저작자표시-비영리-변경금지 2.0 대한민국

이용자는 아래의 조건을 따르는 경우에 한하여 자유롭게

l 이 저작물을 복제, 배포, 전송, 전시, 공연 및 방송할 수 있습니다.

다음과 같은 조건을 따라야 합니다:

l 귀하는, 이 저작물의 재이용이나 배포의 경우, 이 저작물에 적용된 이용허락조건을 명확하게 나타내어야 합니다.

l 저작권자로부터 별도의 허가를 받으면 이러한 조건들은 적용되지 않습니다.

저작권법에 따른 이용자의 권리는 위의 내용에 의하여 영향을 받지 않습니다.

이것은 이용허락규약(Legal Code)을 이해하기 쉽게 요약한 것입니다.

Disclaimer

저작자표시. 귀하는 원저작자를 표시하여야 합니다.

비영리. 귀하는 이 저작물을 영리 목적으로 이용할 수 없습니다.

변경금지. 귀하는 이 저작물을 개작, 변형 또는 가공할 수 없습니다.

http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/kr/legalcodehttp://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/2.0/kr/

이학석사학위 청구논문

Cr5S6단결정의 자기저항효과

MagnetoresistivityeffectinCr5S6singlecrystal

2010년 2월

인하대학교 대학원

물리학과(이론 및 물성물리 전공)

이 승 민

이학석사학위 청구논문

Cr5S6단결정의 자기저항효과

MagnetoresistivityeffectinCr5S6singlecrystal

2010년 2월

지도교수 허 남 정

이 논문을 석사학위 논문으로 제출함

인하대학교 대학원

물리학과(이론 및 물성물리 전공)

이 승 민

- 1 -

이 논문을 이승민의 석사학위논문으로 인정함.

2010년 2월

주심 유 천 열

부심 허 남 정

위원 정 종 훈

- 2 -

목 차

그림 목록 3

국문 요약 5

Abstract 6

제1장 서론 7

1.1.Jahn-TellerEffect 11

1.2.망간 산화물의 거대 자기 저항 12

1.3황화물에서의 자기저항 18

1.4산화물과 황화물의 차이점 22

제2장 샘플의 합성 및 Cr5S6의 구조 23

2.1샘플의 합성 23

2.2Cr5S6의 구조 및 성질 26

제3장 결과 및 논의 31

3.1Cr5S6의 XRD 31

3.2Cr5S6의 저항 33

3.3Cr5S6의 자화율 38

제4장 결론 42

참고문헌 43

- 3 -

그림목록

그림 1-1 위 그림 :5겹으로 축퇴된 (낮은 3개 t2g,높은 2개 eg )원

자의 3d레벨의 5개로 분리된 결정장

아래 그림 :망간 화합물의 기울어진 페로브스카이트의 도식

적인 구조

그림 1-2 Jahn-TellerEffect

그림 1-3 Perovskitestructure

그림 1-4 Distortionofaperovskitestructure

그림 1-5 Phasediagram ofLa1-xCaxMnO3

(from:J.Klein,Dissertation,Köln 2001)

그림 1-6 각 온도에서 Ba2CoS3의 자기저항

그림 1-7 NiS의 자기장 변화에 따른 저항값과 자기저항값

그림 1-8 NiS의 온도의 변화에 따른 s자기 저항의 변화량(at4T)

그림 2-1 sealing방법

그림 2-2 vaportransportmethod

그림 2-3 Cr5S6의 구조

그림 2-4 Cr5S6의 반강자성 스핀 배열

그림 2-5 Cr5S6의 준강자성 스핀 배열

그림 2-6 Magnetization,reciprocalsusceptibilityandelectricresistance

그림 3-1 Cr5S6다결정의 XRDdata

그림 3-2 Cr5S6단결정의 저항 data(at0T,9T)

그림 3-3 PPMS용 저항 puck(위)과

저항 측정시 wirecontact모양 (아래)

그림 3-4 샘플을 저항 puck에 contact모양

그림 3-5 자기장에 따른 저항의 변화율

- 4 -

그림 3-6 Cr5S6단결정의 자화율

그림 3-7 자기장에 따른 자화율

그림 3-8 PPMSVSM용 샘플 holder

- 5 -

국문요약

Cr5S6단결정의 온도에 따른 자화율과 저항,자기장에 따른 자화율과 저

항에 대해 논의 하려고 한다.Cr5S6단결정 화합물은 300K 이상에서는 상자

성 성질을 가지고 300K~160K 에서는 준강자성 성질을 가진다.160K 이하

에서는 반강자성 성질을 가진다.

