고체물리학
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1. 개요
고체물리학은 고체의 물리적 성질을 연구하는 물리학의 한 분야이다. 1940년대 미국물리학회 내에 고체물리학부가 설립되면서 독립적인 분야로 등장했으며, 이후 반도체, 초전도체, 핵자기공명 연구를 통해 발전했다. 결정 구조, 결정 결함, 포논, 전기적 특성 등을 연구하며, 현대에는 고온 초전도체, 준결정, 이차원 물질, 나노 물질 등 다양한 연구 주제를 다룬다. 연구는 이론적 접근과 실험적 접근으로 이루어지며, 전기적, 자기적, 열적, 역학적 현상 등 다양한 측면을 탐구한다.
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| 고체물리학 | |
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| 고체물리학 | |
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| 학문 정보 | |
| 학문 분야 | 물리학 |
| 주요 개념 | 고체 결정 구조 에너지 밴드 포논 전자 구조 상호 작용 |
| 파생 분야 | 재료과학 나노기술 응축물질물리학 반도체 물리학 |
| 관련 직업 | 연구원 기술자 엔지니어 |
2. 역사
고체의 물리적 성질은 수세기 동안 과학적 연구의 일반적인 주제였지만, 1940년대 미국물리학회 내에 고체물리학부(DSSP)가 설립되면서 "고체물리학"이라는 별개의 분야가 등장하였다.[1][2] 고체물리학은 고체 연구를 통해 가능해진 기술적 응용과 관련되게 되었다.
제2차 세계 대전 후, 영국, 독일, 소련 등 유럽에도 많은 고체물리학자 공동체가 등장했다.[3] 미국과 유럽에서 고체물리학은 반도체, 초전도체, 핵자기공명 및 기타 다양한 현상에 대한 연구를 통해 두각을 나타내는 분야가 되었다. 냉전 초기에는 고체물리학 연구가 종종 고체에 국한되지 않았는데, 이는 1970년대와 1980년대 일부 물리학자들이 응축물질물리학 분야를 설립하게 된 이유 중 하나이다.[1]
2. 1. 대한민국 고체물리학의 발전
1940년대 미국물리학회 내에 고체물리학부(DSSP)가 설립되면서 "고체물리학"이라는 별개의 분야가 등장하였다. DSSP는 산업 물리학자들을 위한 것이었고, 고체물리학은 고체 연구를 통해 가능해진 기술적 응용과 관련되게 되었다. 1960년대 초, DSSP는 미국물리학회에서 가장 큰 부서였다.[1][2]제2차 세계 대전 후, 영국, 독일, 소련 등 유럽에도 많은 고체물리학자 공동체가 등장했다.[3] 미국과 유럽에서 고체물리학은 반도체, 초전도체, 핵자기공명 및 기타 다양한 현상에 대한 연구를 통해 두각을 나타내는 분야가 되었다. 냉전 초기에는 고체물리학 연구가 고체에만 국한되지 않았는데, 이는 1970년대와 1980년대 일부 물리학자들이 고체, 액체, 플라스마 및 기타 복잡한 물질을 조사하는 데 사용되는 공통 기술을 중심으로 응축물질물리학 분야를 설립하게 된 이유 중 하나이다.[1] 오늘날 고체물리학은 규칙적인 결정 격자를 가진 고체의 성질에 초점을 맞춘 응축물질물리학의 하위 분야로 간주된다.
3. 결정 구조와 특성
고체는 밀집되어 강하게 상호작용하는 원자들로 이루어져 있으며, 이러한 상호작용을 통해 경도, 탄성과 같은 기계적 특성과 열전도, 전기 전도, 자성, 결정 광학적 특성이 나타난다. 원자들은 규칙적인 배열을 갖는 결정 고체나, 불규칙적인 배열을 갖는 비정질 고체로 구성될 수 있다.
고체물리학은 주로 결정 내 원자들의 주기성에 기반하여 수학적 모델링을 통해 연구를 진행한다. 결정질 재료는 전기 공학, 자성, 광학, 기계 공학적 목적으로 활용될 수 있다.
결정 내 원자 사이의 힘은 다양한 형태로 나타난다. 예를 들어 염화나트륨 결정은 이온 결합으로, 다른 경우에는 공유 결합을 형성한다. 금속에서는 금속 결합이 나타나며, 비활성 기체는 반데르발스 힘으로 결합되어 있다. 이러한 결합 방식의 차이가 고체의 종류 간 차이를 만든다.
