : 2013 / 05 / 03

Ⅳ족 원소인 탄소, 규소, 게르마늄은 구조다양성을 갖고 있지만 독특한 공유결합구조 때문에 많은 유사한 특성을 지니며, 공유결합 세기에 따라 압력을 받으면 서로 다른 구조 상전이를 일으킨다. 상온상압에서 탄소는 일반적으로 흑연형태로 존재하지만 독특한 층상구조 때문에 실온 냉간압축(15GPa이상)조건에서 흑연은 층간 슬라이드, 뒤틀림, 재건 등을 통해 고압형 다이아몬드 카본구조를 형성하지만, 압력을 제거하면 가역반응이 일어나면서 흑연카본의 층상구조로 회복된다【PRL 106, 075501 (2011)】.

다른 한편 더욱 흥미로운 것은 규소나 게르마늄은 상온상압에서 다이아몬드구조(Si-I 혹은 Ge-I)로 존재하지만 냉간압연 조건에서는 BCT(body-centred tetragonal) 초고밀도 백색주석구조(β-tin,Si-II 혹은 Ge-II)를 형성한다. 느린 감압과정에서 이런 구조의 상전이는 가역성을 나타내지 않는다. 즉 규소는 새로운 BCT 입방구조인 BC8구조를 형성하지만 게르마늄은 단순한 ST12구조를 형성한다. 이러한 현상은 50년전에 실험에 의해 발견되었으나 그 고압 상전이 메커니즘은 규명된 바 없다【Science 139, 762 (1963)】.

최근 중국과학원 물리연구소/북경응집물질물리 국가실험실(설립중)의 왕지엔타오(王建濤) 연구원과 미국 Nevada대학의 천창펑(陳長風) 교수 및 일본 동북대학 금속재료연구소의 Kawazoe 교수는 제1원리 계산을 통해 반응장애와 에너지(엔탈피) 2개 측면에서 내재적인 고압 상전이 메커니즘을 체계적으로 해석하였다.

연구결과, 복잡한 상전이과정에서 반응장애가 중요한 역할을 하는 것으로 밝혀졌다. 감압과정에서 규소(Si-Ⅱ상)는 이중 초결정 격자 내부의 Si-Si결합의 회전 재건(double cell local bond-rotation reconstruction)을 통해 하나의 새로운 BT8구조를 형성하며(그림1a 참조), 그 다음 압력이 감소되면서 R8구조를 형성하며, 최종적으로 압력이 2.5GPa이하로 낮아지면 BC8구조를 형성한다.

이러한 상전이 경로는 다이아몬드구조(Si-I)로 직접 회복되는 구조와 비교하였을 때 반응장애와 결정격자 변형이 적기 때문에 감압과정에서 BC8규소 구조를 형성한 다음 다이아몬드구조로 직접 회복되기 힘들다. 이러한 상전이 메커니즘은 게르마늄의 고속감압과정에서 마찬가지로 입증되었다. 하지만 느린 감압과정에서 에너지관계 때문에 게르마늄(Ge-Ⅱ상)은 하나의 3중 초결정격자 내부의 Ge-Ge결합 뒤틀림 재건(trinary cell local bond-twisting reconstruction)메커니즘을 통해 단순한 ST12구조를 형성하는 경향이 크다(그림1b 참조).

이런 결과는 Ⅳ족 원소의 실온 고압 상전이 및 그 고압상의 형성메커니즘을 더욱 상세하게 해석하였고 관련 재료제조와 물성연구를 연구하는데 중요한 과학적 의미를 지닌다. 관련 연구결과는 2013년 4월 15일에 출판된 미국 과학저널 물리학 리뷰 레터스 [Phys. Rev. Lett. 110, 165503 (2013)] 에 발표되었다.