온도에 따른 자화율과 저항을 결정의 수직인 방향과 수평인 방향으로 측

정하였고 각 온도(100K,150K,200K,300K)에서 자기장에 따른 자화율

과 저항을 측정하였다.온도에 따른 모멘트는 300K(준강자성 전이 온도)에

서 증가하고 150K근처(반강자성 전이 온도)에서 모멘트가 감소한다.결정의

수평인 방향에 비해 수직인 방향은 모양은 비슷하게 나오나 모멘트 값은 작게

나온다.또,온도에 따른 저항을 0T,5T에서 측정하였다.150K에서 꺾이는

모양을 볼 수 있는데 0T 비해 5T은 그 온도가 더 낮아진다.자기장을 가해

줌으로써 준강자성 영역이 넓어짐을 알 수 있다.

- 6 -

Abstract

Wereporttheresistance,magnetizationdependentontemperatureand

resistance,magnetizationdependentonmagneticfield.Cr5S6singlecrystals

compound have the properties that paramagnetism above 300 K,

ferrimagnetism between300K and160K,antiferromagnetism below 160

K.

We measured magnetization,resistancedependenton temperature in

planeandoutofplane.Wemeasuredmagnetization,resistancedependent

onmagneticfieldinplainandoutofplaneat100K,150K,200K,300K.

Magnetizationdependentontemperatureincreasesaround300K (Tc :

ferrimagnetictransitiontemperature).Anditdecreasesaround160K (TN :

antiferromagnetictransitiontemperature).

Bothinplainandoutofplanemagnetizationsdependentontemperature

havesimilarcurveshape.Butmomentmagnitudeinplaneisbiggerthan

outofplane.

Resistancedependenton magneticfield measured at0T,5T.We

observedaslopechanged.Changed temperaturepointat0T ishigher

than5T.Byapplicationofmagneticfieldferrimagneticareaexpended.

- 7 -

1.서론

특별한 자기저항현상은 페로브스카이트나 그와 비슷한 구조를 가지는 망

간산화물에서 나타나는 현상으로 자기장을 가해주면 저항의 감소로 나타난다.

[1]그러한 거대한 음의 자기저항은 CMR(ColossalMagnetoResistance)이라

불리고 전이금속 계에서의 다층이나 낱알의 형태로 나타나는 GMR (Giant

MagnetoResistance)과는 구분된다.페로브스카이트 망간화합물의 큐리 온도

근처에서 자기저항은 이미 전이금속산화물 연구의 선행 단계라고 알려져 있

다.예를 들어,1969년 논문에서는 비저항은 자기장에 완전히 의존적이라고 보

고되었다.특히,이 논문은 전이 온도 근처에서 자기저항은 현상학적으로 분석

하였다.[2]

그 후 소위 double-exchangeHamiltonian라 불리는 것을 이용하여 이 현

상을 이론적으로 계산했다.double-exchangeHamiltonian는 double-exchange

mechanism의 필수 요소이다.[3]

그러한 망간화합물의 자기저항에 대한 흥미는 CMR의 재발견 또는 도체/

부도체 전이 (metal-insulatortransitions)를 일으키는 자기장과 격자 구조 전

이 (lattice-structuraltransitions)때문에 더 늦게 언급되었다.[4]

반면에,꽤 민감하고 전기적으로 읽을 수 있는 자기장 센서는 최근에 자기

메모리의 판독헤드로 산업적인 연구가 진행되고 있다.그리고 CMR 산화물은

그러한 물질이 될 것이라고 예상되어 연구가 진행 중이다.CMR망간화합물의

재조명은 구리산화물 (cuprate)의 고온 초전도성의 발견 이후로 강한 전자-

전자 또는 전자-격자 상호작용 (electron-electron and/or electron-lattice

interactions)을 가지는 전이금속 산화물의 약한 금속적인 상태에 대해 관심

이 생기게 되었기 때문이다.[5]

- 8 -

이런 분위기는 현재 CMR성질을 가지는 산화물에 대한 연구를 촉진시켰

다.페로브스카이트와 관련된 구조에서,두 가지 중요한 변수 즉,밴드 채우기

(또는 도핑 레벨)와 밴드간격 (또는 전자가 뛰는 상호작용)은 페로브스카이

트의 화학적인 조성을 수정함으로써 상당한 범위로 조절할 수 있다.두 개의

변수는 금속/비금속 전이 현상에 영향을 줄 뿐만 아니라 자기적인 상호작용에

도 영향을 주는 전도 전자의 운동에너지를 조절한다.

