페로브스카이트
1. 개요
페로브스카이트는 일반식 ABO3를 갖는 거의 정육면체 구조의 광물로, 1839년 구스타프 로제에 의해 발견되었으며 레브 페로브스키의 이름을 따서 명명되었다. 지구 맨틀에서 발견되며, 희토류를 함유한 크노파이트, 니오븀을 함유한 디스날라이트와 같은 변종이 존재한다. 페로브스카이트는 A 자리에 알칼리 토류 금속 또는 희토류 원소, B 자리에 전이 금속이 위치하며, 금속 광택을 띠고 다양한 색상을 나타낸다. 항성과 갈색왜성에서 결정 형성은 이산화티타늄의 고갈을 야기하기도 한다. 페로브스카이트는 이중 페로브스카이트, 저차원 페로브스카이트 등 다양한 유도체가 존재하며, 특히 저차원 페로브스카이트는 태양 전지 재료로 연구되고 있다.
| 광물 종류 | 산화물 광물 |
|---|---|
| 화학식 | CaTiO3 |
| 몰 질량 | 135.96 g/mol |
| IMA 기호 | Prv |
| 결정계 | 사방정계 |
| 결정족 | Dipyramidal (mmm) H-M 기호: (2/m 2/m 2/m) |
| 공간군 | Pbnm |
| 색상 | 검은색, 적갈색, 옅은 노랑, 노란빛 주황색 |
| 결정형 | 유사 입방형 – 결정이 입방체 형태를 보임 |
| 쪼개짐 | [100] 좋음, [010] 좋음, [001] 좋음 |
| 쌍정 | 복잡한 관입 쌍정 |
| 파단면 | 패각상 |
| 모스 경도 | 5.0–5.5 |
| 광택 | 금강광택에서 금속광택; 칙칙할 수 있음 |
| 굴절률 | nα = 2.3, nβ = 2.34, nγ = 2.38 |
| 광학적 특성 | 이축성 (+) |
| 조흔색 | 회백색 |
| 비중 | 3.98–4.26 |
| 투명도 | 투명 또는 불투명 |
| 기타 특징 | 비방사성, 비자성 |
| 화학식 | CaTiO3 |
|---|---|
| 일반식 | A(2+)B(4+)(X(2−))3 |
| 참고 문헌 | Prehnit (Prehnite) Perovskite Perovskite Physical properties of perovskite-type lithium ionic conductor |
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타이타늄 광물 -
금홍석
금홍석은 이산화 티타늄의 가장 안정적인 다형체로, 고온 고압의 변성암과 화성암에서 발견되며, 내화물 제조, 안료, 티타늄 금속 생산 등에 사용된다. -
타이타늄 광물 -
육세나이트
육세나이트는 칼슘, 니오븀, 탄탈럼 등 다양한 금속 원소를 함유한 복잡한 산화물 광물로, 화강암 페그마타이트와 흑사에서 주로 발견되며 희토류 원소 광석이나 보석류로 활용된다. -
사방정계 광물 -
황
황은 주기율표 16족에 속하는 노란색 비금속 원소로, 아미노산, 단백질 등 생물체 구성 성분이며 황산, 비료, 화약 등 화학 산업에서 널리 사용된다. -
사방정계 광물 -
휘안석
휘안석은 삼황화안티몬을 주성분으로 하는 광물로, 상온에서 광전도성을 보이며 섭취 시 독성을 나타내고, 고대부터 콜의 재료, 폭죽 조성물, 안전 성냥 등에 사용된다. -
칼슘 광물 -
석고
석고는 황산칼슘으로 이루어진 광물로, 다양한 형태로 존재하며 건축, 농업, 의료 등 다양한 분야에서 활용된다. -
칼슘 광물 -
형석
2. 역사
이 광물은 1839년 구스타프 로제(Gustav Rose)가 러시아의 우랄 산맥에서 발견했으며, 러시아 광물학자 레브 페로브스키(Lev Perovski, 1792-1856)의 이름을 따서 명명되었다.
페로브스카이트 결정 구조는 1926년 빅터 골드슈미트의 허용 인자(tolerance factor) 연구에서 처음으로 서술되었다. 1945년 헬렌 딕 메가우가 티탄산바륨의 X선 회절 자료를 바탕으로 그 결정 구조를 발표하였다.
3. 산출
지구 맨틀에서 발견되는 페로브스카이트는 히비니 산괴에서는 규소가 포화되지 않은 초염기성암과 포이돌라이트에 국한되어 존재하는데, 이는 페트로그래피에서 장석과의 불안정성 때문이다. 페로브스카이트는 암석을 구성하는 규산염 사이의 간극을 채우는 작은 불완정형에서 아완정형 결정으로 산출된다.
페로브스카이트는 미국 아칸소주 마그넷 코브의 접촉 접촉 탄산염 스카른에서, 베수비오산에서 분출된 변질된 석회암 블록에서, 우랄과 스위스의 녹니석과 활석 편암에서, 그리고 알칼리성 및 염기성 화성암, 네펠린 섬장암, 메릴리타이트, 킴벌라이트 및 드문 탄산염암에서 부성분 광물로 발견된다. 페로브스카이트는 일부 콘드라이트 운석에서 발견되는 Ca-Al 풍부 인클루전에서 흔한 광물이다.
