초격자

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1. 개요

초격자는 1925년 요한손과 린데에 의해 금-구리 및 팔라듐-구리계 연구를 통해 처음 발견되었으며, 결정 격자 내 원자 배열의 질서 상태와 무질서 상태 간 전이에 기반한 이론적 연구가 진행되었다. 1970년에는 에사키와 츠가 인공 초격자를 제안하면서 양자 구조 연구가 발전했다. 초격자는 규칙 합금 초격자와 인공 초격자로 분류되며, 분자선 에피택시와 스퍼터링 등의 기술로 제작된다. 인공 초격자는 적층 두께 조절 및 원자 종류 선택에 따라 밴드 구조 제어가 가능하여 디바이스 응용이 기대된다. 초격자는 역학적 특성, 반도체 특성, 미니밴드 구조, 블로흐 상태, 완니에-스타크 사다리, 수송 특성 등 다양한 물리적 특성을 가지며, 고성능 합금, 전자 소자, 프로브 카드 등의 응용 분야에 활용된다.

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초격자
지도 정보
기본 정보
유형	주기적인 다층 구조
구성 요소	두 가지 이상의 물질의 층
특징	양자 크기 효과 전자 에너지 밴드 구조 변경 새로운 광학적, 전자기적 특성 발현
응용 분야	반도체 레이저 고속 트랜지스터 태양 전지 자기 저장 매체 센서
역사
최초 제안	1925년, 뢰브 (Löb)와 라일 (Riehl)
본격 연구 시작	1970년대
주요 연구	페이즈 (Esaki)와 짜오 (Tsu)의 반도체 초격자 연구 (1970) 인공 격자 구조 성장 기술 발전 (분자선 에피택시, 스퍼터링 등)
구조 및 특성
주기성	층 간 간격이 원자 크기 수준으로 정확하게 제어
층 구성	금속, 반도체, 절연체, 자성체 등 다양한 물질 조합 가능
양자 효과	층 두께가 물질의 전자 파동 길이에 근접할 때 발현
에너지 밴드 구조	새로운 에너지 밴드 형성 및 전자 이동 특성 변화
광학 특성	반사율, 투과율, 흡수율 등 광학적 특성 조절 가능
제작 방법
분자선 에피택시 (MBE)	원자 단위의 박막 성장 제어
스퍼터링	고체 타겟 물질을 플라즈마로 가속하여 박막 증착
화학 기상 증착 (CVD)	화학 반응을 이용하여 박막 성장
원자층 증착 (ALD)	화학 반응을 이용하여 원자층 단위의 박막 성장
유형별 분류
반도체 초격자	반도체 물질을 이용한 초격자
금속 초격자	금속 물질을 이용한 초격자
절연체 초격자	절연체 물질을 이용한 초격자
자성 초격자	자성 물질을 이용한 초격자
응용 분야 상세
반도체 레이저	발광 효율 및 파장 제어
고속 트랜지스터	전자 이동 속도 증가 및 성능 향상
태양 전지	광 흡수율 및 변환 효율 증가
자기 저장 매체	저장 밀도 및 속도 향상
센서	고감도 및 고정밀 측정 가능
열전 소자	열전 효율 향상
광학 소자	광학 특성을 이용한 다양한 소자 제작
참고 자료
관련 학문 분야	응집물질물리학 재료과학 나노기술 반도체공학
추가 정보
관련 용어	양자 우물 양자 와이어 양자점 2차원 물질 결정 구조 에너지 밴드 양자 크기 효과 나노 구조

2. 역사

초격자는 1925년 초 요한손(Johansson)과 린데(Linde)가 금-구리 및 팔라듐-구리계 연구에서 특수한 X선 회절 패턴을 관찰하면서 발견되었다.^[1] 이후 브래들리(Bradley), 제이(Jay),^[2] 고르스키(Gorsky),^[3] 보렐리우스(Borelius),^[4] 델링거(Dehlinger), 그라프(Graf),^[5] 브래그(Bragg), 윌리엄스(Williams),^[6] 베테(Bethe)^[7] 등에 의해 실험적 관찰과 이론적 수정이 이루어졌으며, 이 이론들은 결정 격자 내 원자 배열의 무질서 상태에서 질서 상태로의 전이에 기반을 두었다.

