KR102272930B1 - Electride with wigner crystal and menufacturing method of wigner crystal - Google Patents

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Abstract

본 발명은 위그너 결정이 표면에 형성된 전자화물에 관한 것이다. 본 발명의 위그너 결정이 표면에 형성된 전자화물은 극한 조건에서만 형성되던 기존의 위그너 결정들과는 달리 외부 자기장 없이 비교적 높은 온도에서 액체 표면이 아닌 고체 표면에 위그너 결정을 형성할 수 있어, 위그너 결정의 우수한 전기적, 자기적 특성을 이용한 양자 컴퓨팅 계산용 소자, 단전자 트랜지스터, 스위칭 전자소자, 스핀제어 자성소자, 플라즈몬을 이용한 광학소자 등에 활용할 수 있다.The present invention relates to an electronic material having a Wigner crystal formed on its surface. Unlike conventional Wigner crystals that are formed only under extreme conditions, the electronic material on which the Wigner crystal of the present invention is formed can form the Wigner crystal on the solid surface rather than the liquid surface at a relatively high temperature without an external magnetic field. It can be used for quantum computing calculation devices using the excellent electrical and magnetic properties of crystals, single-electron transistors, switching electronic devices, spin-controlled magnetic devices, and optical devices using plasmons.

Description

위그너 결정이 형성된 전자화물 및 위그너 결정의 형성 방법{ELECTRIDE WITH WIGNER CRYSTAL AND MENUFACTURING METHOD OF WIGNER CRYSTAL}ELECTRIDE WITH WIGNER CRYSTAL AND MENUFACTURING METHOD OF WIGNER CRYSTAL

본 발명은 위그너 결정이 형성된 전자화물 및 위그너 결정의 형성 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 위그너 결정을 표면에 형성하는 것을 특징으로 하는 층상형 구조의 전자화물 및 전자화물의 표면에 위그너 결정을 형성하는 방법에 관한 것이다. The present invention relates to an electronic material having a Wigner crystal formed thereon and a method for forming a Wigner crystal, and more particularly, to an electron material having a layered structure, characterized in that the Wigner crystal is formed on the surface, and a Wig on the surface of the electron material It's about how you form crystals.

전자화물(electride)은 전자가 원자핵 주위가 아닌 결정 내부의 빈 공간에 격자 간 전자(interstitial electrons)의 형태로 존재하면서 구성 원소 및 구조적 요인에 상관없이 소재의 기능성을 직접 결정하는 역할을 하는 새로운 물질이다. 전자화물은 낮은 일 함수 및 높은 전자전달 효율, 그리고 높은 자기 엔트로피 변화량으로 인해 전자 방출 소재, 촉매 소재, 자성 소재 등 다양한 분야에 활용이 가능한 물질이다.Electrons are new substances that directly determine the functionality of materials regardless of constituent elements and structural factors, while electrons exist in the form of interstitial electrons in the empty space inside the crystal rather than around the nucleus of an atom. to be. Electron materials are materials that can be used in various fields such as electron emission materials, catalyst materials, and magnetic materials due to their low work function, high electron transfer efficiency, and high magnetic entropy change.

위그너 결정(Wigner crystal)은 전자들이 주기적으로 정렬하여 결정화된 상태, 즉 고체 상태의 전자를 의미한다. 위그너 결정은 액체 헬륨(He) 위에 트랩(trap)된 전자에 의해 최초로 관측되었고, 그 후에 반도체의 이형접합(heterojunction)인 GaAlAs/GaAs의 계면에서도 관측되었다.A Wigner crystal means electrons in a crystallized state, that is, in a solid state, by periodically arranging electrons. The Wigner crystal was first observed by electrons trapped on liquid helium (He), and then also at the GaAlAs/GaAs interface, a semiconductor heterojunction.

그러나 이들은 극한의 조건(액체 헬륨의 경우 1 K 이하, 이형접합의 경우 0.1 K 이하에서 20 Tesla 이상의 강한 자기장 필요)에서만 일시적으로 구현되므로 생성된 위그너 결정의 물성을 제어하는 것은 불가능에 가깝다. 상기의 문제점으로 인하여 위그너 결정을 양자 컴퓨팅(quantum computing) 또는 단전자 트랜지스터(single electron transistor)와 같은 실용적인 전자 및 자기 소자에 응용하는 것은 매우 어려운 실정이다. However, they are only temporarily implemented under extreme conditions (a strong magnetic field of 20 Tesla or more at less than 1 K for liquid helium and less than 0.1 K for heterojunctions), so it is almost impossible to control the properties of the resulting Wigner crystals. Due to the above problems, it is very difficult to apply the Wigner crystal to practical electronic and magnetic devices such as quantum computing or single electron transistors.

