고성능의 거대한 유전율을 만들기 위한 전자로 고정된 결함 이중극

이번 논문 제목은, "Electron-pinned defect-dipoles for high-performance colossal permittivity materials" 입니다. - PUBLISHED ONLINE: 30 JUNE 2013 | DOI: 10.1038/NMAT3691, Nature Materials에 실린 논문입니다.

먼저 제목부터 살펴 보겠습니다.  생소한 용어 들이 많아 배경 지식이 필요할 것 같습니다.
(1) Electron-pinned
pinned라는 핀으로 고정시킨이라는 뜻으로 생각해 보면, 무엇인지 모르지만 어떤 힘이나, 에너지, 물리적인 뭔가로 고정된 전자를 말하는 듯합니다. 또는 '전자로 고정된' 이라는 형용사적인 용어일 것 같기도 합니다. 뒤에 defect-dipoles라고 명사가 있으니 후자의 뜻이 자연스러워 보입니다.
(2) defect-dipoles
'결함 이중극'이라고 번역할 수 있겠는데, 결함 때문에 생기는 +전하와 - 전하가 약간의 간격을 두고 떨어져 있으면서 양극을 이룬 것을 defect-dipole이라고 여겨집니다.
(3) high-performance
흔히 차나 어떤 기계 액션을 만드는 주체가, 빨리 생산하거나 많이 생산해 내는 것을 hight-performance라고 부릅니다. 우리 말로 하면 '고성능'이라는 뜻이겠습니다.
(4) colossal [kə|lɑ:sl][kə|lɒsl]로 한국말로 [컬라:슬]비슷한 발음입니다. 뜻은 거대한, 엄청난 이라는 뜻입니다.
(5) permittivity
[pə́:rmitívəti]발음으로 [퍼:ㄹ미티버티]유사하게 읽으면 되고, '유전율'을 말합니다. 구글 사전에서는 'the ability of a substance to store electrical energy in an electric field.'- '어떤 전기장에서 전기적인 에너지를 저장하는 물질의 능력'이라고 설명하고 있습니다. 유전율이 크다는 것은 같은 전기장을 받아도 상대적으로 더 많은 전기에너지를 저장할 수 있다라고 이해할 수 있습니다.
그래서 high-performance colossal permitivity를 '고성능을 가진 엄청 큰 유전율'이라고 하고, 제목을 한글로 "고성능을 가진 엄청 큰 유전율을 만들기 위한 전자가 고정된 결함 이중극'으로  붙여 봅니다. 반대반향으로 해석하면 전자로 고정되어 다이폴을 이룬 결함이 큰 고성능 유전율을 만든다라고 생각해 볼 수도 있을 것 같습니다.

초록을 살펴보도록 하겠습니다.
첫번재 문장이,
"The immense potential of colossal permittivity (CP) materials for use in modern microelectronics as well as for high-energydensity storage applications has propelled much recent research and development." 입니다.
생소한 단어 부터 알아 보겠습니다.
immense는 형용사로 '어마어마하다'라는 뜻으로 [ɪ|mens][이멘스] 라고 발음합니다. 19세기 말부터 사용빈도가 현저하게 줄어드는 추세입니다. 현재는 0.00100%보다 조금 높은 비율로 사용되는 단어입니다. microelectronics: '초소형 전자 공학 기술', high-energydensity: '높은 에너지 밀도'로 한글로 풀어 적을 수 있겠습니다. 에너지 밀도라는 개념이 되게 추상적이네요. 특정 site(장소, 구역)에, 즉 특정 공간 위치에서 에너지가 높다라는 것을 말하는 것이 아닐까라고 추측해 봅니다.
propelled [prə|pel]은 propel의 과거 분사로 쓰이고 있습니다. '뭔가를 어떤 특정 방향으로 propel한다면, 그것을 그 방향으로 움직이게끔 한다'라는 뜻을 가집니다. 그리고 '만약 뭔가가 당신을 특별한 행동으로 propel한다면, 그 뭔가가 당신을 그 특별한 행동을 하도록 야기시킨다'라는 뜻도 됩니다. 한글말로 표현해 보면, '사람을 특정 상황이나 방향으로 몰고 가다', '앞으로 가게 하다'입니다.
'어마어마한 전기 퍼텐셜 에너지'가 주체가 됩니다. 더 구체적으로 '거대한 유전율을 가진 물질의 어마어마한 전기 퍼텐셜 에너지'가, 더 구체적으로는 '현대 초소형 전자공학 기술공학에서뿐만 아니라 높은 에너지밀도 저장장치를 위한 거대 유전율을 가진 물질의 엄청난 전기 퍼텐셜', 그래서 '이 주체가 많이 최근 연구개발 방향으로 몰아가고 있다.'라고 해석할 수 있겠습니다.