2. 1. 초기 발견 (1925년)

1925년 초 요한손(Johansson)과 린데(Linde)가 금-구리 및 팔라듐-구리계에 대한 연구를 통해 특수한 X선 회절 패턴을 관찰하면서 초격자를 발견하였다.^[1] 이후 브래들리(Bradley)와 제이(Jay),^[2] 고르스키(Gorsky),^[3] 보렐리우스(Borelius),^[4] 델링거(Dehlinger)와 그라프(Graf),^[5] 브래그(Bragg)와 윌리엄스(Williams),^[6] 베테(Bethe)^[7] 등에 의해 실험적 관찰과 이론적 수정이 이루어졌다. 이러한 이론들은 결정 격자 내 원자 배열의 무질서 상태에서 질서 상태로의 전이에 기반을 두었다.

2. 2. 이론 및 실험적 발전

초격자는 1925년 초 요한손(Johansson)과 린데(Linde)가 금-구리 및 팔라듐-구리계에 대한 연구를 통해 특수한 X선 회절 패턴을 관찰하면서 발견되었다.^[1] 이후 브래들리(Bradley)와 제이(Jay),^[2] 고르스키(Gorsky),^[3] 보렐리우스(Borelius),^[4] 델링거(Dehlinger)와 그라프(Graf),^[5] 브래그(Bragg)와 윌리엄스(Williams),^[6] 베테(Bethe)^[7] 등에 의해 실험적 관찰과 이론적 수정이 이루어졌다. 이러한 이론들은 결정 격자 내 원자 배열의 무질서 상태에서 질서 상태로의 전이에 기반을 두었다.

3. 종류

초격자는 구성 물질, 구조, 생성 방식 등에 따라 여러 종류로 나뉜다. 크게 자연계에 존재하는 규칙합금 초격자와 인공적으로 만들어지는 인공 초격자로 구분할 수 있으며, 그 외에 자기격자 등도 있다.

규칙합금 초격자와 인공 초격자에 대한 자세한 설명은 각 하위 섹션을 참조하면 된다.

3. 1. 규칙 합금 초격자

간단한 예로, 2차원 이원 합금(금속 원자 A와 B로 구성)을 생각해 보자. 각 원자 A, B가 2차원 정방격자의 각 격자점 위에 같은 종류의 원자끼리 이웃하지 않도록 서로 엇갈리게 배열되는 경우, A, B 각 원자는 주기

\sqrt 2

(원래의 정방격자에 대해 45도 기울어진)의 정방격자를 형성한다. 이러한 구조를 '''초격자 구조'''(초구조, 규칙격자 구조라고도 함)라고 한다. A 원자, B 원자가 각각 형성하는 격자를 부격자 또는 부분격자라고 한다(A, B 각 부격자가 겹쳐져 있다). 이는 3차원의 현실적인 합금에서도 유사하게 정의할 수 있다.

초격자에는 규칙합금에서의 초격자(이는 자연계에 존재) 외에 인공적인 초격자(이 경우, 인공격자라고도 함)가 존재한다.^[20]

3. 2. 인공 초격자

인공 초격자는 분자선 에피택시법(MBE)이나 유기금속 기상 증착법(MOCVD) 등의 방법을 사용하여, 단원자층마다 여러 종류의 원자를 적층시켜 만든다.^[20] 특히, 반도체 초격자는 적층의 두께 조절이나 원자 종류의 선택 등에 따라 그 밴드 구조를 비교적 자유롭게 제어할 수 있어 디바이스 응용이 기대되고 있다.

초격자는 다양한 기술을 사용하여 생산할 수 있지만, 가장 일반적인 방법은 분자선 에피택시(MBE)와 스퍼터링이다. 이러한 방법을 사용하면 두께가 단원자 간격의 몇 배에 불과한 층을 생성할 수 있다. 반도체 초격자 제작 수단으로서 MBE 기술은 매우 중요하다. MBE 기술 외에도 유기금속 화학 기상 증착(MO-CVD)은 InGaAsP 합금과 같은 4원계 III-V족 화합물 반도체로 구성된 초전도체 초격자 개발에 기여했다.