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위한 것으로, 표면에 위그너 결정이 형성된 고체 상태의 전자화물을 제공하는 데 있다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to solve the above problems, and it is an object of the present invention to provide an electronic material in a solid state having a Wigner crystal formed on the surface.

또한, 본 발명의 다른 목적은 1 K 미만의 극저온이 아닌 1 K 내지 100 K의 비교적 높은 온도 상태에서 고체인 전자화물 표면에 위그너 결정을 형성하는 방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for forming a Wigner crystal on the surface of a solid electron oxide at a relatively high temperature of 1 K to 100 K rather than a cryogenic temperature of less than 1 K.

본 발명의 일 측면에 따르면, 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 전자화물 및 표면에 위그너 결정을 포함하는 위그너 결정 형성 전자화물이 제공된다.According to one aspect of the present invention, there is provided an electronized material represented by any one of the following Chemical Formulas 1 to 3 and an electronized material for forming a Wigner crystal including a Wigner crystal on the surface.

<화학식 1><Formula 1>

X 2C X 2 C

화학식 1에 있어서, In Formula 1,

X는 Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er 또는 Tb이고, X is Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er or Tb,

<화학식 2><Formula 2>

Y 2N Y 2 N

화학식 2에 있어서,In Formula 2,

Y는 Ca, Sr 또는 Ba이고, Y is Ca, Sr or Ba;

<화학식 3><Formula 3>

ZCl Z Cl

화학식 3에 있어서,In Formula 3,

Z는 Y, La, Zr 또는 Hf이다. Z is Y, La, Zr or Hf.

상기 전자화물은 단결정, 다결정 또는 박막일 수 있다. The electronic material may be a single crystal, a polycrystal, or a thin film.

상기 전자화물은 층상구조이고, 층간에 이차원으로 배열되어 있는 격자 간 전자를 포함할 수 있다. The electronic material has a layered structure and may include interstitial electrons arranged in two dimensions between layers.

상기 위그너 결정의 전자 농도가 108 cm-2 내지 1013 cm- 2 일 수 있다. The Wigner electron density of the crystal is 10 8 cm -2 to 10 13 cm - can be two days.

상기 위그너 결정이 저온의 불활성 가스 분위기 또는 고진공 분위기 하에서 존재하는 것일 수 있다. The Wigner crystals may exist in an inert gas atmosphere at a low temperature or a high vacuum atmosphere.

상기 저온은 1 K 내지 100 K일 수 있다. The low temperature may be 1 K to 100 K.

상기 불활성 가스는 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 제논 및 질소 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The inert gas may include at least one selected from helium, argon, neon, krypton, xenon, and nitrogen.

상기 고진공 상태는 10-11 Torr 내지 10-5 Torr의 진공도일 수 있다. The high vacuum state may be a vacuum degree of 10 -11 Torr to 10 -5 Torr.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, (a) 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 전자화물을 준비하는 단계; (b) 저온의 불활성 가스 분위기 또는 초진공 상태에서 상기 전자화물의 표면을 클리빙하는 단계; 및 (c) 상기 클리빙된 전자화물의 표면에 알칼리 원자를 도징하는 단계;를 포함하는 위그너 결정의 형성 방법이 제공된다. According to another aspect of the present invention, (a) preparing an electron material represented by any one of the following Chemical Formulas 1 to 3; (b) cleaving the surface of the electron material in a low-temperature inert gas atmosphere or ultra-vacuum state; and (c) dosing an alkali atom to the surface of the cleaved electron oxide;

<화학식 1><Formula 1>

X 2C X 2 C

화학식 1에 있어서, In Formula 1,

X는 Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er 또는 Tb이고, X is Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er or Tb,

<화학식 2><Formula 2>

Y 2N Y 2 N

화학식 2에 있어서,In Formula 2,

Y는 Ca, Sr 또는 Ba이고, Y is Ca, Sr or Ba;

<화학식 3><Formula 3>

ZCl Z Cl

화학식 3에 있어서,In Formula 3,

Z는 Y, La, Zr 또는 Hf이다. Z is Y, La, Zr or Hf.

상기 알칼리 원자는 리튬, 소듐, 포타슘, 루비듐 및 세슘 중에서 선택된 1종 이상일 수 있다. The alkali atom may be at least one selected from lithium, sodium, potassium, rubidium, and cesium.

상기 저온은 1 K 내지 100 K일 수 있다. The low temperature may be 1 K to 100 K.

상기 불활성 가스는 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 제논 및 질소 중에서 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다. The inert gas may include at least one selected from helium, argon, neon, krypton, xenon, and nitrogen.