그 다음 문장이,
"Despite the discovery of several new classes of CP materials, the development of such materials with the required high performance is still a highly challenging task." 인데, 해석해 보면,
"거대 유전율을 가진 물질들의 새로운 분류들이 몇몇 발견 되었음에도 불구하고, 그러한 고효율이 요구되는 물질의 개발은 여전히 매우 도전적인 임무이다."  고효율로 만드는 것이 큰 의의가 있음을 시사하고 있습니다.

세번째 문장입니다. 구체적으로 이 논문의 목적을 알려주고 있습니다.
"Here, we propose a new electron-pinned, defect-dipole route to ideal CP behaviour, where hopping electrons are localized by designated lattice defect states to generate giant defect-dipoles and result in high-performance CP materials." - "이 논문에서 우리는 새로운 전자로 고정된, 이상적인 거대 유전율 작용을 보이는 이중 결함 방법을 제시하고 있다. 깡총깡총 뛰는 전자들이 지명된 격자 결함 상태로 국소화되는 곳에서, 거대한 이중 결함들을 만들어내고 고성능 거대 유전율 물질을 만들어 내는 전자로 고정된 이중 결함 방법을 제안한다."

"We present a concrete example, (Nb+In) co-doped TiO2 rutile, that exhibits a largely temperature- and frequency-independent colossal permittivity (>104) as well as a low dielectric loss (mostly <0:05) over a very broad temperature range from 80 to 450 K." -
"구체적인 예를 제시합니다. (Niobium 과 Indium)가 공동으로 투여된 이산화티타늄 러타일을 구체적으로 예로 제시한다. 이것은 아주 온도와 상관없고, 주파수와도 상관없는 거대 유전율(104 초과)도 보여준다. 뿐만 아니라 낮은 유전체 손실를 보여주기도 한다. 매우 넓은 온도 범위 80 켈빈에서 450 켈빈까지의 온도 범위에서 그러한 현상(온도와 독립적, 주파수와 독립적, 낮은 유전체 손실)을 보여주고 있다." 해석을 하면 이런 뜻이 되는데, Nb+In이 마약같이 주입된 TiO2 루타일 구조가 바로 이 논문에서 찾고자 하는 성질을 가진 물질이라고 말하고 있습니다. 거대 유전율과 낮은 유전손실을 가지는데, 온도와 주파수에 영향을 미치지 않는 거대유전율을 가지고, 유전 손실이 낮아서 성능이 높다라는 걸 말해주는 것 같습니다. 필요하면 구체적인 용어에 대해서 더 살펴 봐야 겠습니다.

먼저는 나머지 초록 문장을 보도록하겠습니다. 다섯번째 문장이,
"A systematic defect analysis coupled with density functional theory modelling suggests that ‘triangular’ In3+2 V..O Ti3+ and ‘diamond’ shaped Nb5+2 Ti3+ATi (A=Ti3+/In3+/Ti4+) defect complexes are strongly correlated, giving rise to large defect-dipole clusters containing highly localized electrons that are together responsible for the excellent CP properties observed in co-doped TiO2."
"조직적인 결함 분석, 밀도 범함수 이론 모델링이 투입된 조직적인 결함 분석이 제안하기를  '삼각형의' In3+2 V..O Ti3+ 와 '다이아몬드'모양을 가진 Nb5+2 Ti3+ATi (A=Ti3+/In3+/Ti4+) 결함 단지가 강하게 상호작용하고 있다. 큰 결함 다이폴 클러스터를 만들어 내면서 상호작용을 하고, 매우 국소화 된, 어떤 영역에 갇힌 전자들을 포함하는 이중결함 클러스터를 만들어 내는데, 그 전자들이 함께 공동 도핑된 TiO2에서 훌륭한 거대유전율 속성을 가지게하는 원인이 된다."
국소화된 전자가 중요한 대상이 되는 것처럼 느껴집니다. 클러스터(clusters)는 조밀하게 모여 있는 무리라는 뜻을 가지고 있습니다. 단지(complexes)는 뭔가가 집단을 이루고 있는 특정 구역이라고 해석하면, 결함 다이폴 무리들이 생성되고 생성되고, '삼각형'모양과 '다이아몬드'모양으로 이뤄진 공동 도핑 이산화티타늄(co-doped TiO2) 결함단지가 결함 다이폴 무리들 만는 것으로 이해할 수 있습니다. 여튼 중요한건 매우 국소화된 전자들을 포함하는 큰 결함 다이폴 무리들이 거대 유전율 속성의 원인이 된다라는 사실입니다.