그림 1-1에서 처럼 페로브스카이트 격자 안에 놓인 망간 이온의 전기적인 배열

과 double-exchange interaction 의 묘사 후에 우리는 실험적으로

La1-xSrxMnO3 결정에서 금속-비금속 전이와 자기저항의 모양이 관찰됐던 것

에 주목 한다.비록 이미 보여진 간단한 모델과 비교해서 많은 중요한 편차가

있더라도 그 결정에서 나타난 현상은 가장 전형적인 double-exchange

systems에서 보여 진다.

물질의 자기적인 성질과 전기적인 성질의 상호 의존성은 CMR성질을 갖

고 있는 물질에 대한 꽤 흥미있는 연구의 주제이다.[6-12]이러한 주제가 적용

된 범위는 spinelectronicsorspintronics라 불리는 미세전기적 성질로 알려져

있다.[8]스핀트로닉스 새로운 물질에 대한 연구의 한 방향은 향상된 CMR 특

징을 가지는 강자성 반도체의 소결과 표준이 되는 반도체와의 경쟁이다.CMR

성질을 가지는 새로운 화합물을 만들기 위한 모형 물질의 선택은 직관적인 기

초(시도나 실패)에 의해 우세하게 된다.왜냐하면 현재는 이러한 효과가 나타나

는 분명한 기준이 없다.

이 효과는 상대적인 자기저항은 공식에 의해 계산된다.다음 표시법도 가

끔 사용한다.음의 자기저항 값은 자기장이 증가하면 저항의 값이 감소할 때나

타난다.음의 자기저항은 금속 구조의 박막[6-8]이나 자기적인 반도체[9-10],2

차원적인 화합물과 구조[11-13]에서 관찰된다.음의 자기저항 현상은 박막 이질

접합의 GMR과 자기적인 반도체의 CMR이라 불린다.[9]이 현상은 spin-polarized

electrontransport에 의해 설명 되어 졌다.[7]

현재 널리 알려진 CMR 물질은 기본이 되는 LaMnO3, europium

- 9 -

chalcogenides,andthechromium selenidesCdCr2Se4andHgCr2Se4들 이다.

MIT는 도체에서 부도체 상태로의 전이뿐만 아니라 또한 도체-반도체 그리고

반도체-부도체 전이도 설명한다.MIT 현상은,대개,물질의 온도적,구조적,

자기적,광학적인 많은 물리적인 변수의 결정적인 변화에 의해 수반된다.실험

적인 결과는 CMR이 자기 온도적인 효과 (큰 자기열적 효과),자기장의 영향

아래서 상전이를 발생시킴으로써 가능한 것처럼 보인다.그러한 물질들은 유

로퓸 황화물(자기적인 전이의 범위 안에서 역의 도체-부도체 전이)과 망간화

합물(물리적인 성질은 유로퓸 화화물의 성질과 크게 닮았다)을 포함한다.

CMR 이 관찰되는 물질들은 3d 요소의 monosulfides 이고 그것의 solid

solution이다.거대 자기저항은 니켈 monosulfide에서 관찰된다.

이와 같은 이유로 CMR 물질에 대한 연구가 진행되고 있다.이 논문에서

는 3dmonosulfides인 chromium sulfides를 가지고 실험하였다.크롬은 망간

과 같은 전이 금속이고 황은 산소와 같은 족의 물질이다.주기율표에서 황은

산소와 같은 족의 한주기 아래 물질이다.이 두 가지 사실로부터 망간 산화물

과는 다른 효과나 결과를 기대한다.