상기 고진공 상태는 10-11 Torr 내지 10-5 Torr의 진공도일 수 있다. The high vacuum state may be a vacuum degree of 10 -11 Torr to 10 -5 Torr.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 상기 위그너 결정 형성 전자화물을 포함하는 전자소자가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided an electronic device including the Wigner crystal-forming electronic material.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 상기 위그너 결정 형성 전자화물을 포함하는 자성소자가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided a magnetic device including the electron oxide forming the Wigner crystal.

본 발명의 다른 또 하나의 측면에 따르면, 상기 위그너 결정 형성 전자화물을 포함하는 광학소자가 제공된다.According to another aspect of the present invention, there is provided an optical device including the Wigner crystal-forming electronic material.

본 발명의 표면에 위그너 결정이 형성된 전자화물은 극한 환경을 요구하는 기존의 위그너 결정들과는 달리 외부 자기장 없이 비교적 높은 온도에서 고체 표면에 위그너 결정을 형성할 수 있어, 위그너 결정 고유의 전기적, 자기적 특성을 이용한 양자컴퓨팅, 단전자 트랜지스터, 스위칭 전자소자, 스핀제어 자성소자, 플라즈몬을 이용한 광학소자 등에 활용할 수 있다. Unlike conventional Wigner crystals that require an extreme environment, the electronic material in which Wigner crystals are formed on the surface of the present invention can form Wigner crystals on a solid surface at a relatively high temperature without an external magnetic field. , quantum computing using magnetic properties, single-electron transistors, switching electronic devices, spin-controlled magnetic devices, and optical devices using plasmons.

또한, 본 발명의 위그너 결정을 형성하는 방법은 1 K 미만의 극저온이 아닌 1 K 내지 100 K의 비교적 높은 온도 상태에서 고체인 전자화물 표면에 위그너 결정을 형성할 수 있다. In addition, the method of forming a Wigner crystal of the present invention can form a Wigner crystal on the surface of a solid electron material at a relatively high temperature of 1 K to 100 K rather than a cryogenic temperature of less than 1 K.

도 1은 본 발명의 위그너 결정을 형성하는 방법을 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1에 따라 제조된 위그너 결정의 전자구조를 각분해 광전자 분광법(angle-resolved photoemission spectroscopy)으로 측정한 결과이다.
도 3은 각분해 광전자 분광법 측정 결과를 토대로 전자화물 표면에 위그너 결정이 형성되는 것을 시뮬레이션 한 결과이다.
1 shows a method of forming a Wigner crystal of the present invention.
2 is a result of measuring the electronic structure of the Wigner crystal prepared according to Example 1 by angle-resolved photoemission spectroscopy.
3 is a simulation result of the formation of a Wigner crystal on the surface of an electron material based on the measurement result of each resolution photoelectron spectroscopy.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and features of the present invention, and methods for achieving them, will become apparent with reference to the embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.

그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다.However, the present invention is not limited to the embodiments disclosed below and may be implemented in various different forms.

본 명세서에서 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.The examples in this specification are provided so that the disclosure of the present invention is complete, and to fully inform those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs, the scope of the invention, and the present invention is defined by the scope of the claims will only be

따라서, 몇몇 실시예에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적 설명이 생략될 수 있다.Accordingly, in some embodiments, detailed descriptions of well-known components, well-known operations, and well-known techniques may be omitted to avoid obscuring the present invention.

본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함하며, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.In this specification, the singular also includes the plural unless specifically stated otherwise in the phrase, and elements and operations referred to as 'comprising (or having)' do not exclude the presence or addition of one or more other elements and operations. .

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적 으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein may be used with the meaning commonly understood by those of ordinary skill in the art to which the present invention belongs.

이하, 본 발명의 위그너 결정이 형성된 전자화물에 대해 상세하게 설명한다.Hereinafter, the electronic material in which the Wigner crystal of the present invention is formed will be described in detail.

상기 위그너 결정이 형성된 전자화물은 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 전자화물 및 표면에 위그너 결정을 포함한다. The electron material in which the Wigner crystal is formed includes an electron material represented by any one of the following Chemical Formulas 1 to 3 and a Wigner crystal on the surface.

<화학식 1><Formula 1>

X 2C X 2 C

화학식 1에 있어서, In Formula 1,

X는 Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er 또는 Tb이고, X is Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er or Tb,

<화학식 2><Formula 2>

Y 2N Y 2 N

화학식 2에 있어서,In Formula 2,

Y는 Ca, Sr 또는 Ba이고, Y is Ca, Sr or Ba;

<화학식 3><Formula 3>

ZCl Z Cl

화학식 3에 있어서,In Formula 3,

Z는 Y, La, Zr 또는 Hf이다. Z is Y, La, Zr or Hf.

상기 전자화물은 단결정, 다결정 또는 박막일 수 있다. The electronic material may be a single crystal, a polycrystal, or a thin film.