3. 1. 결정 구조
고체 재료는 밀집된 공간에서 격렬하게 상호작용하는 원자들로 이루어져 있다. 이러한 원자 간 상호작용은 고체가 열, 전자기적, 광학적 특성을 가지게 한다. 이러한 특성은 포함된 물질의 종류나, 물질이 기하학적 규칙적인 패턴이나 불규칙적인 패턴을 가지는 조건에 따라 결정된다.고체물리학의 벌크이론 및 연구는 결정 구조에 초점을 둔다. 결정 구조의 주기성을 띄는 원자들은 수학적인 모델을 가능하게 한다. 이처럼 결정 물질들은 공학적인 목적으로 활용될 수 있는 전기적, 자기적, 광학적, 역학적인 특성을 가진다.
고체 결정 내 원자들 간의 인력은 매우 다양한 형태를 가진다. 그 한가지 예로, 흔히 소금이라고 불리는 염화나트륨이 있다. 이 결정은 염소 이온과 나트륨 이온의 이온결합으로 이루어져 있다. 원자들은 또한 서로간에 전자를 공유하여 공유결합을 이루기도 한다. 금속에서는 금속 결합이 이루어지는데, 이는 전자들이 결정 구조 내에서 공유되는 것을 말한다. 비활성 기체는 어떠한 종류의 결합도 가지지 않는다. 고체 형태 내에서, 비활성 기체는 오로지 2개 분자의 전기적 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의해 생기는 반 데르 발스 힘에 의해서만 발생한다. 고체의 특성의 차이는 바로 이러한 원자들간의 결합 방식에 따라 결정된다.
많은 물질의 특성은 결정 구조에 의해 결정된다. 이러한 물질의 구조는 엑스선결정학, 중성자 회절, 전자회절과 같은 결정학기술을 이용하여 연구된다. 실제 결정은 이상적인 구조로부터 결정의 결점이나 불규칙성으로 특징지어진다. 이러한 결정구조의 불규칙성은 실제 물질의 전기적, 기계적 특성이 달라지는 원인이 된다.
고체 내 결정 격자는 진동을 하는데, 이러한 진동은 마치 빛처럼 양자화되어 있다고 기술할 수 있다. 이런 양자화된 진동모드는 포논으로 알려져 있다. 포논은 실제로 존재하는 건 아니지만 고체 특성을 기술 하는데 있어 중요한 개념이다. 한 예로, 포논을 통하여 부도체의 열전도를 이해할 수 있다. 또한 포논은 아인슈타인 모델과 후기 드바이 모델을 통해 고체의 열용량을 이해하는 데 있어 필수적인 개념이기도 하다.
결정 고체 물질 내 개별 결정의 크기는 포함된 물질의 종류나, 결정이 형성된 시점에 따라 매우 다양하다. 우리 생활에서 늘 접하는 결정은 다결정이다. 다결정은 미시 규모에서 보면 개별 결정으로 보이나, 거시 규모에서는 자연적으로(예: 다이아몬드) 또는 인공적으로 형성될 수 있다.
실제 결정은 이상적 배열에서 결함이나 불규칙성을 보인다. 결함은 실제 물질에서 여러 전자기적 특성을 결정하는 데 있어 중요 요인이다.
3. 2. 결정 결함
많은 물질의 특성은 결정구조에 의해 영향을 받는다. 이 구조는 X선 결정학, 중성자 회절, 전자 회절 등 결정학적 기법을 사용하여 조사할 수 있다.결정성 고체 재료에서 개별 결정의 크기는 관련된 재료와 형성될 때의 조건에 따라 달라진다. 일상 생활에서 접하는 대부분의 결정질 재료는 다결정으로, 미시적 규모에서는 개별 결정으로 보이지만 거시적 단결정은 천연(예: 다이아몬드) 또는 인공적으로 생성될 수 있다.
실제 결정은 이상적인 배열에서 결함 또는 불규칙성을 보이며, 이러한 결함은 실제 재료의 전기적, 기계적 특성을 결정하는 중요한 요소이다.