마지막 문장이,
"This combined experimental and theoretical work opens up a promising feasible route to the systematic development of new high-performance CP materials via defect engineering."
feasible 단어를 알아보겠습니다. 발음이 [|fi:zəbl][ˈfēzəb(ə)l]로 한국 발음으로 표현 해 보면 [피:저블]와 비슷합니다. 만약에 뭔가가 feasible 하다면, 그 뭔가가 될 수 있거나, 그 뭔가가 만들어 질 수 있거나, 그 뭔가가 성취될 수 있다라는 뜻을 가지고 있습니다. 한국말로는 '실현가능한'이라는 의미를 내포하고 있습니다.
promising 은  [|prɑ:mɪsɪŋ][ˈpräməsiNG]으로 발음하는데 [프라:미싱]과 비슷합니다.
뜻이, promising한 누군가는 또는 뭔가는 매우 좋게 보이거나 성공적인 것처럼 보인다라는 뜻입니다. 한국말로는 '조짐이 좋은', '유망한', '장래가 촉망되는'이라는 뜻으로 볼 수 있습니다.
그래서 이 문장을 해석해 보면, "'실험과 이론이 합작된 일'가 주체가가 됩니다. 그래서 그 주체가 유망한 실현가능성이 있는 길을 연다.
어떤 길을 여냐면, 체계적인 개발의 길인데, 결함 공학 기술을 통하여서 새로운 고성능 거대 유전율 물질을 위한 체계적인 개발를 향한 유망하고 실현가능한 길을 '실험과 이론이 합작된 일'이 열고 있다.", 다소 상투적인 말이 아닐까 생각이 듭니다.

그림과 그래프를 살펴보겠습니다.

그림 제목이 "Figure 1) Frequency dependences of the dielectric properties." 입니다.
그림 1) 진동수 의존성에 따른 유전 성질 - 진동수에 따라서 물질의 유전율이 어떻게 달라지는지 보여주는 그림입니다. dielectric 은 절연체, 연결을 짜르는 물체라고 생각해 봅니다. 그래서 소리전달, 열전달 을 못하게 하는 물체, 특히 전기 전달을 못하게 물체를 절연체라고 합니다. 아주 전달을 못하도록 하는 상황은 이상적인 경우이고, 현실적인 측면에서 설명하면 전달성이 아주 형편없는 수준을 가진 물질도 절연체라고 부릅니다. 그 전달성에 관한 기준은 애매할 듯합니다.
하여튼, 그림에서 눈에 띄는건, (Nb + In) 농도가 높아져서 10%가 되었을 때, 유전율도 높고, 진동수 10^5Hz까지 진동수 영향을 거의 받지 않음을 볼 수 있습니다.
그림 설명 그 다음 문장에서,
"Dielectric permittivity and dielectric loss tangent (tan δ) of (Nb+In) co-doped rutile TiO2 at room temperature." -> "유전체 유전율과 유전체 손실 탄젠트, 즉 실온에서 TiO2 러타일에 (Nb+In)을 공동 도핑한 (Nb+In)가 이루는 각도  δ가 의미하는 유전체 손실." 문장이 아닌 주체만 길게 표현한 문구인것 같습니다. 동사를 찾을 수 가 없네요. '손실 탄젠트' 개념을 더 자세히 알 필요가 있을 것 같은데, 본문 내용에서 나중에 알아봐야겠습니다.