상기 전자화물은 층상구조일 수 있다. The electronic material may have a layered structure.

상기 위그너 결정은 전자만으로 이루어진 격자, 즉 전자의 결정을 말하는 것으로 일반적으로 물질을 구성하는 원소의 원자 궤도에 속박되어 있지 않은 전자로 이루어진 결정이다. The Wigner crystal refers to a lattice composed of only electrons, that is, a crystal of electrons, and is generally a crystal composed of electrons that are not bound to an atomic orbital of an element constituting a material.

상기 위그너 결정의 전자 농도가 108 cm-2 내지 1013 cm-2 일 수 있다. The electron concentration of the Wigner crystal may be 10 8 cm -2 to 10 13 cm -2 .

상기 전자화물은 이차원 공간에서 격자 간 전자가 분포되어 있는 이차원 전자화물로, 상기 전자화물을 저온 및 고진공 분위기에서 클리빙(cleaving)하여 상기 전자화물의 표면에 이차원 전자가스를 형성할 수 있다. The electron material is a two-dimensional electron material in which interstitial electrons are distributed in a two-dimensional space, and the electron material is cleaved in a low-temperature and high-vacuum atmosphere to form a two-dimensional electron gas on the surface of the electron material.

상기 이차원 전자가스는 초격자 및 이종 산화물 박막의 계면에서 발생한 것과는 다르게, 물질을 구성하는 원소의 원자 궤도에 속박되어 있지 않는 이차원 전자가스이다. The two-dimensional electron gas is a two-dimensional electron gas that is not bound to an atomic orbital of an element constituting the material, unlike that generated at the interface between the superlattice and the heterogeneous oxide thin film.

상기 이차원 전자가스에 알칼리 원자를 도입(도징, dosing)하여, 이차원 전자가스의 전자밀도를 감소시키는 방법으로 위그너 결정을 형성할 수 있다. By introducing (dosing) an alkali atom into the two-dimensional electron gas, the Wigner crystal may be formed by a method of reducing the electron density of the two-dimensional electron gas.

상기 이차원 전자가스는 이차원 전자가스(electron gas) 및 이차원 전자액체(electron liquid) 전자상태를 통칭한다.The two-dimensional electron gas is collectively referred to as a two-dimensional electron gas (electron gas) and a two-dimensional electron liquid (electron liquid) electronic state.

상기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 전자화물의 화학적 조성비는 제조 방법에 따라 화학양론 조성비를 기준으로 각 원소가 ±5 mol.%의 범위 내의 값을 가질 수 있다.The chemical composition ratio of the electron compound represented by any one of Formulas 1 to 3 may have a value within the range of ±5 mol.% of each element based on the stoichiometric composition ratio according to the manufacturing method.

상기 위그너 결정은 바람직하게는 저온의 불활성 가스 분위기 하에서 존재할 수 있으며, 상기 불활성 가스는 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 제논, 질소 등이 가능하다. The Wigner crystal may preferably exist in an inert gas atmosphere at a low temperature, and the inert gas may be helium, argon, neon, krypton, xenon, nitrogen, or the like.

상기 저온은 1 K 내지 100 K일 수 있다. 100 K를 초과하면 이차원 전자가스가 무너져 위그너 결정이 형성될 수 없다. The low temperature may be 1 K to 100 K. If it exceeds 100 K, the two-dimensional electron gas collapses and Wigner crystals cannot be formed.

상기 위그너 결정은 저온 불활성 가스 분위기 외에도 고진공 상태에서 존재 가능하며, 상기 고진공은 10-11 Torr 내지 10-5 Torr의 진공도일 수 있다. The Wigner crystal may exist in a high vacuum state in addition to a low-temperature inert gas atmosphere, and the high vacuum may be a vacuum degree of 10 -11 Torr to 10 -5 Torr.

이하, 본 발명의 위그너 결정의 형성 방법에 대해 설명하도록 한다. Hereinafter, a method for forming a Wigner crystal of the present invention will be described.

먼저, 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 전자화물을 준비한다(단계 a).First, an electronic material represented by any one of the following Chemical Formulas 1 to 3 is prepared (step a).

<화학식 1><Formula 1>

X 2C X 2 C

화학식 1에 있어서, In Formula 1,

X는 Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er 또는 Tb이고, X is Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er or Tb,

<화학식 2><Formula 2>

Y 2N Y 2 N

화학식 2에 있어서,In Formula 2,

Y는 Ca, Sr 또는 Ba이고, Y is Ca, Sr or Ba;

<화학식 3><Formula 3>

ZCl Z Cl

화학식 3에 있어서,In Formula 3,

Z는 Y, La, Zr 또는 Hf이다. Z is Y, La, Zr or Hf.

