A15 phase
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1. 개요
A15상은 화학식 A₃B를 갖는 금속간 화합물의 결정 구조 중 하나로, 고온 초전도 특성을 나타내는 물질을 포함하여 과학 기술 분야에서 중요하다. 1933년 크롬 실리사이드를 시작으로, 1953년 바나듐 실리사이드에서 초전도 현상이 발견되면서 A15 구조에 대한 연구가 활발히 진행되었다. 니오븀-저마늄(Nb₃Ge)은 구리 산화물 초전도체가 발견되기 전까지 가장 높은 임계 온도를 기록했다. A15 구조는 취성으로 인해 와이어 생산에 어려움이 있었지만, Nb3Sn은 고자장 응용 분야에 사용되며, NbTi보다 더 높은 임계 자기장과 임계 전류 밀도를 갖는다. A15 구조는 공간군 O³-Pm3n(223)에 속하며, 높은 초전도 전이 온도, 임계 자기장, 임계 전류 밀도를 나타낸다. 대표적인 A15 구조 화합물로는 Nb3Sn, V3Si, Nb3Ge 등이 있다.
A15 구조는 1931년 텅스텐의 전해 증착된 층을 조사하면서 처음 발견되었다.[2] 이후 오랫동안 β-텅스텐 구조가 텅스텐의 동소체인지, 아니면 산화물 구조인지에 대한 논쟁이 있었으나, 1950년대 이후 텅스텐의 진정한 동소체임을 보여주는 많은 논문이 발표되었다.[3][4][5][6][7][8]
A15 구조는 결정학적으로 독특한 특징을 갖는다. A15 상의 보로노이 다이어그램은 웨아르-펠란 구조라고도 하며, 클라스레이트 수화물에 자주 나타난다.
2. 역사
1933년에는 전형적인 A3B 조성을 가진 최초의 금속간 화합물인 크롬 실리사이드 Cr3Si가 발견되었다.[9] 1953년 바나듐 실리사이드 V3Si가 약 17 K에서 초전도 현상을 보이기 전까지는 이러한 화합물에 대한 연구에 큰 관심이 없었다.[10] 이후 여러 A3B 초전도체가 발견되었다.[11] 니오븀-저마늄은 1973년부터 1986년 구리 산화물 초전도체가 발견될 때까지 23.2K로 최고 온도의 기록을 보유했다.
A15 상의 보로노이 다이어그램의 완화된 형태는 동일한 부피의 영역으로 3차원 유클리드 공간을 분할하는 모든 가능한 경우 중에서 가장 적은 표면적을 갖는 것으로 보인다. 이 분할은 웨아르-펠란 구조라고도 하며, 클라스레이트 수화물에 자주 나타난다.
2. 1. 초기 관찰
A15 구조는 1931년 텅스텐의 전해 증착된 층을 조사하면서 처음 관찰되었다.[2] β-텅스텐 구조가 텅스텐의 동소체인지, 아니면 텅스텐의 산화물 구조인지에 대한 논쟁이 오랫동안 지속되었지만, 1950년대 이후 이 물질이 텅스텐의 진정한 동소체임을 보여주는 많은 논문이 발표되었다.[3][4][5][6][7][8]
2. 2. 금속간 화합물 발견
1933년, 전형적인 A3B 조성을 가진 최초의 금속간 화합물인 크롬 실리사이드 Cr3Si가 발견되었다.[9] 이후 몇 년 동안 여러 다른 A15 구조의 화합물이 발견되었다. 1953년 바나듐 실리사이드 V3Si가 약 17 K에서 초전도 현상을 보이기 전까지는 이러한 화합물에 대한 연구에 큰 관심이 없었다.[10]
2. 3. 초전도체 연구
1953년 V3Si (바나듐 실리사이드)가 약 17 K에서 초전도 현상을 보인 이후 A15 구조 화합물에 대한 연구가 활발해졌다.[10] 그 후 몇 년 동안 여러 다른 A3B 초전도체가 발견되었다.[11] 니오븀-저마늄은 1973년부터 1986년 구리 산화물 초전도체가 발견될 때까지 23.2K로 최고 온도의 기록을 보유했다. 매우 취성적인 A15 상 물질로 와이어를 생산하는 방법이 확립되기까지 시간이 걸렸으며, 이 방법은 여전히 복잡하다. 일부 A15 상 물질은 NbZr 및 NbTi 합금보다 더 높은 자기장 세기와 더 높은 임계 온도를 견딜 수 있지만, NbTi는 제조가 더 쉬워 대부분의 응용 분야에 여전히 사용된다.[12] Nb3Sn은 일부 고자장 응용 분야, 예를 들어 고급 MRI 스캐너 및 NMR 분광기에 사용된다.