생산된 초격자의 구조적 품질은 특징적인 위성 피크를 포함하는 X선 회절 또는 중성자 회절 스펙트럼을 통해 검증할 수 있다.

3. 3. 반도체 초격자 유형

반도체 초격자 미니밴드 구조는 이종구조의 종류에 따라 I형, II형, III형으로 나뉜다.

I형 초격자: 전도대 바닥과 가전자대 꼭대기가 동일한 반도체 층에 형성된다.
II형 초격자: 전도대와 가전자대가 실제 공간과 역공간 모두에서 어긋나 있어 전자와 정공이 서로 다른 층에 갇힌다.
III형 초격자: HgTe/CdTe와 같은 반금속 재료를 포함한다. I형 초격자와 마찬가지로 전도대 바닥과 가전자대 꼭대기가 동일한 반도체 층에 형성되지만, 밴드갭은 반도체부터 영 밴드갭 재료, 그리고 음의 밴드갭을 갖는 반금속까지 연속적으로 조정될 수 있다.

피보나치 수열의 이름을 따서 명명된 또 다른 종류의 준주기적 초격자도 존재한다. 피보나치 초격자는 전자 홉핑 전달 또는 자리 에너지가 피보나치 수열로 배열된 두 값을 갖는 1차원 준결정으로 볼 수 있다.

4. 구조 및 제작

초격자 구조는 2차원 이원 합금에서 생각해 볼 수 있다. 금속 원자 A와 B가 2차원 정방격자에 서로 엇갈리게 배열될 때, A와 B 원자는 각각 원래 격자보다 주기가 큰 정방격자를 형성한다. 이를 초격자 구조라 하고, A와 B 원자가 형성하는 격자를 부격자라고 한다.

GaAs/AlAs 초격자 및 성장 방향(z)을 따라 전도대와 원자가대의 퍼텐셜 프로파일

초격자는 주로 원소 그룹 IV, III-V, II-VI족 반도체 재료를 사용하여 제작된다. III-V족 반도체(특히 GaAs/Al_xGa_1−xAs)가 널리 연구되었으며, GaAs/AlAs계는 격자 상수와 열팽창 계수 차이가 작아 변형을 최소화할 수 있다. 그래핀/육방정계 질화붕소(h-BN) 시스템도 반도체 초격자를 형성한다.

초격자 제작에는 분자선 에피택시(MBE)와 스퍼터링 방법이 주로 사용된다. MBE는 단원자 간격 수준의 얇은 층을 생성할 수 있게 해준다. 일례로 []₂₀ 초격자는 20Å의 철(Fe)과 30Å의 바나듐(V) 이중층을 20번 반복하여 만든다. 유기금속 화학 기상 증착법(MO-CVD)도 초격자 개발에 사용된다.

생산된 초격자의 구조적 품질은 X선 회절이나 중성자 회절 스펙트럼으로 확인할 수 있다. 초격자는 거대 자기 저항, 조정 가능한 반사율, 중성자 스핀 편극 등의 특성을 나타낼 수 있다.

4. 1. 기본 구조

간단한 경우로, 2차원 이원 합금(금속 원자 A와 B로 구성)을 생각해 보자. 각 원자 A, B가 2차원 정방격자(격자의 주기를 1로 함)의 각 격자점 위에 같은 종류의 원자끼리 이웃하지 않도록 서로 엇갈리게 배열되는 경우, A, B 각 원자는 주기

\sqrt 2

(그리고 원래의 정방격자에 대해 45도 기울어진)의 정방격자를 형성한다. 이러한 구조를 '''초격자 구조'''(초구조, 규칙격자 구조라고도 함)라고 한다. 그리고 각각 A 원자, B 원자가 각각 형성하는 격자를 부격자 또는 부분격자라고 한다(A, B 각 부격자가 겹쳐져 있다). 이것은 3차원의 현실적인 합금에서도 유사하게 정의할 수 있다.^[20]

4. 2. 반도체 재료

초격자 구조를 제작하는 데 사용되는 반도체 재료는 원소 그룹 IV, III-V 및 II-VI로 나눌 수 있다. III-V족 반도체(특히 GaAs/Al_xGa_1−xAs)는 광범위하게 연구되어 왔지만, Si_xGe_1−x계와 같은 IV족 이종구조는 큰 격자 불일치 때문에 구현하기가 훨씬 더 어렵다. 그럼에도 불구하고 이러한 양자 구조에서의 에너지 준위 구조의 변형은 흥미롭고 많은 관심을 끌고 있다.