다음으로, 저온의 불활성 가스 분위기 또는 고진공 상태에서 상기 전자화물의 표면을 클리빙한다(단계 b).Next, the surface of the electron material is cleaved in a low-temperature inert gas atmosphere or in a high vacuum state (step b).

상기 클리빙은 고체 상태의 막대를 전자화물 위에 고정하고, 고정된 막대에 물리적 충격을 가함으로써 상기 전자화물의 표면을 박리하는 방법이다.The cleaving is a method of exfoliating the surface of the electronic material by fixing a solid rod on the electronic material and applying a physical impact to the fixed rod.

상기 클리빙에 의해 상기 전자화물의 표면에 이차원 전자가스를 형성할 수 있다. A two-dimensional electron gas may be formed on the surface of the electron material by the cleaving.

상기 불활성 가스는 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 제논, 질소 등이 가능하다. The inert gas may be helium, argon, neon, krypton, xenon, nitrogen, or the like.

상기 저온은 1 K 내지 100 K일 수 있다. 100 K를 초과하면 이차원 전자가스가 무너질 수 있다.The low temperature may be 1 K to 100 K. If it exceeds 100 K, the two-dimensional electron gas may collapse.

상기 고진공은 10-11 Torr 내지 10-5 Torr의 진공도일 수 있다. The high vacuum may be a vacuum degree of 10 -11 Torr to 10 -5 Torr.

마지막으로, 상기 클리빙된 전자화물의 표면에 알칼리 원자를 도입한다(단계 c).Finally, an alkali atom is introduced into the surface of the cleaved electron oxide (step c).

좀 더 구체적으로 설명하면, 상기 클리빙에 의해 형성된 이차원 전자가스에 알칼리 원자를 도입하여, 이차원 전자가스의 전자 밀도를 낮추어 위그너 결정을 형성한다. More specifically, by introducing an alkali atom into the two-dimensional electron gas formed by the cleaving, the electron density of the two-dimensional electron gas is lowered to form a Wigner crystal.

상기 알칼리 원자는 리튬(Li), 소듐(Na), 포타슘(K), 루비듐(Rb) 또는 세슘(Cs)이다. The alkali atom is lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), rubidium (Rb) or cesium (Cs).

상기 위그너 결정이 형성된 전자화물은 단전자 트랜지스터, 양자 컴퓨팅 계산용 소자, 스위칭 소자 등 전자소자에 응용될 수 있다. 또한, 상기 위그너 결정이 형성된 전자화물은 스핀 제어 소자 등 자성소자에 응용될 수 있고, 또는 광학소자에 적용될 수 있다. The electronic material in which the Wigner crystal is formed may be applied to electronic devices such as single-electron transistors, devices for quantum computing calculations, and switching devices. In addition, the electronic material in which the Wigner crystal is formed may be applied to a magnetic device such as a spin control device, or may be applied to an optical device.

[실시예][Example]

실시예 1Example 1

Gd와 C를 2 : 1의 몰비(molar ratio)로 정량 배합한 원재료를 고온에서 용융, 합성 후 냉각시켜 Gd2C 전자화물을 제조한다. 합성 분위기는 비활성 기체 또는 10-1 Torr 이하의 압력을 가지는 진공 분위기에서 진행한다. 합성방법은 1,000 ℃ 이상의 고온용 전기로 또는 아크 멜팅 (arc melting) 방법을 이용한다. 합성된 Gd2C를 플로팅 존(floating zone) 또는 초크랄스키(Czochralski)법을 이용하여 단결정 Gd2C로 성장시킨다.Gd and C are mixed at a molar ratio of 2: 1 by melting and synthesizing a raw material at a high temperature, followed by cooling to prepare a Gd 2 C electron. The synthesis atmosphere is conducted in an inert gas or a vacuum atmosphere having a pressure of 10 -1 Torr or less. The synthesis method uses an electric furnace or arc melting method for a high temperature of 1,000 ℃ or more. The synthetic Gd 2 C by using a floating zone (floating zone) or Czochralski (Czochralski) method was grown as a single crystal Gd 2 C.

단결정 Gd2C를 아르곤 가스 분위기의 글러브 박스 안에서 측정에 이용하려는 각분해 광전자 방출 분광측정 장비모델 규격에 맞는 샘플 홀더 크기로 가공하여 시료를 준비한다.Prepare a sample by processing single-crystal Gd 2 C in a glove box in an argon gas atmosphere to the size of a sample holder that meets the standard of each resolution photoelectron emission spectroscopy equipment model to be used for measurement.