- 10 -

그림 1-1

위 그림 :5겹으로 축퇴된 (낮은 3개 t2g,높은 2개 eg)원자의 3d레벨의

5개로 분리된 결정장

아래 그림 :망간 화합물의 기울어진 페로브스카이트의 도식적인 구조

- 11 -

1.1Jahn-Tellereffect

분자의 뒤틀림은 전기적으로 축퇴된 바닥상태 때문이다.기학학적으로 비

선형 분자의 존재는 점대칭 그룹이 가지는 축소할 수 없는 표현인 축퇴에 의

해서 서술되고,이러한 기하학에서 전기적으로 불안정적인 축퇴 상태를 만들

수 있는 적어도 항상 하나의 부분적인 대칭 진동이 존재한다.원래의 축퇴 상

태의 분리를 일으켜서 더 낮은 균형의 새로운 평형 위치로 핵은 위치한다.(그

림 1-2)이것을 first-orderJahn-Tellereffect라 부른다.이 효과는 전자 진

동의 섭동 확장에서 홀수 항 때문이다.

낮은 위치에서 축퇴된 들뜸 상태가 아니라 바닥의 전자 상태에서 축퇴되지

않은 분자의 경우에 적당한 균형의 뒤틀림은 바닥과 들뜸 상태의 혼합된 결과

가 발생한다.이것은 그림 1-3과 그림 1-4에 나와 있다.그렇게 되면 바닥

상태의 에너지는 낮아진다.Jahn-Tellereffect는 표면의 경계에서 축퇴된다.

(즉,원뿔의 교차점)이에 반하여 허위의 (pseudo)Jahn-Tellereffect는 경계

를 피해서 축퇴된다.

- 12 -

그림 1-2Jahn-Tellereffect

- 13 -

그림 1-3Perovskitestructure

- 14 -

그림 1-4Distortionofaperovskitestructure

- 15 -

1.2망간산화물의 거대 자기 저항

자기저항(magnetoresistance;MR)이란 어떤 물질에 자기장을 가하면 그 물

질의 전기 저항이 변화되는 현상으로,그 메커니즘은 여러 가지가 있다.

첫 번째는 홀 효과(Halleffect)에 의한 것으로 Au와 같은 비자성체 및 반도체

물질에 자기장을 가하면 전도전자가 로렌츠(Lorentz)힘을 받아 전자의 궤적

이 원형을 그리게 됨으로써 앞으로 나아가는 것을 방해하는 저항이 생긴다.

이를 흔히 정상 자기저항(ordinarymagnetoresistance;OMR)이라 부르고 1%

미만의 상당히 작은 크기를 갖는다.

두 번째는 정상 자기저항에 부가적으로 강자성 물질에서 나타나는 자기저

항이 있다.이것은 스핀-궤도 결합에 기인한 것으로 자기저항은 강자성체의

자화 용이축(easyaxis),외부 자기장과 전류 간의 방향에 의존하며 이를 이방

성 자기저항(anisotropicmagnetoresistance;AMR)이라 부른다.

세 번째는,인접한 자성층 사이를 전도 전자가 통과할 때 스핀 방향 차이에

따른 스핀 의존 산란(spin dependentscattering)에 기인한 거대 자기저항

(giantmagnetoresistance;GMR)이 있다.이는 자성/비자성 도체 다층박막에

서 주로 나타나는 것으로 1988년 Baibichi등에 의해 Fe/Cr다층박막에서 처

음 발견되었다.1992년에는 Xiao등에 의해 초상자성(superparamagnet)특성을

갖는 강자성체 입자들이 비자성도체 내에 분산된 미세입상(nano-granular)합

금박막에서도 관측되었다.다층박막의 경우 자기저항은 비자성층의 두께와 자

성층 간의 스핀 방향에 의존하며 형태에 따라 강 반강자성 교환결합형(예

Fe/Cr),약 반강자성 교환결합형(예 Cu/CoFe),비결합형(예 NiFe/Cu/Co/Cu),

그리고 교환이방성 결합형(예 Fe-Mn/FeNi/Cu/FeNi)으로 나뉜다.이들 다층박

막에서 자기저항 효과는 상온에서 외부 자기장을 수십 Oe에서 수백 Oe를 걸

- 16 -

었을 경우 수 % 에서 수십 % 로 관측되었다.거대 자기저항 물질은 기존의

비등방성 자기저항 물질인 퍼머로 이계 박막에 비해 수 배에서 수십 배 큰 자

기저항을 가지므로 2000년대의 10Gbit/in2기록밀도 기술에 필요한 새로운

자기재생헤드, MR 센서 및 MRAM(Magnetoresistive Random Access

Memory)등에의 응용을 위한 연구가 활발히 이루어 지고 있다.