현대 관점에서는 틀렸지만 지금도 사용되는 훌륭한 고전 금속 모델들

Even the earliest models though strikingly wrong in some respects remain when properly used of immense value to solid state physicists today.
- Ashcroft Mermin 고체 역학

immense [ɪ|mens]: If you describe something as immense, you mean that it is extremely large or great. -> 만약 당신이 뭔가를 immense로 묘사한다면, 극단적으로 엄청나게 크거나 많다는 것을 의미한다. -> 엄청난, 어마어마한

심지어 일찍이 선보였던 모델들은 몇몇 관점에서는 현저하게 잘못된 것이었지만, 오늘날 고체 물리학자들에게 적절히 사용되는 어마어마한 가치로 남아 있다.

아나타제 이산화 타이타늄안에 있는 고유결함에 대한 제일원리 연구 - 리뷰(Review)

제목이, "First-principles study of native defects in anatase TiO2" 입니다. - PHYSICAL REVIEW B 73, 125205 (2006)

초록(Abstract) 내용을 보면서 어떤 이야기를 하고 있는지를 가늠해 보겠습니다.
제목에서 눈에 띄는 용어가 'native defects'입니다. 한글말로는 '고유결함'이라고 말합니다. 먼저 이 고유결함이라는 개념을 생각해 봐야겠습니다. 네이티브 스피커라하면 현지에서 살고 있는 사람들이 쓰는 언어를 사용하는 사람을 말하는 것을 생각해 봤을 때, 외부적으로 결함을 만들어 주지 않아도 원래부터 존재하는 결함을 말하는 것 같습니다.

초록 첫번째 문장에서 어떤 연구분야에 속하는지를 잘 말해주는 듯합니다.
'Native point defects in anatase TiO2 are investigated by using first-principles pseudopotential calculations based on density-functional theory (DFT)'
밀도 범함수 이론을 기본으로 해서 제일원리 수도포텐셜 계산을 수행했네요. 핵심어는 Native point defects 이지만 고체과학에서 TiO2를 주제로 정하고 있습니다. TiO2중에서도 아나타제라는 것을 염두해 둬야겠습니다.

'Antisite defects, namely, Ti-antisite (TiO) and O-antisite (OTi), have high formation energies and are hence unstable. ' 두번재 문장인데, 고유결함과 상반되는 개념을 소개하고 있습니다. 'Antisite defects'인데 '반구역 결함'이라고 스스로 별명을 지어 보았습니다. 다음 문장에 왜 상반되는 지를 알 수 있습니다. 형성에너지와 관련이 있습니다.

세번째 문장입니다. 형성에너지에서 '반구역 결함'과 상이하게 다른 특징을 강조하고 있습니다. 'In contrast, all other fundamental native defects (Tii, Oi, VTi, and VO) have low formation energies.' 해석해 보면, '다른 근본적인 네이티브 결함들(추가된 Ti원자, 추가된 O원자, 제거된 Ti원자, 그리고 제거된 O원자)은 낮은 형성에너지를 가진다.' 고유 결함이 형성에너지가 낮다고 하네요. 그러한 구조로 형성되기가 상대적으로 '반구역 결함'보다는 훨씬 쉽고, 에너지가 낮기 때문에 이런 결함이 될 가능성이 크고, 잘 만들어 지기 때문에 연구할 가치가 있다라고 보면 어떨까 라고 짐작해 봅니다.

다섯번재 문장입니다.
'Interstitial oxygen (Oi) would spontaneously and strongly bind to lattice oxygen, resulting in a neutral O2 dimer substituting on one O site.' - '주입된 산소는 자발적으로 그리고 강하게 격자 산소에 결속 되곤한다. 한개의 산소 구역에서 중성 O2 이합체를 대체하는 결과를 가져오면서 주입된 산소는 자발적이면서도 강하게 격자 산소에 결속 되곤한다.' 왜 조동사 would를 썼는지 의문이 듭니다. 불확실한 가정을 하는 것일까요? 영어 문법을 더 알아 봐야겠습니다.