준비된 시료를 각분해 광전자 방출 분광측정 장비 챔버에 로딩하고, 10-9 Torr 이하의 압력에서 100 K 이하로 온도를 내린 뒤 온도를 안정화한다. 이후 100 K 이하의 안정화된 분위기에서 상기 언급된 클리빙 방법을 이용하여 시료의 표면을 파단하여 시료 표면에 이차원 전자가스를 형성한다.The prepared sample is loaded into the chamber of a photoelectron emission spectroscopy equipment for each resolution, and the temperature is lowered to 100 K or less at a pressure of 10 -9 Torr or less, and then the temperature is stabilized. Thereafter, the surface of the sample is fractured using the above-mentioned cleaving method in a stabilized atmosphere of 100 K or less to form a two-dimensional electron gas on the surface of the sample.

포타슘(K) 원자를 상기 시료 표면에 도징하면서 각분해 광전자 분광법 측정을 진행하여 그 결과를 도 2에 나타내었다. Angular resolution photoelectron spectroscopy was performed while dosing potassium (K) atoms on the surface of the sample, and the results are shown in FIG. 2 .

실시예 2Example 2

Ca와 Ca3N2를 1 : 1의 몰비로 정량 배합한 원재료를 고온에서 반응시킨 후 냉각시켜 Ca2N 전자화물을 제조한다. 합성 분위기는 비활성 기체 또는 10-3 Torr 이하의 압력 하에서 진행한다. 합성방법은 800 ℃ 이상의 고온용 전기로를 이용한다. A raw material prepared by quantitatively mixing Ca and Ca 3 N 2 in a molar ratio of 1:1 is reacted at a high temperature and then cooled to prepare Ca 2 N electronized material. The synthesis atmosphere is conducted under an inert gas or a pressure of 10 -3 Torr or less. The synthesis method uses an electric furnace for high temperature over 800 °C.

Ca2N를 10-9 Torr 이하의 압력에서 100 K 이하로 온도를 내린 뒤 온도를 안정화한다. 이후 100 K 이하의 안정화된 분위기에서 상기 언급된 클리빙 방법을 이용하여 Ca2N의 표면을 파단하여 Ca2N 표면에 이차원 전자가스를 형성한다.After lowering the temperature of Ca 2 N from a pressure of 10 -9 Torr or less to 100 K or less, the temperature is stabilized. After breaking the surface of Ca 2 N by using the above-mentioned cleaving method in a stabilized atmosphere under 100 K to form a two-dimensional electron gas in the Ca 2 N surface.

마지막으로, 포타슘 원자를 Ca2N 표면에 도징하여 위그너 결정을 형성한다.Finally, potassium atoms are dosed on the Ca 2 N surface to form Wigner crystals.

실시예 3Example 3

La와 LaCl3를 2 : 1의 몰비로 정량 배합한 원재료를 고온에서 고상 반응시킨 후 냉각시켜 LaCl 전자화물을 제조한다. 합성 분위기는 비활성 기체 또는 10-3 Torr 이하의 압력을 가지는 진공 분위기에서 진행한다. 합성방법은 500 ℃ 이상의 고온용 전기로를 이용한다.A raw material prepared by quantitatively mixing La and LaCl 3 in a molar ratio of 2 : 1 is reacted in a solid phase at a high temperature, and then cooled to prepare a LaCl electron. The synthesis atmosphere is conducted in an inert gas or a vacuum atmosphere having a pressure of 10 -3 Torr or less. The synthesis method uses an electric furnace for high temperature over 500 °C.

LaCl을 10-9 Torr 이하의 압력을 가지는 진공 분위기에서 100 K 이하로 온도를 내린 뒤 온도를 안정화한다. 이후 100 K 이하의 안정화된 분위기에서 상기 언급된 클리빙 방법을 이용하여 LaCl의 표면을 파단하여 LaCl 표면에 이차원 전자가스를 형성한다.After lowering the temperature of LaCl to 100 K or less in a vacuum atmosphere having a pressure of 10 -9 Torr or less, the temperature is stabilized. Thereafter, the surface of LaCl is fractured using the above-mentioned cleaving method in a stabilized atmosphere of 100 K or less to form a two-dimensional electron gas on the surface of LaCl.

마지막으로, 포타슘 원자를 LaCl 표면에 도징하여 위그너 결정을 형성한다.Finally, potassium atoms are dosed onto the LaCl surface to form Wigner crystals.