다양한 거대 자기저항의 발견으로 크게 고무된 자기저항 물질의 연구는

1950년대에 밝혀졌던 망간 산화물 자기저항 재료에도 새롭게 관심을 갖게 하

였으며,그 결과 초거대 자기저항(Clossalmagnetoresistance;CMR)현상을

관측하게 되었다.초거대 자기저항은 거대 자기저항보다 훨씬 큰 저항 변화를

보이기 때문에 붙여진 이름으로,페로브스카이트(peroveskite)망간 산화물

La1-xAxMnO3 (A=Sr,Ba,Ca) 박막 및 Nd0.5Pb0.5MnO3 단결정에서 최대

127,000%의 엄청난 자기저항이 77K,6T 조건에서 관측 되었다.

CMR group의 연구 대상 물질인 La1-xCaxMnO3 (이하 LCMO)와

La1-xSrxMnO3(이하 LSMO)는 x값에 따라 강자성-반강자성 전이가 일어남이

1950년 Jonker와 Santen의해 처음으로 밝혀 졌다.곧이어 위 물질들에 대한

X-선 회절 실험과 중성자 회절 실험으로 이 물질의 격자구조와 자기구조에

관한 연구가 이루어 졌다.격자구조는 그림 1-5에서 처럼 x값에 따라 다양

한 격자 찌그러짐(Latticedistortion)을 갖게 되어 대칭성이 달라지며 자기적

구조 역시 x값에 따라 강자성 또는 반강자성 스핀 정렬을 갖는 것으로 알려

졌다.중성자 회절 실험에 의한 자기구조에 관한 연구는 Goodenough에 의해

이론적으로 연구되었다.또한 비슷한 시기에 Zener는 위 물질의 자기적 성질

과 전기적 성질의 상관관계를 이중교환 기작(DoubleExchange;DE)으로 설명

하였으며 그 이후 이중교환 기작 이론은 많은 발전을 이루었다.

- 17 -

그림 1-5 Phasediagram ofLa1-xCaxMnO3

(from:J.Klein,Dissertation,Köln2001)

- 18 -

1.3황화물에서의 자기저항

페로브스카이트 망간산화물에서 거대 자기저항이 발견된 이후로 물질의 자

기 저항에 대한 연구가 재조명되었다. 비록 망간산화물에서의 거대 자기저항이

double-exchangemechanism(Mn3+와 이웃한 Mn

4+의 교환으로 전하의 이동이

용이하다)으로 설명이 되지만,최근의 몇몇 연구들은 electron-phononcoupling

도 중요한 역할을 담당하고 있다고 말하고 있다.

큰 음의 자기저항은 자기적인 폴라론 때문에 발생한다.거대자기저항은 망간

산화물이 아닌 다른 물질에서도 발견되었다.그 물질들은 Tl2Mn2O7와 같은

pyrochloreoxides3층을 이루고 있는 요오드화가돌륨 (GdI2) 그리고 크롬황화

물 (spinelsACr2X4A=Cd,Fe;X=S,Se,Te)이 있다.

앞의 물질 중 뒤의 2개 물질은 망간산화물과는 다르다.비록 비저항이 전이

온도에서 무질서하게 보이더라고 물질은 자기적으로 정렬하는 온도 이하에서 반

도체적인 성질을 가지고 있다.그러나,대부분의 거대자기저항 물질들은 페르미

레벨 이하에서 국소화된 성질과 편극화된 더 넓은 전도 띠를 공유한다.게다가,

CMR물질의 대부분은 전하운반자의 밀도에서 자기저항의 보편적인 선형 의존

성을 가지고 있다.

다음의 그림 1-6은 Ba2CoS3의 자기저항이다.250K -10K 사이에서 측정

한 결과이다.10K에서의 결과에서 자기저항은 1.7% 가까이 나타났다.

또 다른 자기저항 결과는 NiS결과값이다.결과는 그림 1-7에 나타나있다.

그림 1-7은 NiS의 저항 결과값과 자기저항 결과값이고 그림 1-8은 자기장을

4T가해주었을 때 온도에 따른 자기저항의 결과 값이다.그림에서 보듯이 자기

저항의 변화량이 매우 큰 것을 알 수 있다.