여섯번째 마지막 문장입니다.
'None of the four low-energy defects have energy levels inside the DFT band gap.' - '
가장 낮은 에너지 순으로 낮은 에너지를 가지는 결함구조 4개는 DFT 에너지 띠 간격 안에서 에너지 레벨을 가지지 않았다.' 여기서 four low-energy defects란 어떤 것을 말하는 걸까요? 문득 위에서 언급한 네이티브 결함들이 떠오르네요. [주입된 Ti원자, 추가된 O원자, 제거된 Ti원자, 제거된 O원자]. 그 이유가 낮은 형성에너지를 가지는 것과 연관이 있는 듯합니다. 형성에너지가 낮아 쉽게 그 4가지 결함들이 생길 수 있고, 그 결함들이 dominant하게 시스템에 에너지에 영향을 주는게 아닐까라는 생각이 듭니다.

아나타제 이산화 타이타늄을 제일원리로 계산해서 전자구조를 살펴보면서 논지를 전개해 나갈 듯합니다. 각 결함 시스템을 보여주는 결정구조 그림이 있을것 같고, 상태밀도, 에너지 밴드갭 그림이 기본적으로 있을 것 같습니다. 형성에너지가 글의 논지에서 중요한 물리적인 양이기 때문에 각 시스템에 대한 형성에너지를 계산해서 그래프를 그려 넣을 것 같습니다. 그래서 왜 형성에너지가 낮은지 설명을 할까요? 본문 내용을 봐야할 것 같습니다.


초록 다음으로 그림들을 살펴 보겠습니다. 첫번째 그림이 그래프 데이터입니다.

그림을 설명하는 코멘트입니다.
"Graphic illustration of thermodynamic growth conditions for TiO2, i.e., the allowed values of the atomic chemical potentials, μTi and μO. "
i.e. 라는 단어를 알아 보겠습니다. 원래 라틴어 id est [id-ést]로 '즉', '다시 말하면'이라는 뜻을 나타냅니다. i.e. 앞 내용은 'TiO2에 대한 열역학적인 성장 조건을 나타내는 그림 설명'입니다. 뒤에 더 구체적인 설명이 뒤따르고 있습니다. '원자 화학 퍼텐셜(Ti 화학 퍼텐셜, O 화학 퍼텐셜)에서 허용된 값들'이라고 그림 제목을 붙이고 있습니다.
세가지 물질에 대해서 직선 그래프를 형성하고 있는데, X축은 티타늄 화학 퍼텐셜 에너지, Y축은 산소 화학 퍼텐셜 에너지, 그래서 직선 위에 있는 (x,y)인 경우에만 열역학적으로 물질을 성장시킬 수 있는다는 의미로 풀이됩니다. TiO2가 제가지 물질의 경우에서, 같은 O 또는 Ti 화학에너지에 대해 낮은 에너지를 가지는 사실을 알 수 있습니다. 그래서 기울기 절대값이 작습니다.

계속해서 따라오는 설명이, "The dot-dashed horizontal and vertical lines indicate the upper bounds determined by the natural phases of Ti and O, respectively. "그림에서 파랑색으로 된 선이 최대값을 나타내는데, 오른쪽 수직으로 -8.5eV 값을 긋는 선이 Ti의 최대 화학 퍼텐셜 에너지, 위쪽 수평으로 -5.3eV 값을 긋는 선이 O의 최대 화학 퍼텐셜 에너지를 나타내는 표시선이라는 뜻인 듯합니다. upper bound가 사전적으로는 '상계'라고 하는데 말이 어렵네요. '상한값'이라고 하면 조금 이해하기 쉬워 보입니다.

위 그림에 대한 마지막 설명문입니다. "Equilibrium growth of TiO2 takes place for μTi and μO lying on the solid line, whereas equilibrium growth of Ti2O3 and TiO takes place for μTi and μO lying in the dashed and dotted lines, respectively." Equilibrium growth(균형 성장)가 직감적으로는 TiO2나 물질이 만들어지는 환경을 말하는데, 여기서 화학 퍼텐셜 에너지로 변수로 둔 것같습니다. 결정 성장과 무슨 관계가 있는지 그리고 결정 성장과 화학퍼텐셜 에너지가 무슨 관계가 있는지 알고 싶어지는 대목입니다. 그림을 예측한대로 각 물질이 만들어지는 조건이 되는 점을 이는 선입니다. 직선을 형성한다는 점이 특이해 보입니다.

