Syntheses, Structures and Physical Properties of Some Low-Dimensional Chalcogenides

Abstract

This study was started to investigate the structural and the physical properties of the transition-metal or rare-earth metal chalcogenide with low-dimensional structure. We synthesized a new phase, YSe_(1.83) by solid state reaction and it has 2-D layered structure which is different from other transition-metal dichalcogenide. The single crystal of YSe_(1.83) could be obtained by chemical vapor phase transport technique with iodine. The substructure of YSe_(1.83) was refined as an isostructure of anti-Cu_(2)Sb-type with tetragonal P4/nmm symmetry and the cell parameters were a=4.011(2)Å c_(sub)=8.261(3)Å. We found that there is the superstructure with c_(super)=2c_(sub)=16.485(5)Å. The electronic and the magnetic property measurements indicate that YSe_(1.83) is an insulator and diamagnetic. These structural and physical properties of YSe_(1.83) are possibly related to the Se defect on the Se layer. Also, 1-D needle shape crystals were synthesized as a minor phase in Y-Se, Gd-Se, Er-Se systems. The needle shape crystals showed the metallic behavior. Intercalation reaction which is the typical chemical property of the layered compound was investigated in layered Mx_(2) (M=Ti, Nb, Ta, and X=S, Se) using hydrated Na^(+) intercalant. Only 2H-TaS_(2) reacted with the intercalant in aqueous solution. It seems that intercalation reaction is affected by the ionic character of MX_(2) layer. Metal (M=V, Nb) intercalation in TaTe_(4) which has 1-D chain structure was attempted, but Ta-(1-x)M_(x)Te_(2)-type solid solutions were prepared instead of intercalated products.;본 연구는 저차원 구조를 갖는 transition-metal 또는 rare-earth meta1 chalcogenide의 성질 연구 및 새로운 화합물을 합성하려는 의도에서 비롯되었다. 본 논문에서는 2-D 판상구조의 성격을 갖는 YSe_(1.83) 및 yttrium, rare-earth metal diselenide합성시 minor phase로 합성된 1-D needle shape crystal에 대해 x-ray 회절법, Raman 분광법, 전기 저항 측정 등의 실험을 통해 구조와 물성을 연구하였다. 또한 저차원 구조를 갖는 물질들의 화학적 특성인 intercalation 반응을 판상구조인 2H-TaS_(2)와 일차원 사슬구조인 TaTe_(4)에 대하여 시도하였다. YSe_(1.83)은 고상법으로 850℃에서 합성하였으며 iodine을 이용하여 chemical vapor phase transport 방법으로 single crystal을 얻었다. Single crystal x-ray diffraction 방법과 powder x-ray diffraction 방법으로 reflection data를 수집하여 각각 SHELX76 program을 이용한 single crysta1 structure refinement 방법과 Rietveld type full-profile refinement 방법으로 구조를 분석하였다. 구조 분석 결과, 이 결정은 tetragonal symmetry (P4/n㎜ Space group)를 가지며, cell parameter는 a = 4.011(2)Å c_(sub) = 8.261(3)Å이었으며, c_(super) = 2c_(sub) = 16.485(5)Å의 superstructure가 존재함을 알 수 있었다. 전기적, 자기적 성질을 측정한 결과 insulator였으며 diamagnetism을 나타냈다. YSe_(1.83)이 superstructure 및 thermal parameter가 비교적 큰 값을 갖는 single crystal structure refinement 결과와 insulator의 전기적 특성을 갖는 현상들은 Se defect에 기인한다고 생각된다. Minor phase인 needle shape crystal들은 Y-Se, Er-Se, Gd-Se 계에서 합성되었으며 전기저항 측정 결과 온도변화에 따른 전기저항의 변화는 metallic behavior를 보였다. 이차원 판상 구조를 갖는 transition-metal dichalcogenide들에 대해 hydrated Na^(+)를 수용액을 이용한 방법으로 intercalation 반응성을 알아보았다. 반응 결과 가장 이온 결합성이 강한 2H-TaS_(2)와만 intercalant가 반응하였으며 수화된 Na^(+)가 van der Waals gap에 intercalation됨으로써 c격자상수의 현저한 증가가 관찰되었으나 원래의 충상 구조는 유지됨을 알 수 있었다. 일차원 사슬 구조를 갖는 TaTe_(4)에서 V, Nb metal을 intercalation시키고자 하였으나, 반응 결과 TaTe_(2)의 Ta대신 V나 Nb가 부분적으로 치환된 solid solution이 생성되었다.