흑연 층간 물질 문서 원본 보기

{{위키데이터 속성 추적}}
[[파일:Potassium-graphite-xtal-3D-SF-A.png|섬네일|칼륨 흑연. 흑연층 사이에 칼륨을 끼워 넣은 구조(옆모습)]]
[[파일:Potassium-graphite-xtal-3D-SF-B.png|섬네일|칼륨 흑연. 흑연층 사이에 칼륨을 끼워 넣은 구조 (윗모습)]]

'''흑연 층간 물질'''(黑鉛層間物質, {{llang|en|Graphite intercalation compound}})은 [[흑연]] 사이에 다른 물질을 끼워넣은 [[화합물]]이다<ref>전반적인 개괄 ''Intercalation compounds of graphite,'' M.S. Dresselhaus and G. Dresselhaus, Advances in Physics, Vol. 30, pp. 139-326, '''1981''', also reprinted as Advances in Physics, Vol. 51, pp. 1-186, '''2002'''.</ref><ref>''Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds'' Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton, Eberhard Stumpp Pure & Appl. Chem., Vol. 66, No. 9, pp. 1893-1901, '''1994''' [http://www.iupac.org/publications/pac/1994/pdf/6609x1893.pdf Article]</ref>. 흑연의 각 층은 서로 상호 작용을 하는 상태로 유지하고 있으며, 그 사이에 [[분자]]나 [[원자]]가 끼워 들어간 형태이다. 보통 [[금속]] 원자를 끼워 넣은 물질이 많이 존재하며, 금속과 흑연이 결합을 할 때, 금속의 [[자유 전자]]가 흑연 층으로 이동하여 보통 평면상의 [[전기 전도도]]가 증가한다. 만약 플루오르화물이나 [[산화물]]이 끼워 들어가서 [[흑연]]과 [[공유 결합]]을 하게 되면 전기 전도도는 감소하게 된다.

{{언제|날짜=2021-09-25|1=최근}} [[칼슘]](Ca)이 들어간 '''흑연 층간 물질'''에서 고온 초전도성이 나타나 주목받고 있으며, 전자-포논 상호작용(electron-phonon interaction)이 그 주된 원인이 될 것이라고 예상하고 있다.

== 역사 ==
흑연 층간 물질은 1861년 P. Schaffautl<ref>P.Schaffautl, J.Prakt. Chem. Vol.21, pp.155 '''1861'''</ref>에 의해서 처음 합성되었으나 1930년대가 돼서야 체계적인 연구가 진행되었다. 다양한 [[분자]]나 [[원자]]를 흑연 층 사이에 끼워 넣을 수 있으며, 이 물질에 따라 전기 전도성이 결정된다. 금속을 넣은 경우에는 금속의 [[자유 전자]]가 흑연으로 이동하여 흑연 층 내부에서 움직일 수 있는 자유 전자의 개수가 늘어나며, 따라서 물질의 평면 방향 전기 전도도가 증가하게 된다. 플루오르화물이나 [[산화물]]을 넣은 경우에는 흑연의 [[전자]]가 [[플루오린]]이나 [[산소]] 쪽으로 끌려가면서 흑연을 이루는 [[탄소]]의 sp²결합이 약해지고, 결국 전기 전도도도 감소하게 된다.

1965년 처음으로 [[알칼리 금속]]([[칼륨]](K), [[루비듐]](Rb), [[세슘]](Cs))을 넣은 흑연 층간 물질에서 [[초전도 현상]]이 나타났으며, 이 [[화합물]]의 [[화학식]]은 C<sub>8</sub>A(A=K,Rb,Cs)이고, 초전도성 임계 온도는 모두 1K 이하로 매우 낮았다.<ref>''Superconductivity in Graphitic Compounds'', N.B.Hanny ''et al''., Physical Review Letters. Vol.14, pp.225 '''1965''' [http://prola.aps.org/abstract/PRL/v14/i7/p225_1 abstract]{{깨진 링크|url=http://prola.aps.org/abstract/PRL/v14/i7/p225_1 }}</ref> 이 후, 큰 압력을 가해서 좀 더 금속의 농도를 증가시킨 물질(C<sub>6</sub>K, C<sub>8</sub>K, C<sub>4</sub>Na, C<sub>2</sub>Na)들을 합성하였고, C<sub>2</sub>Na의 경우 임계 온도가 5K으로 가장 크게 나타났다.<ref>I.T.Belash ''et al''., Synth. Met. Vol.32, pp.47 '''1990'''; Vol.34, pp.455 '''1990'''</ref>

흑연 층간 물질에서의 초전도 현상이 더 주목받은 이유는 순수한 [[흑연]]에서는 초전도 현상이 전혀 나타나지 않기 때문이다. 또한 2001년에 발표된 [[이붕화 마그네슘]](MgB<sub>2</sub>)의 초전도 현상과 비슷한 측면이 있기 때문에 더욱 주목받을 수 있었다.<ref>''Superconductivity at 39 K in magnesium diboride'', J.Nagamatsu et al., Nature (London) Vol.410, pp.63 '''2001''' [http://www.nature.com/nature/journal/v410/n6824/abs/410063a0.html abstract]</ref>

2005년 10월 영국의 [[런던 대학교]](University College London)와 [[케임브리지 대학교]](University of Cambridge) 등의 연구소에서 [[이터븀]](ytterbium)과 [[칼슘]](Ca)을 층간 물질로 끼워 넣은 구조에서 각각 초전도성 임계 온도가 6.5K과 11.5K에서 초전도 현상이 나타나는 것을 발견하였고, Nature Physics지에 발표하였다.<ref>''superconductivity in the intercalated graphite compounds C<sub>6</sub>Yb and C<sub>6</sub>Ca,'' Thomas E. Weller ''at al.'', Nature physics, Vol. 1, pp.39-41, '''2005''' [http://www.nature.com/nphys/journal/v1/n1/abs/nphys0010.html abstract]</ref> 많은 사람들이 같은 구조에서도 임계 온도가 다양하게 나타나는 것에 관심을 가졌으며, [[칼슘]](Ca)의 경우 특히 더 높은 임계 온도가 나타나는 원인을 집중적으로 연구하기 시작했다.