원자 구조를 나타내는 그림들이 있습니다. 이 논문에서 다루는 구조들을 나열해 놓고 있습니다.

bulk anatase TiO2
아나타제의 기본적인 구조입니다. 아무런 결함이 없는 이상적인 아나타제 이산화 타이타늄 구조입니다.

Tii 4+
기본 아나타제 이산화 타이타늄에 Ti 원자 하나를 주입시킨 구조입니다.
그런데 왜 원자가가 4+가 된 걸까요? 전자 4개 사라졌다는 건데 어디로 갔을까요? Ti 원자는 원자번호가 22번입니다. [Ar]3d²4s² 로 최외각에 4개의 전자가 있고 이 전자 4개를 떨쳐 내면 4+ 전하 상태가 됩니다. 산소는 최외각에 6개의 전자가 있어서 2개를 더 가지려고 한다고 생각하면, 음.. 추측하기가 어렵네요.
주입된 Ti원자가 5개의 산소 원자와 결합되어 있는 것을 볼 수 있습니다. 주입된 Ti가 위에 있는 산소원자 한개를 자기 쪽으로 끌어 왔습니다. 그리고 주위 Ti 원자들이 벌어지면서 주위가 팽창되는 듯합니다.

VTi 4-
Ti 원자 하나가 제거된 결함의 구조입니다. 이 경우는 전하가 (-4)를 띄고 있습니다. 전자 4개가 어디서 들어 왔는지 의문입니다. Ti 원자 자리가 공백이 되는데 주위 산소 원자들이 서로 멀어지는 현상입니다.

(O2)O
산소하나가 주입된 경우인데 기존에 있던 산소와 결합하면서 dimer로 붙어 있는 구조를 보여주고 있습니다.

VO 2+
산소 원자 한개가 제거된 구조입니다. 전하가 2+로 전자 두개가 제거된 구조입니다.

서론에서 예측한대로 형성에너지 데이터를 그래프로 보여주고 있습니다.

위 그림에서 각각의 결함 구조에 대한 형성에너지를 그래프로 나타나 있습니다. 어떤 공식에 따라서 형성에너지를 도출했는지 점검해 봐야겠습니다. 그리고 Ti-rich와 O-rich 조건에 대해서도 알아봐야 겠습니다.

"The Fermi energy, referenced to the top of the valence band, is all the way to the experimental band gap." 그림 설명 중에 이런 코멘트가 있습니다. 페르미 에너지에 대한 일반적인 설명을 말하는 듯합니다. "밸런스 에너지 밴드 띠에서 가장 높이 있는 에너지 준위를 페르미 에너지인데, 페르미 에너지가 실험적인 밴드갭 에너지까지 도달해갔다" 즉 X좌표에서 0을 밸런스밴드 최고 에너지 준위로 놓고 밴드갭 에너지에 이르기까지 변화시키면서 형성에너지 데이터를 그래프로 그렸다는 의미인 듯합니다. "The vertical dotted line is the calculated band gap at the special k-point." -> 3eV정도가 실험적인 에너지 밴드갭이라고 추정해 봅니다. 그리고 초록색 점선으로 수직으로 그려진 직선을 볼 수 있는데, X축과 만나는 2.25 eV되는 값이 계산으로 도출된 에너지 밴드갭이라고 설명하고 있습니다. 그런데 X축이 페르미 에너지값인데, 외부에서 에너지를 가해주면 이 값도 변하게 되는 걸까요? 그래서 외부에서 2.25 eV정도의 에너지를 가해주면 페르미 에너지도 2.25eV 더 높게 되고, 그래서 형성에너지도 변하게 되는 것일까요? 이런 논리라면 외부에너지가 가해지지 않았을 때, 즉 X축 값이 0eV일때 Tii(주입된 타이타늄이 들어간 결함시스템)이 형성에너지가 제일 낮으니, Tii 결함 구조가 되는 것이 더 쉽고, 2.25eV에서는 Ti-rich에서는 Tii, O-rich에서는 VTi 결함구조가 되기가 쉽다라고 이렇게 해석하면 될까요?

형성에너지에 대해서 테이블로 일목요연하게 정리를 해 주었습니다. 

