Syntheses and Characterizations of Rare Earth Ditelluride SmTe_(1.84) with Anti-Cu_(2)Sb type Structure

Abstract

본 연구에서는 charge density wave(CDW) 현상을 나타내는 저차원성 물질 SmTe_(2-x)의 결정구조와 물성과의 관계를 규명하였다. Flux method에 의해 합성된 SmTe_(2-x)는 rock-salt type의 SmTe층과 순수한 Te층이 하나씩 교대로 쌓여져 있는 구조를 가지며 single crystal x-ray diffraction 분석한 결과 cell parameter a=9.709A°, c=18.007 A°, z=20의 tetragonal system으로 space group P4_(2)/n을 갖는다. 이 unit cell은 anti-Cu_(2)Sb type에 대해서 a'=a+2b, b'+-2a+b, c'=2c의 superstructure cell이다. Rare earth metal polychalcogenides Rx_(n)(R=rare earth metal:X=S, Se, Te : n=2, 2.5,3) 화합물에서 chalcogen layer의 구조적 특성은 그 물질의 물리적 특성에 큰 영향을 미친다. 전기저항 측정 결과 온도 변화에 Efms 전기저항의 변화는 semiconducting을 나타냈다. Distortion이 존재하지 않는 희토류 하합물, 예를 들어 LaTe_(2)의 경우는 이상적인 anti-Cu_(2)Sb type을 가지며 Te 층은 distortion이 없는 4-fold의 square인 반면 SmTe_(2-x)의 경우 Te층에서 distortion의 결과로 Te-Te dimerization 과 defect가 동시에 발견되었다. 이러한 Te 층의 구조적 distortion은 semiconducting의 원인이라 볼 수 있다. RX_(n)화합물에서 dimer를 가지는 X층의 구조는 그 dimer의 orientation에 따라 에너지면에서 최소값을 갖는 solution을 찾을 수 있다. 본 실험에서 얻어진 stoichiometry를 고려할 때, Te층의 distortion이 전혀 없는 이상적인 Te층에 대해 √5×√5배의 supercell을 SmTe_(2-x)의 unit cell로 고려할 수 있고, 이 경우 이론적으로 3종류의 안정된 결정구조 solution이 가능하다. 본 연구에서는 이들 중 에너지면에서 안정한 2종류의 solution이 동시에 한 단결정 안에 존재하는 것이 발견되었으며 또한 이 solution들은 그 안정도에 따라 그 존재 비율이 다름을 알 수 있었다, SmTe_(2-x)의 합성 중에 이와 약간 stoichiomet교가 다른 Sb_(2)S_(3) - type Structure를 가지는 SM_(2)Te_(3)가 합성되었다. 이 물질은 이미 잘 알려진 물질로 반응 온도에 따라 Sb_(2)S_(3) 또는 defect가 있는 P_(4)Th_(3)-type의 구조를 갖는다 본 연구에서 합성된 Sb_(2)S_(3) - type의 Sm_(2)Te_(3) 구조는 찌그러진 rook-salt 구조인데 이것은 SmTe_(2-x)의 SmTe층(rock-salt type) 구조와 매우 유사하였다, 이와 같이 똑같은 반응 조건하에서 두 증류의 물질이 합성될 수 있는 원인은 SmTe_(2-x) 합성 중에 Te층의 불안정성으로 인해 Te 층이 깨지고 이때 SmTe slab에 있는 metal 떨어져 나와서 distorted rock-salt type인 SmTe에 defect가 생기게 되어 결국 Sm_(2)Te_(3)가 만들어짐을 예측할 수 있었다. 또한 RX_(n) 화합물 중 하나인 R_(2)X_(3)는 그 구조를 결정하는데 있어서 희토류 금속의 이온반지름의 크기가 중요한 요소로 작용함을 알 수 있었다.;In this study, the structure of low-dimensional chalcogenide SmTe_(2-x) was determined and a relationship between crystal structure and physical properties was discussed. The single crystal of SmTe_(1.84) synthesized by flux method has a coffin-lid like shape and black color. SmTe_(1.84) crystallizes in space group P42/n of the tetragonal system with cell dimensions a=9.709(1), c=W 8.007(7) and V=1697.5(2), Z=20, which are √5×√5×2 times of anti-Cu_(2)Sb type tetragonal subcell structure (a'=a+2b, b'=-2a+b and c'=2c). Structure of SmTe_(1.84) is comprised of planar tellurium square lattices alternating with distorted rock-salt layers. It is known that structures of chalcogen layer in rare earth metal polychalcogenides RX_(n)(n=2,2.5,3) affect on physical properties. The electrical resistivity dependence on temperature indicates that SmTe_(1.84) is semiconductor. LaTe_(2) is metallic which has ideal anti-Cu_(2)Sb type structure and Te layers with 4-fold square; but SmTe_(1.84) has Te-Te dimers and defects in Te layer. Therefore, the semiconducting property in SmTe_(1.84) seems to be due to structural distortions in Te layer. From the results of calculation base on second moment tight binding method, S. Lee et al., suggested that there are three energetically stable superstructures in R_(20)X_(19) system (R=rare earth metal, X=chalcogens). Two superstructures of the three were found to be coexist in SmTe_(2-x). In an attemption to prepare SmTe_(2-x), Sm_(2)Te_(3) with Sb_(2)S_(3) type structure was obtained. Usually R_(2)Te_(3)(R=rare earth metal) has commonly one of the three structures, P_(4)Th_(3), Sb_(2)S_(3) and Sc_(2)S_(3), which are commonly distorted NaCl structure. The limits of stability in different structures could be understood qualitatively in terms of the radius of rare earth metal and synthetic temperature. It is known that Sm_(2)Te_(3) could have one of two structures depending on temperature, i, e., it crystallizes one-dimensionally with Sb_(2)S_(3) type at low temperature and with three-dimensionally with P4Th3 type at high temperature. Sm_(2)Te_(3) with Sb_(2)S_(3) - type structure and SmTe_(1.84) have structural similarity. In both structure, rare earth metals have 5 coordinates. The structural similarity in this two system seems to be related with instability of Te layers. During the synthesis SmTe_(1.84), instability of Te layer drive destruction of Te layer and reduction of metal in SmTe slab. We suggest that Sm_(2)Te_(3) is made through this mechanism.