- 19 -

그림 1-6 각 온도에서 Ba2CoS3의 자기저항

- 20 -

그림 1-7NiS의 자기장 변화에 따른 저항값과 자기저항값

- 21 -

그림 1-8NiS의 온도의 변화에 따른 s자기 저항의 변화량(at4T)

- 22 -

1.4산화물과 황화물의 차이점

황은 산소와 비교해서 주기율표의 같은 족,한 주기 아래의 물질이다.즉,

황은 원자의 크기가 산소보다 크다.이 때문에 황과 전이금속 사이의 전자의

공유도는 산소와 전이금속 사이의 전자 공유도에 비해 커진다.이것은 핵과

전자의 사이의 거리가 증가하기 때문이다.이러한 결합력의 차이는 저항값의

차이를 야기하게 되고 자기저항값을 증가가 생각된다.

산화물에 비해 황화물은 황의 높은 증기압으로 인해 합성이 어렵다.이같

은 합성의 어려움 때문에 황화물은 산화물이나 다른 합성이 용이한 물질에 비

해 연구가 덜 돼왔다.그러나 황화물은 산화물이나 다른 여타의 물질보다 물

리적으로 독특한 성질을 보인다.충분히 연구할 가치나 필요가 있다.

- 23 -

2.샘플의 합성 및 Cr5S6의 구조,성질

2.1샘플의 합성

연구를 위하여 Cr5S6를 합성하는 방법은 vaportransportmethod를 사용

하였다.Cr5S6를 vaportransport하기 전에 Crpowder와 Spowder를 합성

해서 다결정을 먼저 만들어야 한다.Cr과 S의 비율을 5:6으로 정량하고 막

자에 갈아서 powder로 만들어 준다.이 powder를 몰드에 넣어 pelletizing한

다.이 pellet을 aluminacrucible에 넣고 quartztube에 넣어 진공에서 그림

2-1과 같이 sealing한다.이 샘플은 1000˚C에서 24h합성한다.이 과정을

한 번 더 반복하여 총 2회 반복한다.다결정의 합성 후 다시 막자에 갈아서

powder로 만든다.이 powder를 가지고 vaportransport를 시도한다.

위 방법으로 만든 powder를 가지고 그림 2-2의 모양으로 sealing을 한다.

sealing할 때 Cr5S6의 powder와 같이 요오드 (I)를 같이 넣어준다.요오드

는 1000 ˚C에서 기화되었을 때 3기압이 넘지 않은 양을 넣어준다.이 요오드

는 transportation물질로 넣어준다.sealing을 한 quartztube는 tubefurnace

에서 일주일 정도 가열해준다.일주일 후 quartz를 꺼내어보면 그 안에 single

crystal 이 만들어진 것을 확인할 수 있다.

- 24 -

그림 2-1sealing방법

- 25 -

그림 2-2vaportransportmethod

- 26 -

2.2Cr5S6의 구조 및 성질

Cr5S6는 그림 2-3과 같은 hexagonalstructure(P31c)의 구조를 가지고

있다.정렬된 Cr 원자들은 격층으로 중간 중간 규칙적으로 비어 있다

(vacancy). (그림 2-3 ). Cr5S6 는 158 K 이하에서는 반강자성

(antiferromagnetic)성질을 가지고 그림 2-4와 같은 스핀 배열을 같는다.158

K 과 305K 사이에서는 준강자성 (ferrimagnetic)성질을 가지고 그림2-5와

같이 스핀은 정렬한다.305K 이상에서는 상자성 (paramagnetic)성질을 가진

다.격자 상수 (latticeparameter)는 a=5.982Å ,c=11.509Å 이고 전기

적인 성질은 도체이고 비저항 ＝　１０－３ ohm-cm 정도이다.

Cr5S6의 구조는 hexagonalstructure로 S원자가 octahedron구조를 이루

고 있다.이 octahedron구조의 중앙에 Cr원자가 위치한다.Cr원자는 4개의

위치(site)를 갖는다.이 4개의 위치의 원자는 2개씩 짝을 이루어 층을 이루고

있다.즉,한 층에는 2가지 위치를 가지는 Cr원자들만 있고 다른 층에는 나머

지 두 개의 위치를 가지는 Cr원자들만 있다.또한 격층으로 Cr원자의 위치

는 빈공간이 있다.이 빈 공간으로 인해 Cr5S6의 원자 비율이 5:6이 나오

고,준강자성 (ferrimagnetic)성질이 나오게 된다.

그림 2-6은 Cr5S6의 자화율과 저항값이다.빨간 동그라미 안의 결과값이

자화율 값인데 앞의 내용에서 설명한 것처럼 결과 값이 그래프로 나와있다.