시험예 1: 각분해 광전자 방출 분광법을 통한 전자구조 확인Test Example 1: Confirmation of electronic structure through angular resolution photoelectron emission spectroscopy

실시예 1에 따라 표면에 이차원 전자가스가 형성된 Gd2C를 각분해 광전자 방출 분광법으로 측정하여 도 2에 나타내었다. 감마(Γ) 점 부근에서 포물선(parabolic) 형태의 에너지 밴드(energy band)가 존재하는 것을 확인하였다 (빨간색 사각형으로 표시). 해당 에너지 밴드는 클리빙된 전자화물의 표면에 형성된 이차원 전자가스를 나타낸다. 이후 표면에 포타슘을 도징하여 상기 언급한 에너지 밴드가 점진적으로 사라지는 것이 확인되었다. 이는 이차원 전자가스의 전자밀도가 감소함을 나타낸다. According to Example 1, Gd 2 C having a two-dimensional electron gas formed on the surface was measured by angle-resolved photoelectron emission spectroscopy and is shown in FIG. 2 . It was confirmed that a parabolic energy band existed near the gamma (Γ) point (indicated by a red square). The corresponding energy band represents the two-dimensional electron gas formed on the surface of the cleaved electron material. After that, it was confirmed that the above-mentioned energy band gradually disappeared by dosing potassium on the surface. This indicates that the electron density of the two-dimensional electron gas decreases.

시험예 2: 표면 전자구조 시뮬레이션을 통한 위그너 결정의 형성과정 규명Test Example 2: Identification of the formation process of Wigner crystals through surface electronic structure simulation

이차원 전자 가스의 전자 밀도가 임계치 이하로 감소하면 위그너 결정이 형성된다. 시험예 1에서 이차원 전자가스의 전자 밀도가 감소하여 해당 에너지 밴드가 사라지는 것을 확인하였다. 이 결과를 바탕으로 표면 전자구조 시뮬레이션을 진행하여 전자 밀도 감소로 인하여 위그너 결정이 생성되었는지 여부를 검증하였다.When the electron density of the two-dimensional electron gas decreases below a critical value, a Wigner crystal is formed. In Test Example 1, it was confirmed that the electron density of the two-dimensional electron gas was decreased and the corresponding energy band disappeared. Based on these results, surface electronic structure simulation was performed to verify whether Wigner crystals were formed due to the decrease in electron density.

도 3은 도 2의 각분해 광전자 방출 분광측정 결과를 토대로 표면 전자구조를 시뮬레이션 한 결과이다. 도 2에서 a, b, c로 표기한 측정 결과를 이용하여 시뮬레이션한 표면 전자구조가 도 3의 a, b, c에 해당된다. 또한 표면에 위그너 결정이 형성되었을 때를 가정한 이론적인 계산 결과가 도 3의 우측 그림(Simulation으로 표기)이다. 비정질(amorphous) 구조의 이차원 전자가스 (도3의 a)가 알칼리 이온 도징에 의한 전자 밀도 감소로 인하여 위그너 결정의 형태로 결정화(도3의 c)하는 것을 확인할 수 있다.FIG. 3 is a result of simulating the surface electronic structure based on the results of angular resolved photoelectron emission spectroscopy of FIG. 2 . The surface electronic structures simulated using the measurement results indicated by a, b, and c in FIG. 2 correspond to a, b, and c of FIG. 3 . In addition, the theoretical calculation result assuming that the Wigner crystal is formed on the surface is the right figure (represented by simulation) of FIG. 3 . It can be seen that the two-dimensional electron gas having an amorphous structure (FIG. 3a) is crystallized in the form of a Wigner crystal (FIG. 3c) due to the decrease in electron density by alkali ion dosing.

Claims (16)