3. 3. 포논
많은 물질의 특성은 결정 구조에 의해 결정된다. 이러한 물질의 구조는 엑스선결정학, 중성자 회절([./Https://en.m.wikipedia.org/wiki/Neutron_diffraction]), 전자 회절과 같은 결정학 기술을 이용하여 연구된다.[1] 실제 결정은 이상적인 구조에서 벗어나 결정 결함이나 불규칙성을 보인다. 이러한 결정 구조의 불규칙성은 실제 물질의 전기적, 기계적 특성이 달라지는 원인이 된다.[1]고체 내 결정 격자는 진동을 하는데, 이러한 진동은 마치 빛처럼 양자화되어 있다고 기술할 수 있다. 이런 양자화된 진동 모드를 포논이라고 한다.[2] 포논은 실제로 존재하는 것은 아니지만 고체 특성을 설명하는 데 중요한 개념이다.[2] 예를 들어, 포논을 통해 부도체의 열전도를 이해할 수 있다.[2] 또한 포논은 아인슈타인 모델과 후기 드바이 모델을 통해 고체의 열용량을 이해하는 데 필수적인 개념이기도 하다.[2]
결정 고체 물질 내 개별 결정의 크기는 포함된 물질의 종류나, 결정이 형성된 시점에 따라 매우 다양하다.[3] 우리 생활에서 늘 접하는 결정은 다결정이다.[3] 다결정은 미시 규모에서는 개별 결정으로 보이나, 거시 규모에서는 자연적(예: 다이아몬드) 또는 인공적으로 형성될 수 있다.[3]
실제 결정은 이상적 배열에서 결함이나 불규칙성을 보인다. 결함은 실제 물질에서 여러 전자기적 특성을 결정하는 데 중요한 요인이다.
4. 전기적 특성
고체 물리학에서는 전기 전도나 열용량과 같은 물질의 특성을 연구한다. 초기 전기 전도 모델로는 드루드 모델이 있으며, 이는 기체 운동론을 고체 내의 전자에 적용한 것이다. 이 모델은 금속의 전기 및 열전도율과 홀 효과를 설명할 수 있었지만, 전자 열용량을 크게 과대평가했다.
아르놀트 조머펠트는 고전적인 드루드 모델에 양자 역학을 결합하여 자유 전자 모델(또는 드루드-조머펠트 모델)을 만들었다. 여기서 전자는 페르미 기체 즉, 양자 역학적인 페르미-디랙 통계를 따르는 입자의 기체로 모델링된다. 자유 전자 모델은 금속의 열용량에 대한 개선된 예측을 제공했지만, 부도체의 존재는 설명할 수 없었다.
근사 자유 전자 모델은 약한 주기적인 섭동을 포함하는 자유 전자 모델의 수정으로, 이는 결정성 고체에서 전도 전자와 이온 간의 상호 작용을 모델링하기 위한 것이다. 전자띠의 개념을 도입함으로써 이 이론은 전도체, 반도체, 그리고 부도체의 존재를 설명한다.
근사 자유 전자 모델은 주기적인 퍼텐셜의 경우에 대한 슈뢰딩거 방정식을 다시 쓴 것이다. 이 경우의 해는 블로흐 상태로 알려져 있다. 블로흐의 정리는 주기적인 퍼텐셜에만 적용되며, 결정 내 원자의 끊임없는 무작위 운동은 주기성을 방해하기 때문에, 블로흐 정리의 사용은 근사치일 뿐이지만, 매우 유용한 근사치임이 증명되었다. 주기성으로부터의 편차는 양자 역학적 섭동 이론에 의해 처리된다.
4. 1. 드루드 모델
열용량과 같은 물질의 특성은 고체물리학에서 중요한 연구 분야이다. 초기 전기적 특성 연구 방법으로는 드루드 모델이 있으며, 이는 고체 내 전자에 기체 운동론을 적용한 것이다. 드루드 모델은 물질이 움직이지 않는 양이온과 상호작용하지 않는 '전자구름'으로 존재한다고 가정하여 전기적 특성, 열용량, 홀 효과를 설명했지만, 전기적 열용량을 과도하게 추정하는 단점이 있다.아르놀트 조머펠트는 고전적인 드루드 모델에 양자역학을 결합하여 자유 전자 모델(드루드-조머펠트 모델)을 제시했다. 이 모델에서 전자는 페르미 기체로 가정되어 페르미-디랙 통계를 따르는 것으로 기술된다. 자유 전자 모델은 물질의 열용량에 대해 더 정확한 결과를 제공했지만, 부도체를 설명하기에는 부족했다.
4. 2. 자유 전자 모델
전기적 특성과 열용량과 같은 물질의 특성은 고체물리학을 연구하는 데 있어 중요한 분야이다. 전기적 특성을 조사하는 초기의 방법으로는 고체 내 전자에 운동 에너지를 적용하여 푸는 드루드 모델이 있다. 물질이 움직이지 않는 양이온과 상호작용하지 않는 '전자구름'으로 존재한다고 고전적으로 가정하는 드루드 모델은 전기적 특성, 열용량, 홀 효과까지 설명할 수 있었지만, 전기적 열용량을 과도하게 추정하는 단점이 있다.아르놀트 조머펠트는 양자역학을 고전적인 드루드 모델에 결합하여 자유 전자 모델(드루드-조머펠트 모델)을 만들었다. 여기서 전자는 페르미 기체라고 가정하여 입자들이 양자역학의 페르미-디랙 통계를 만족하도록 기술하였다. 이러한 자유 전자 모델은 물질의 열용량에 대한 보다 진보된 결과를 도출해 냈지만, 부도체를 설명하기에는 역부족이었다.