화성암에서 페로브스카이트의 안정성은 스펜과의 반응 관계에 의해 제한된다. 화산암에서는 페로브스카이트와 스펜이 함께 발견되지 않으며, 유일한 예외는 카메룬의 에틴다이트이다.
희토류를 함유한 변종인 크노파이트는 콜라 반도와 알뇌(스웨덴) 근처의 알칼리 관입암에서 발견된다. 니오븀을 함유한 변종인 디스날라이트는 독일 카이저슈툴 근처 탄산염암에서 산출된다.
4. 물리적 특성
페로브스카이트는 일반식 를 갖는 거의 정육면체 구조를 지닌다. 이 구조에서 격자 중심에 위치한 A 자리 이온은 일반적으로 알칼리 토류 금속 또는 희토류 원소이다. 격자 모서리에 위치한 B 자리 이온은 3d, 4d, 5d 전이 금속 원소이다. A 자리 양이온은 음이온과 12배위를, B 자리 양이온은 6배위를 한다. 골드슈미트 허용 인자 t가 0.75에서 1.0 사이일 경우 많은 금속 원소가 페로브스카이트 구조에서 안정적이다.
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여기서 RA, RB, RO는 각각 A 자리 원소, B 자리 원소, 산소의 이온 반지름이다. 페로브스카이트의 안정성은 허용 인자와 팔면체 인자로 특징지을 수 있다. 조건이 충족되지 않으면 모서리 공유 또는 면 공유 팔면체 또는 낮은 B 자리 배위에 대한 층상 기하학이 선호된다. 이들은 좋은 구조적 경계이지만 경험적 예측은 아니다.
페로브스카이트는 준금속 광택에서 금속 광택을 가지며, 무색의 조흔색을 띠고, 불완전한 쪼개짐과 취성을 가진 정육면체 구조를 지닌다. 색깔은 검정, 갈색, 회색, 주황색에서 노란색까지 다양하다. 페로브스카이트 결정은 정육면체 결정 형태를 갖는 것처럼 보일 수 있지만, 종종 가정육면체이며 실제로는 사방정계에 속한다. 대표적인 페로브스카이트 광물인 가 그러하며 (A 자리에 더 큰 스트론튬 양이온을 갖는 티탄산스트론튬은 정육면체 구조이다). 페로브스카이트 결정은 갈레나와 혼동될 수 있지만, 갈레나는 더 좋은 금속 광택, 더 큰 밀도, 완전한 쪼개짐, 그리고 진정한 정육면체 대칭을 가진다.
4.1. 항성 및 갈색왜성
항성과 갈색왜성에서 페로브스카이트 결정 형성은 광구에서 산화티타늄의 고갈을 야기한다. 온도가 낮은 항성은 스펙트럼에서 TiO의 흡수띠가 두드러진다. 질량이 더 작은 항성과 갈색왜성의 온도가 더 낮아짐에 따라 CaTiO3가 형성되고, 2000 K 이하의 온도에서는 TiO가 검출되지 않는다. TiO의 존재 여부는 차가운 M형 왜성과 더 차가운 L형 왜성 사이의 전이를 정의하는 데 사용된다.
5. 페로브스카이트 유도체
페로브스카이트 유도체는 기본 페로브스카이트 구조에서 파생된 다양한 형태를 가진다. 이중 페로브스카이트는 A'A"B'B"O6의 화학식을 가지며, B 자리의 절반을 B'로 치환한 구조이다. 여기서 A는 알칼리 금속 또는 희토류 금속이고, B는 전이 금속이다. B와 B' 양이온의 배열은 암염형, 기둥형, 층상 구조와 같이 다양하다.
저차원 페로브스카이트는 A 자리 양이온의 크기에 따라 2차원, 1차원, 0차원 구조를 형성한다. 2차원 구조는 A 자리 양이온이 클 때 팔면체 시트가 형성되는 형태이며, 1차원에서는 팔면체 사슬이, 0차원에서는 개별 팔면체가 서로 분리되어 나타난다.
5.1. 이중 페로브스카이트
이중 페로브스카이트(Double perovskite)는 Double perovskite영어는 A'A"B'B"O6의 화학식을 가지며, B 자리의 절반을 B'로 치환한 구조이다. 여기서 A는 알칼리 금속 또는 희토류 금속이고, B는 전이 금속이다. 양이온 배열은 전하, 배위 기하학 및 A 양이온과 B 양이온 반지름의 비율에 따라 달라진다. B와 B' 양이온은 암염형, 기둥형, 층상 구조의 서로 다른 배열 방식을 만든다.
암염형은 B와 B' 다면체가 3차원 체커보드 패턴으로 번갈아 배열된 구조이다. B 자리가 다른 원자가 상태를 가지므로, 이 구조는 정전기적 관점에서 가장 일반적이다. 기둥형 배열은 [111] 방향에서 본 B 양이온 다면체의 시트로 볼 수 있다. 층상 구조는 B'와 B 다면체의 시트로 나타난다.