2. 4. 니오븀-저마늄
니오븀-저마늄은 1973년부터 1986년 구리 산화물 초전도체가 발견될 때까지 23.2 K으로 최고 임계 온도 기록을 보유했다.[12] A15 상 물질은 매우 취성적이기 때문에 와이어를 생산하는 방법이 확립되기까지 시간이 걸렸으며, 이 방법은 여전히 복잡하다. 일부 A15 상 물질은 NbZr 및 NbTi 합금보다 더 높은 자기장 세기와 더 높은 임계 온도를 견딜 수 있지만, NbTi는 제조가 더 쉬워 대부분의 응용 분야에 여전히 사용된다.[12]
2. 5. 응용
Nb3Sn은 고급 MRI 스캐너 및 NMR 분광기와 같은 일부 고자장 응용 분야에 사용된다.[12] A15 구조 물질은 취성 때문에 와이어 생산 방법 개발이 어려웠으며, 이 방법은 여전히 복잡하다. 일부 A15 상 물질은 NbZr 및 NbTi 합금보다 더 높은 자기장 세기와 더 높은 임계 온도를 견딜 수 있지만, NbTi는 제조가 더 쉬워 대부분의 응용 분야에 여전히 사용된다.[12]
3. 특징
3. 1. 보로노이 다이어그램
A15 상의 보로노이 다이어그램의 완화된 형태는 동일한 부피의 영역으로 3차원 유클리드 공간을 분할하는 모든 가능한 경우 중에서 가장 적은 표면적을 갖는 것으로 보인다. 이 분할은 웨아르-펠란 구조라고도 하며, 클라스레이트 수화물에 자주 나타난다.
4. 예시
| 화합물 | 화학식 | 비고 |
|---|---|---|
| 바나듐-실리콘 | V3Si | |
| 바나듐-갈륨 | V3Ga | |
| 니오븀-저머늄 | Nb3Ge | |
| 니오븀-주석 | Nb3Sn | |
| 티타늄-금 | Ti3Au | |
| 텅스텐 (β-상) | W |
5. 관련 도서
- 마크 드 그라프(Marc De Graef), 마이클 E. 맥헨리(Michael E McHenry), 《Structure of materials: an introduction to crystallography, diffraction and symmetry》 (2007), 518–521쪽, ISBN 9780521651516.
- G. 사우토프(G Sauthoff), 《Intermetallics》 (1995), 95–97쪽, ISBN 9783527293209.
참조
[1]
논문
Complex alloy structures regarded as sphere packings. II. Analysis and classification of representative structures
http://scripts.iucr.[...]
1959-07-10
[2]
논문
Elektrolysen in Phosphatschmelzen. I. Die elektrolytische Gewinnung von α- und β-Wolfram
[3]
논문
Topologically close-packed phases: Deposition and formation mechanism of metastable β-W in thin films
2016-02-01
[4]
논문
Structure and stability of sputter deposited beta-tungsten thin films
https://aip.scitatio[...]
1994-06-13
[5]
논문
Phase transformation of sputter deposited tungsten thin films with A-15 structure
https://aip.scitatio[...]
1996-06-15
[6]
논문
Thermoanalytical Study of the Composition of β-tungsten
[7]
논문
Microstructure, growth, resistivity, and stresses in thin tungsten films deposited by rf sputtering
http://dx.doi.org/10[...]
1973-06
[8]
논문
"β-Tungsten" as a Product of Oxide Reduction
https://pubs.acs.org[...]
1956-08
[9]
논문
X-Ray Investigation of Alloys of Silicon with Chromium, Manganese, Cobalt and Nickel
[10]
논문
Superconducting Silicides and Germanides
[11]
논문
Physical properties and electronic structure of superconducting compounds with theβ-tungsten structure
[12]
서적
Introduction to high-temperature superconductivity
https://books.google[...]
Springer
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