"For the Ti-rich case, we have taken into account the formation of
Ti2O3, which has a lower energy than the Ti metal." ->
특이한건 Ti-rich 경우, Ti2O3의 형성구조를 고려했다고합니다. 그리고 Ti2O3가 Ti 금속보다도 낮은 에너지를 가진다고 합니다. 최대한 낮은 Ti 에너지를 찾는 과정에서 Ti2O3가 선택된 것 같습니다.

마지막으로 상태밀도 그래프 그림입니다. 밴드갭 그래프가 나올 줄 알았는데, 상태밀도 그래프로 전자 에너지 구조를 표현하고 있습니다.

"Site decomposed electron density of states (DOS)" - 그림 제목이 {분해된 전자 상태 밀도 영역"이라고 붙여 봅니다.
"For each atom center, the local partial DOS in a sphere radius R (Ti:R=1.48 Å and O:R=0.74 Å) is calculated." 두번째 코멘트 문장입니다. "각 원자 중심에서, 구 반경 R 내부에서에의 국소 부분 도스(타이타늄 원자구 반경=1.48 옴그스트롱, 산소 원자구 반경=0.74 옴그스트롱)"

다음은 (a) 그림에 대한 설명입니다.

"(a) Bulk TiO2, where the solid line is the total DOS, the dashed line is the DOS on Ti, and the dotted line is the DOS on O." - 일반적인 아나타제 물질에 대한 도스구조를 나타내고 있습니다. 전체 도스, 타이타늄, 산소에 대한 도스를 그려놓고 있습니다.

"(b)–(e) Native defects where the shaded area is the DOS on the atoms directly related to the defect (scaled up by a factor given in parentheses for clarity) and the solid line is the DOS on the remaining atoms in the supercell." - 그림 (b)에서 (e)까지 4가지 결함 구조에 대한 도스 그래프로 그늘진 부분(빨간색이나 파란색으로 색칠한 부분)이 결함과 직접적인 관련이 있는 원자들에 대한 상태밀도이고, 선으로 그려진 그래프는 슈퍼셀에서 결함과 관련이 없는 남아 있는 원자들에 대한 상태 밀도라고 설명하고 있습니다. 그리고 그림에서 괄호로 표시된 부분은 명료성을 위해서 괄호 안의 숫자만큼 확대되었다라는 것을 말해주고 있습니다. 토탈 도스 그래프는 결함이 있던 없던 거의 비슷한 형태를 이루고 있습니다. 그래서 bulk TiO2와 다른 형태가 있는 부분이 바로 결함의 영향이라고 봐야하겠습니다. 그리고 에너지의 기준이 되는 VBM, 균형 밴드 최대값을 0 eV로 두고 초록색 수직선으로 표시를 해 두었습니다. - "Vertical dash-dotted line indicates the position of the VBM."
3번째, 그리고 4번째 그림이 제일 중요한 데이터로 여겨집니다. 자세한 설명은 논문 본문을 봐야할 것 같습니다.

지금까지 초록과 그림및 테이블 데이터만 가지고 이 논문의 논지를 예측하고 이해해 보려고 했는데, 실제로 본문을 통해서 알아 보도록 하겠습니다.

introduction 소개글에서 문제제기를 던주는 글을 가지고 와봤습니다.
"There is a rich literature describing the attempts to chemically dope TiO2 in order to reduce the band gap, but how to best manipulate the gap while maintaining the beneficial photocatalytic properties is still an unresolved challenge." - "풍부한 문헌이 많이 있다. 어떤 문헌이냐면 밴드갭을 줄이기 위해서 TiO2에 화학적으로 주입하는 시도를 설명하는 문헌들이 많이 있다. 그러나 광촉매 성질의 장점을 유지하면서 밴드갭을 조정하는 최상의 방법은 여전히 풀리지 않은 도전과제로 남아 있다."
이렇게 해석할 수 있겠는데, 이 광촉매 성질을 유지하면서 밴드갭 조정에 대한 도전이 되는 논문이 되겠구나라는 걸 가늠하게 합니다.