근사 자유 전자 모델은 이러한 자유 전자 모델의 문제점을 보완하였다. 여기에는 섭동이론을 이용하여 고체 격자의 전도 전자와 이온 간 상호작용을 고려하였다. 이와 함께 띠구조론이 도입됨에 따라, 이 이론은 도체와 반도체, 그리고 부도체의 존재까지 설명할 수 있었다.
근사 자유 전자 모델은 슈뢰딩거 방정식을 주기 포텐셜에 대해서 재기술하게 했다. 블로호 파는 이러한 경우의 적절한 슈뢰딩거 방정식의 해가 된다. 블로호의 이론은 오직 주기 포텐셜에 사용되기에 이 이론은 근사적인 경우에만 사용되지만, 매우 유용한 것으로 판명되었다.
4. 3. 근사 자유 전자 모델과 띠구조 이론
아르놀트 조머펠트는 드루드 모델에 양자역학을 결합하여 자유 전자 모델(드루드-조머펠트 모델)을 만들었다. 이 모델에서 전자는 페르미 기체로, 양자 역학적인 페르미-디랙 통계를 따르는 입자들의 기체로 모델링된다. 자유 전자 모델은 금속의 열용량에 대한 더 나은 예측을 제공했지만, 부도체의 존재는 설명할 수 없었다.근사 자유 전자 모델은 결정성 고체에서 전도 전자와 이온 간의 상호 작용을 모델링하기 위해 약한 주기적인 섭동을 포함하는 자유 전자 모델을 수정하였다. 전자띠 개념을 도입하여 전도체, 반도체, 부도체의 존재를 설명한다.
근사 자유 전자 모델은 주기적인 퍼텐셜에 대한 슈뢰딩거 방정식을 다시 쓴 것이다. 이 경우 해는 블로흐 상태로 알려져 있다. 블로흐의 정리는 주기적인 퍼텐셜에만 적용되며, 결정 내 원자의 끊임없는 무작위 운동은 주기성을 방해하기 때문에, 블로흐 정리의 사용은 근사치일 뿐이지만, 대부분의 고체 물리학 분석이 다루기 어려울 것이기 때문에 매우 유용한 근사치임이 증명되었다. 주기성으로부터의 편차는 양자 역학적 섭동 이론에 의해 처리된다.
5. 연구 분야
현대 고체 물리학의 연구 주제는 다음과 같다.
고체 물리학은 이름 그대로 고체와 고체(내부)에 관한 여러 가지 물리 현상을 다룬다. 양자역학과 통계역학을 응용하여, 주로 미시적 측면에서 물질의 성질을 연구한다. 다른 물리학 분야와 마찬가지로, 이론적 접근과 실험적 접근을 통해 연구가 이루어진다.
연구 현상으로는 전기적(전자) 현상, 자기적 현상, 열적 현상, 역학적인 현상 등이 있다. 고체 자체도 금속(합금), 반도체, 절연체, 유기물, 결정, 유리(비정질), 세라믹스, 광물 등 다양한 형태를 띤다.
또한 고체물리학에서는 다양한 결정구조, 결합 양식(금속결합, 공유결합, 이온결합 등)을 다룬다.
6. 화학 결합
고체 결정 내 원자들 간의 인력은 매우 다양한 형태를 가진다. 흔히 소금이라고 불리는 염화나트륨 결정은 염소 이온과 나트륨 이온의 이온 결합으로 이루어져 있다. 원자들은 또한 서로 간에 전자를 공유하여 공유 결합을 이루기도 한다. 금속 결합은 전자들이 결정 구조 내에서 공유되는 것을 말한다. 비활성 기체는 어떠한 종류의 결합도 가지지 않는데, 고체 형태에서 비활성 기체는 오로지 두 원자의 전기적 쌍극자-쌍극자 상호작용에 의해 생기는 반 데르 발스 힘에 의해서만 발생한다. 고체의 특성 차이는 바로 이러한 원자들 간의 결합 방식에 따라 결정된다.
참조
[1]
논문
What's in a Name Change? Solid State Physics, Condensed Matter Physics, and Materials Science
http://dro.dur.ac.uk[...]
2015
[2]
서적
Out of the Crystal Maze: Chapters from The History of Solid State Physics
https://books.google[...]
Oxford University Press
[3]
논문
Fifty Years of ''Physica Status Solidi'' in Historical Perspective
2013
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