이후 이에 관련된 많은 논문이 쏟아져 나왔고, 전반적인 결론은 전자-포논 상호작용(electron-phonon interaction)이 칼슘(Ca)의 경우 굉장히 강하게 나타나서 임계 온도가 높게 나타나는 것으로 생각하고 있다.

== 초전도성 ==
=== 전기적, 자기적 특징 ===
[[온도]] 변화에 따른 [[전기 저항]]과 [[자기 모멘트]]를 측정하면, [[초전도 현상]]을 확인할 수 있다. 칼슘(Ca)-흑연 층간 물질은 온도가 감소하면 전기 저항이 점점 감소하다가, 11K에서 갑자기 0.8(<math>\mu \Omega</math>cm)에서 0(<math>\mu \Omega</math>cm)으로 급격하게 떨어진다.<ref>''Specific Heat of the Ca-Intercalated Graphite Superconductor CaC<sub>6</sub>'', J.S.Kim ''et al''., Physical Review Letters, Vol.96, 217002 '''2006''' [http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRLTAO000096000021217002000001&idtype=cvips&gifs=yes abstract]{{깨진 링크|url=http://scitation.aip.org/getabs/servlet/GetabsServlet?prog=normal&id=PRLTAO000096000021217002000001&idtype=cvips&gifs=yes }}</ref> 이것은 모든 초전도체에서 공통으로 나타나는 현상으로, [[금속]]과 구분할 수 있는 기준이 된다. 보통 금속은 온도가 감소하면 [[전기 저항]]이 연속적으로 감소하고, 온도가 [[절대 영도]]가 되어도 약간의 전기 저항은 가지고 있다. 초전도체는 임계 온도 이상에서는 보통 금속과 같은 특징을 보이며, 임계 온도 이하에서만 전기 저항이 0로 떨어지는 초전도 현상을 보이는데, 칼슘(Ca)-흑연 층간 물질의 경우에는 11K을 초전도체 임계 온도라고 생각할 수 있고, 이 온도 이하에서는 초전도 현상을 보인다고 할 수 있다.

초전도체에서는 마이스너 효과(Meissner effect)가 나타나기 때문에 임계 온도 아래에서는 반자성을 띠게 된다. 즉, 물체 내의 자기 모멘트가 음수가 되어 외부에서 걸어준 [[자기장]]을 상쇄시키고, 결국 물체 내의 자기장은 0이 된다. 임계 온도 이상에서는 보통 금속과 동일하므로, 자기 모멘트가 0이고, 임계 온도 이하로 온도가 내려가면 갑자기 자기 모멘트가 음수로 바뀌면서 [[반자성]]을 띠게 된다.

=== 강한 전자-포논 상호작용(electron-phonon interaction) ===
[[BCS 이론]]은 처음으로 [[초전도 현상]]을 [[양자역학]]적으로 설명한 이론으로, 여기에서 제시한 [[전자]]와 [[포논]] 사이의 상호작용은 저온 초전도체의 초전도 현상을 굉장히 잘 설명한다. 칼슘(Ca)-흑연 층간 물질의 임계 온도는 11.5K으로 꽤 높기 때문에 [[BCS 이론]]으로 초전도 현상을 정확하게 설명할 수 없지만, 여기에서 조금 더 발전된 강한 전자-포논 상호작용(strong electron-phonon interaction)으로 대략적으로 설명할 수 있다.

강한 전자-포논 상호작용도 마찬가지로 [[페르미 준위]] 근처의 전자들이 포논과 [[에너지]]를 주고 받아서 서로의 운동에 영향을 주게 된다. 이때 우리는 이 상호작용의 상대적인 크기,<math>\lambda</math>,를 결정할 수 있고, 엘리아쉬 스펙트럴 함수(Eliashberg Spectral Function),<math>\alpha^2F(\omega)</math>, 에 의해서 정해진다.
:<math>\lambda(\omega) = 2\int^{\omega}_{-\infty} d\omega ' \alpha^2 F(\omega ')/\omega '</math>
이것은 전자의 에너지 밴드, 포논의 분산에 의해서 결정되며, 칼슘(Ca)-흑연 층간 물질의 경우에는 칼슘(Ca)의 평면 방향 포논과 [[탄소]](C)의 수직 방향 포논의 기여가 다른 방향에 비해서 굉장히 크고, 이 영향이 높은 임계 온도를 나타낼 것이라고 예상된다.

== 같이 보기 ==
* [[이붕화 마그네슘]]
== 참고 문헌 ==
<references/>

[[분류:응집물질물리학]]
[[분류:초분자화학]]
[[분류:재료과학]]
[[분류:무기 탄소 화합물]]