하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 전자화물 및 표면에 위그너 결정을 포함하고,
상기 위그너 결정의 전자 농도가 108 cm-2 내지 1013 cm-2 인 것인,
위그너 결정 형성 전자화물.
<화학식 1>
X 2C
화학식 1에 있어서,
X는 Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er 또는 Tb이고,
<화학식 2>
Y 2N
화학식 2에 있어서,
Y는 Ca, Sr 또는 Ba이고,
<화학식 3>
ZCl
화학식 3에 있어서,
Z는 Y, La, Zr 또는 Hf이다.
Including an electron material represented by any one of the following Chemical Formulas 1 to 3 and a Wigner crystal on the surface,
The electron concentration of the Wigner crystal will be 10 8 cm -2 to 10 13 cm -2 ,
Wigner crystal forming electron cargo.
<Formula 1>
X 2 C
In Formula 1,
X is Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er or Tb,
<Formula 2>
Y 2 N
In Formula 2,
Y is Ca, Sr or Ba;
<Formula 3>
Z Cl
In Formula 3,
Z is Y, La, Zr or Hf.
제 1항에 있어서,
상기 전자화물은 단결정, 다결정 또는 박막인 것을 특징으로 하는 위그너 결정 형성 전자화물.
The method of claim 1,
The electron material is a Wigner crystal forming electron material, characterized in that the single crystal, polycrystalline or thin film.
제 1항에 있어서,
상기 전자화물은 층상구조이고, 층간에 이차원으로 배열되어 있는 격자 간 전자를 포함하는 것을 특징으로 하는 위그너 결정 형성 전자화물.
The method of claim 1,
The electron material has a layered structure, and the electron material for forming a Wigner crystal, characterized in that it includes interstitial electrons arranged in two dimensions between the layers.
삭제delete 제 1항에 있어서,
상기 위그너 결정이 저온의 불활성 가스 분위기 또는 고진공 분위기 하에서 존재하는 것을 특징으로 하는 위그너 결정 형성 전자화물.
The method of claim 1,
The Wigner crystal forming electron material, characterized in that the Wigner crystal exists in an inert gas atmosphere at a low temperature or a high vacuum atmosphere.
제 5항에 있어서,
상기 저온은 1 K 내지 100 K인 것을 특징으로 하는 위그너 결정 형성 전자화물.
6. The method of claim 5,
The low temperature is 1 K to 100 K, characterized in that the crystal forming electrons of Wigner.
제 5항에 있어서,
상기 불활성 가스는 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 제논 및 질소 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 위그너 결정 형성 전자화물.
6. The method of claim 5,
The inert gas is a Wigner crystal forming electron material, characterized in that it comprises at least one selected from helium, argon, neon, krypton, xenon, and nitrogen.
제 5항에 있어서,
상기 고진공 상태는 10-11 Torr 내지 10-5 Torr의 진공도인 것을 특징으로 하는 위그너 결정 형성 전자화물.
6. The method of claim 5,
The high vacuum state is a Wigner crystal forming electron material, characterized in that the vacuum degree of 10 -11 Torr to 10 -5 Torr.
(a) 하기 화학식 1 내지 3 중 어느 하나로 표시되는 전자화물을 준비하는 단계;
(b) 저온의 불활성 가스 분위기 또는 초진공 상태에서 상기 전자화물의 표면을 클리빙하는 단계; 및
(c) 상기 클리빙된 전자화물의 표면에 알칼리 원자를 도징하는 단계;를
포함하는 위그너 결정의 형성 방법.
<화학식 1>
X 2C
화학식 1에 있어서,
X는 Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er 또는 Tb이고,
<화학식 2>
Y 2N
화학식 2에 있어서,
Y는 Ca, Sr 또는 Ba이고,
<화학식 3>
ZCl
화학식 3에 있어서,
Z는 Y, La, Zr 또는 Hf이다.
(a) preparing an electron product represented by any one of the following Chemical Formulas 1 to 3;
(b) cleaving the surface of the electron material in a low-temperature inert gas atmosphere or ultra-vacuum state; and
(c) dosing an alkali atom to the surface of the cleaved electron oxide;
A method of forming a Wigner crystal comprising
<Formula 1>
X 2 C
In Formula 1,
X is Gd, Sc, Y, Dy, Ho, Ce, Er or Tb,
<Formula 2>
Y 2 N
In Formula 2,
Y is Ca, Sr or Ba;
<Formula 3>
Z Cl
In Formula 3,
Z is Y, La, Zr or Hf.
제 9항에 있어서,
상기 알칼리 원자는 리튬, 소듐, 포타슘, 루비듐 및 세슘 중에서 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 위그너 결정의 형성 방법.
10. The method of claim 9,
The alkali atom is a method of forming a Wigner crystal, characterized in that at least one selected from lithium, sodium, potassium, rubidium and cesium.
제 9항에 있어서,
상기 저온은 1 K 내지 100 K인 것을 특징으로 하는 위그너 결정의 형성 방법.
10. The method of claim 9,
The low temperature is a method of forming a Wigner crystal, characterized in that 1 K to 100 K.
제 9항에 있어서,
상기 불활성 가스는 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 제논 및 질소 중에서 선택된 1종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 위그너 결정의 형성방법.
10. The method of claim 9,
The inert gas is a method of forming a Wigner crystal, characterized in that it comprises at least one selected from helium, argon, neon, krypton, xenon, and nitrogen.
제 9항에 있어서,
상기 고진공 상태는 10-11 Torr 내지 10-5 Torr의 진공도인 것을 특징으로 하는 위그너 결정의 형성방법.
10. The method of claim 9,
The high vacuum state is a method of forming a Wigner crystal, characterized in that the vacuum degree of 10 -11 Torr to 10 -5 Torr.
제1항의 위그너 결정 형성 전자화물을 포함하는 전자소자.
An electronic device comprising the electronic material for forming the Wigner crystal of claim 1 .
제1항의 위그너 결정 형성 전자화물을 포함하는 자성소자.
A magnetic device comprising the electron oxide forming the Wigner crystal of claim 1 .
제1항의 위그너 결정 형성 전자화물을 포함하는 광학소자.An optical device comprising the electronic material for forming the Wigner crystal of claim 1 .
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