- 27 -

그림 2-3Cr5S6의 구조

- 28 -

그림 2-4Cr5S6의 반강자성 스핀 배열

- 29 -

그림 2-5Cr5S6의 준강자성 스핀 배열

- 30 -

그림 2-6Magnetization,reciprocalsusceptibilityandelectric

resistance

- 31 -

3.결과 및 논의

3.1Cr5S6의 XRD

아래 그림은 다결정의 XRD data이다.크롬과 황의 질량비를 5:6으로 정량

하여 vaporsealing하여 1000˚C에서 24시간 소결하였다.이 같은 과정을 한

번 더 한다.즉,총 2번의 소결을 하였다.소결이 끝난 후 Cr5S6의 quartz에서

꺼내어 막자사발에 갈아서 가루로 만든다.이 가루 중 적은 양을 XRD 실험에

사용 하였다.XRD실험을 하기 전에 Si가루를 Cr5S6가루와 1:1비율로 섞어

준다.그림 3-1은 Cr5S6의 XRD 실험 값이다.그림에서도 보듯이 샘플 peak

과 이론 peak이 잘 일치한다.

Si가루를 섞어주는 이유는 크롬황화물의 종류가 많기 때문이다.크롬황화

물의 종류로는 CrS,Cr2S3,Cr3S4,Cr5S6,Cr5S8,Cr6S7,Cr7S8이 있다.처음 다

결정을 만들기 위해 정량을 할 때 정확히 하지 않으면 다른 물질이 만들어지

거나 두 개 이상의 화합물이 같이 만들어지는 경우도 발생한다.Si가루를 넣

어주는 이유는 이와 같은 비슷한 질량 비율을 가진 크롬 황화물들은 XRD

peakposition이 비슷한 각도에서 나오기 때문에 Si가루를 넣어 shift된 것

을 맞추고 peak을 판단할 필요가 있기 때문이다.

아래 그림에서 보듯이 다결정은 잘 만들어졌다.이 다결정을 가지고 vapor

transportmethod를 이용하여 Cr5S6단결정을 만들었고 다른 측정을 하였다.

- 32 -

그림 3-1Cr5S6다결정의 XRD data

- 33 -

3.2Cr5S6의 저항

Cr5S6 단결정의 저항을 PPMS로 측정하였다.샘플 크기는 0.1mm *0.2

mm *0.3mm 이다.그림 3-3(위)의 PPMS용 puck에 그림 3-3(아래)처

럼 wire를 contact한 샘플을 붙인다.이 wire를 contact한 샘플을 그림 3-4에

서처럼 puck에 contact한 후 PPMS로 측정했다.

저항의 측정 범위는 5K -400K 이다.자기장을 가해주지 않고 측정을

한 번 하고 9T의 자기장을 가해주고 측정을 한 번 더 하였다.

그림 3-2에서 보듯이 150K -160K 근처에서 기울기가 바뀐다.이 부근

의 온도에서 Cr5S6의 성질은 준강자성에서 반강자성으로 바뀐다.또한,이 결

과값으로 알 수 있는 사실은 자기장을 더 세게 가해 줄수록 반강자성 전이 온

도가 더 낮은 온도로 바뀐다는 사실이다.

그림 3-5는 자기장의 변화에 따른 저항의 변화이다.그림에 나타나있듯이

100K,200K,300K 에서의 변화량은 매우 작다.그러나 150K에서의 변화

량은 약 2% 정도 변화 하는 것을 볼 수 있다.

- 34 -

그림 3-2Cr5S6단결정의 저항 data(at0T,9T)

- 35 -

그림 3-3PPMS용 저항 puck(위)과

저항 측정시 wirecontact모양 (아래)

- 36 -

그림 3-4샘플을 저항 puck에 contact한 모양

- 37 -

그림 3-5자기장에 따른 저항의 변화율

- 38 -

3-3Cr5S6단결정의 자화율

자화율은 PPMS의 VSM 으로 측정하였다.샘플은 그림 3-8의 위 그림 같

은 holder에 GE-vanish를 이용하여 그림 3-8의 아래 그림의 빨간색 네모의

위치에 붙인다.측정은 자기장을 0.1T 가해주고 측정한 후 5T 가해주고 한

번 더 측정 하였다.