Antisite Defects - 규칙적인 공간 배열에서 벗어난 배치때문에 야기되는 결함

Antisite Defects에 대해서 알아보겠습니다.
Anti-site로 site와 구분할 수 있겠는데, 먼저 site라고 하면,  현장, 장소를 말합니다.

site에 대해서 영영사전으로 통해서 알아보겠습니다.
'A site is a piece of ground that is used for a particular purpose or where a particular thing happens.' - '어떤 site란 땅의 한 조각을 말하는데 특별한 목적을 위해서 사용되거나 특별한 일이 일어난 장소를 위해서 사용된다.'
'The site of an important event is the place where it happened.' - '어떤 중요한 사건의 site란 그 사건이 일어난 장소를 말한다.'
'A site is a piece of ground where something such as a statue or building stands or used to stand.' - '어떤 site란 역시 땅의 한 부분을 말하는데 조각상이나 빌딩같은 것들이 세워져 있는 장소나 또는 세우기 위해서 사용되는 장소의 한 부분이다.'
역시 뭔가가 일어나거나 특별한 장소를 site라고 사용하면 될 듯합니다.

다음으로 Anti라는 말을 다시 한번 점검해 보겠습니다. 한국말로는 '안티'라는 말로 악명높게 사용되고 있는 것 같습니다. 그다지 좋은 쪽으로 사용하지 않는데, 일반적으로 '반대하는', '좋아하지 않는' 뜻을 가지고 있습니다만, 중립적인 의미도 있는 것 같습니다.
영영 사전으로는 'Anti- is used to form adjectives and nouns that describe someone or something that is opposed to a particular system, practice, or group of people.' - 'Anti-는 형용사와 명사를 형성하기 위해서 사용되는데, 어떤 사람이나 물건을 묘사할 때 사용된다. 어떤 특별한 시스템이나 관행, 어떤 그룹으로 모인 사람들을 반대하는 사람이나 뭔가를 묘사하는 형용사나 명사를 만들기 위해서 사용된다'. 그래서 반대되는 시스템이라고 여기도록 하겠습니다.

그래서 Anti-site는 기존 관례적인 현장과는 반대되는 현장이라고 해석할 수 있겠습니다. 이렇게해서 Anti-site Defect는 이렇게 규칙적인 공간 배열에서 벗어난 배치때문에 야기되는 결함으로 정의할 수 있겠습니다.

위키피디어에서는 이렇게 설명하고 있습니다.
"Antisite defects occur in an ordered alloy or compound when atoms of different type exchange positions. For example, some alloys have a regular structure in which every other atom is a different species; for illustration assume that type A atoms sit on the corners of a cubic lattice, and type B atoms sit in the center of the cubes. If one cube has an A atom at its center, the atom is on a site usually occupied by a B atom, and is thus an antisite defect. This is neither a vacancy nor an interstitial, nor an impurity." 비교적 상세하게 설명을 해 놓은 것 같습니다. 해석해 보면, "Antisite defects는 정렬된 합금이나 화합물에서 일어난다. 언제 일어나냐면, 다른 타입의 원자들이 위치를 맞바꿀때 일어난다. 예를 들어, 어떤 합금들은 규칙적인 구조를 가지고 있는데, 다른 모든 원자들은 다른 종류의 원자들을 가지고 있는 구조라고하자. 그림으로 그려보면, A타입 원자가 큐빅 격자의 코너에 앉아 있다고 하고, B타입 원자들은 큐빅 중앙에 있다고 하자. 만약 한 큐브가 중앙에 A 원자를 가지고 있다면 그 원자는 보통 B 원자로 채워진 장소에 있다. 따라서 그 원자는 antisite 결합이다. 이 것은 공백도 아니고 추가도 아니고 불순물도 아니다."


Antisite defects, namely, Ti-antisite (TiO) and O-antisite (OTi), have
high formation energies and are hence unstable. - PHYSICAL REVIEW B 73, 125205 (2006)
이 문장을 해석 해 보면 "Ti-antisite와 O-antisite 두 antisite 결합은 높은 형성에너지를 가지고 있어서 불안정하다."라는 뜻이 되겠습니다. Ti-antisite란 원자 배열에서 한 구역에 O가 있어야 할 자리에 Ti가 있는 곳에서의 Ti 원자를 말하고, 마찬가지로 O-antisite는 규칙적인 원자 배열에서 한 영역이 Ti가 있어야하는데 O가 차지한 현장에서 바로 그 O 원자를 말합니다.