Study of Surface Chemistry and Electronic Structure Evolution in SrFeO2.5 Films during the Topotactic Phase Transition : 토포택틱 상전이 동안의 SFO2.5 박막 표면에서의 화학적 및 전자 구조적 진화에 대한 연구

국문 초록 (Abstract)

토포택틱 상전이는 기존의 결정 골격을 유지한 채 산소가 삽입되거나 방출되는 상전이를 의미한다. 이 상전이는 새로운 화학적 양론을 갖는 전이 금속 산화물을 합성할 수 있는 수단이 될 뿐만 아니라, 산소가 제거되면서 형성되는 산소 공공 채널을 통해 이온 이동 경로를 제공하여 고체 산화물 연료전지 및 촉매 반응 등에 활용될 수 있다.
토포택틱 상전이는 주로 가스를 이용한 산화–환원 반응을 통해 유도되며, 산소 공공 채널의 방향과 물질의 표면 화학 상태가 반응성에 큰 영향을 미친다. 특히 Sr 기반 페로브스카이트 산화물의 경우, 산화 환경에서 Sr 분리가 반응성을 향상시키기도 하고 저해하기도 한다는 상반된 연구 결과가 보고되어 있다.
본 연구에서는 이러한 상충된 견해를 해소하기 위해 실시간 분석 기법 (operando/in-situ techniques)을 활용하여 산화–환원 반응으로 유도되는 토포택틱 상전이 과정 중의 표면 화학 및 전자 구조 변화를 규명하고자 하였다. 이를 위해 서로 다른 두 가지 산소 공공 채널의 배향 상태를 갖는 SrFeO2.5 박막을 제작하고, in-situ XRD, operando AP-XPS, operando AP-XAS 측정을 통해 상전이 과정에서의 구조적·화학적·전자적 변화를 정밀하게 추적하였다. 그 결과, 산소 공공 채널이 기판에 수직으로 배향된 LSAT 기판 위의 SFO 박막은 그렇지 않은 박막에 비해 더 높은 상전이 반응성을 보였으며, Sr 표면 분리 또한 더 빠른 속도로 진행되었다. 전자구조 측면을 살펴보면, LSAT 기판 위 SFO2.5 에서 표면 초과산화종이 더 많이 관측되었다. 이것은 수직으로 배향된 SFO2.5 의 표면이 더 많은 산소 공공 채널을 가지고 있음을 보여주고, 이로 인해 LSAT 기판 위 SFO 박막이 벌크 내부에서도 반응성이 좋을뿐만아니라 표면에서 반응 또한 더 용이하게 발생함음을 시사한다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• Chapter 2. Theory and Literature Review 3
• 2.1. Concept of Topotactic Phase Transition 3
• 2.2 Topotactic Phase Transition in SrFeOX Film (2.5≤X≤3) 4
• 2.3 Factors Affecting Topotactic Phase Transition 10
• 2.3.1. Oxygen Vacancy Channels 10
• 2.3.2. Surface Chemical and Electronic States 15
• Chapter 3. Experimental Section 19
• 3.1. Pulsed Laser Deposition 19
• 3.2. X-ray Diffraction and Reciprocal Space Mapping 22
• 3.3. In-situ Micro Probe Station 27
• 3.4. X-ray Photoelectron Spectroscopy 29
• 3.5. X-ray Absorption Spectroscopy 32
• Chapter 4. Results and Discussion 34
• 4.1. SrFeO2.5 Film and Crystal Properties 34
• 4.2. In-situ Electrical Properties 37
• 4.3. In-situ Structural Properties 40
• 4.4. Surface Chemical Properties 42
• 4.5. Surface Electronic Properties 55
• Chapter 5. Conclusion 60
• References 61