온도의 변화에 따른 자화율을 측정하면 그림 3-6에서와 같은 모양이 나타

난다.300K 이상에서는 상자성 성질이 나타나고 300K -150K 에서는 준

강자성 성질이 나타난다.150K 이하에서는 자화율이 다시 작아지는데 이것은

반강자성 성질을 나타낸다.

또,0.1T 와 5T 를 비교해보면 준강자성 전이온도와 반강자성 전이온도

가 차이가 나는 것을 알 수 있다.준강자성 전이온도는 자기장이 0.1T 에 비

해 5T 의 전이온도가 더 높은 온도에서 나타나고,반강자성 전이온도는 자기

장을 5T 가해주었을 때가 더 낮은 온도에서 나타난다.즉,이 두 가지 결과

로 자기장을 더 많이 가해줄수록 준강자성 영역이 넓어짐을 알 수 있다.

그린 3-7은 자기장의 변화에 따른 자화율의 변화량 결과 값이다.저항값

에서도 150K에서의 변화량이 가장 컸는데 자화율 결과에서도 150K에서의

반강자성 성질을 보이는 이중 이력곡선이 보임을 알 수 있다.

- 39 -

그림 3-6Cr5S6단결정의 자화율

- 40 -

그림 3-7자기장에 따른 자화율

- 41 -

그림 3-8PPMSVSM용 샘플 holder

- 42 -

4.결론

지금까지 우리는 단결정 Cr5S6의 구조와 성질에 대해 연구하였다.Cr5S6는

기존의 망간 산화물과는 다른 전이금속 황화물이다.이 전이금속 황화물은 황

의 증기압이 높기 때문에 물질을 합성하기가 어렵지만 자기저항을 가지는 기

존의 산화물과는 다른 독특한 성질 때문에 연구할만한 가치가 있다.

우리는 Cr5S6의 온도의 변화에 따른 저항과 자화율,자기장의 변화에 따른

저항과 자화율을 측정하였다.온도의 변화에 따른 저항과 자화율 결과를 보면

이 물질의 성질은 준강자성 성질과 반강자성 성질이 잘 나타나게 결과가 나왔

다.자기장의 변화에 따른 저항과 자화율을 보면 앞의 결과와 마찬가지로 물

질의 준강자성,반강자성 성질을 볼 수 있고 자기저항의 변화량은 약 2% 정

도 인 것을 알 수 있다.

끝으로 앞으로 이와 같은 황화물에 대한 연구가 많이 필요할 것으로 생각

이 된다.

- 43 -

참고문헌

[1]Y.Tokura (Ed.),ColossalMagnetoresistive Oxides,1999.Gordon &

BreachSciencePublishers,(London),

[2]C.W.Searle,S.T.Wang,Can.1969J.Phys.472023.

[3]K.Kubo,N.Ohata,1972J.Phys.Soc.Jpn.3321.

[4]A.Asamitsu,Y.Moritomo,Y.Tomioka,T.Arima,Y.Tokura,1995

Nature373407.

[5]M.Imada,A.Fujimori,Y.Tokura,1998Rev.Mod.Phys.701039

[6]H.Ohno,2000Nature(London)408,944.

[7]G.A.Prinz,1995Phys.Today48,353.

[8]I.Zutic,J.Fabian,andS.DasSarma,2004Rev.Mod.Phys.76,323.

[9]A.P.Ramirez,1997J.Phys.:Condens.Matter9,8171.

[10]É.L.Nagaev,1996Usp.Fiz.Nauk166,833;1995Usp.Fiz.Nauk165,

529.

[11]M.G.VavilovandI.L.Aleiner,2004Phys.Rev.B69,035303.

[12]A.A.Shashkin,2005Usp.Fiz.Nauk175,139;N.B.BrandtandE.A.

Svistova,1970Usp.Fiz.Nauk101,249;1970Sov.Phys.Usp.13,370.

[13]J.Mira,J.Rivas,andL.E.Hueso,2002J.Appl.Phys.91,8903.

그림 목록국문 요약Abstract제1장 서론1.1. Jahn-Teller Effect1.2. 망간 산화물의 거대 자기 저항1.3 황화물에서의 자기저항1.4 산화물과 황화물의 차이점

제2장 샘플의 합성 및 Cr5S6의 구조2.1 샘플의 합성2.2 Cr5S6의 구조 및 성질

제3장 결과 및 논의3.1 Cr5S6의 XRD3.2 Cr5S6의 저항 3.3 Cr5S6의 자화율

제4장 결론참고문헌