GaAs/AlAs계에서는 GaAs와 AlAs 사이의 격자 상수 차이와 열팽창 계수의 차이가 모두 작다. 따라서 에피택셜 성장 온도에서 냉각된 후 상온에서 남아있는 변형을 최소화할 수 있다. 최초의 조성 초격자는 GaAs/Al_xGa_1−xAs 재료 시스템을 사용하여 구현되었다.

그래핀/육방정계 질화붕소(h-BN) 시스템은 두 결정이 정렬되면 반도체 초격자를 형성한다. 그 전하 캐리어는 에너지 소산이 거의 없이 전기장에 수직으로 이동한다. h-BN은 그래핀과 유사한 육각형 구조를 가지고 있다. 이 초격자는 반전 대칭이 깨졌다. 국소적으로 위상 전류는 인가 전류의 세기와 비슷하며, 큰 밸리 홀 각도를 나타낸다.^[12]

4. 3. 제작 방법

초격자는 다양한 기술을 사용하여 생산할 수 있지만, 가장 일반적인 방법은 분자선 에피택시(MBE)와 스퍼터링이다. 이러한 방법을 사용하면 두께가 단원자 간격의 몇 배에 불과한 층을 생성할 수 있다. 초격자를 지정하는 예로는 []₂₀이 있다. 이것은 20Å의 철(Fe)과 30Å의 바나듐(V)의 이중층이 20번 반복되어 총 두께가 1000Å 또는 100nm가 되는 것을 나타낸다. 반도체 초격자 제작 수단으로서 MBE 기술은 매우 중요하다. MBE 기술 외에도 유기금속 화학 기상 증착법(MO-CVD)은 InGaAsP 합금과 같은 4원계 III-V족 화합물 반도체로 구성된 초전도체 초격자 개발에 기여했다. 최근 기술로는 초고진공(UHV) 기술과 기체 공급 처리를 결합한 기술이 있는데, 예를 들어 유기금속 분자를 원료 물질로 사용하고, 아르신()과 포스핀()과 같은 혼합 기체를 사용하는 기체 공급 MBE가 개발되었다.

일반적으로 MBE는 이원계에서 세 가지 온도를 사용하는 방법이다. 예를 들어 III-V족 화합물의 경우 기판 온도, III족 원소의 원료 온도, V족 원소의 원료 온도를 사용한다.

생산된 초격자의 구조적 품질은 특징적인 위성 피크를 포함하는 X선 회절 또는 중성자 회절 스펙트럼을 통해 검증할 수 있다. 교번 배열과 관련된 다른 효과로는 거대 자기 저항, X선 및 중성자 거울에 대한 조정 가능한 반사율, 중성자 스핀 편극 및 탄성 및 음향 특성의 변화가 있다. 구성 요소의 특성에 따라 초격자는 '자성', '광학적' 또는 '반도체'로 불릴 수 있다.

5. 물리적 특성

초격자는 역학적, 반도체적, 수송 특성 등 다양한 물리적 특성을 보인다.

1970년 에사키(Leo Esaki)와 츠(Raphael Tsu)가 인공 초격자를 제안한 이후,^[11] 초미세 반도체의 물리학 분야는 현재 양자 구조라고 불릴 정도로 발전했다. 양자 구속 개념은 고립된 양자 우물 이종 구조에서 양자 크기 효과를 관찰하면서 나타났고, 터널링 현상을 통해 초격자와 밀접하게 관련되어 있다.

서로 다른 밴드갭을 가진 두 반도체 물질을 번갈아 증착하여 초격자를 만들면, 각 양자 우물은 구조를 통한 전하 흐름 조건에 영향을 미치는 새로운 선택 규칙을 설정한다. 이러한 주기적인 구조는 미니밴드라고 불리는 새로운 에너지 밴드 구조를 만들어낸다.

초격자 내 전하 운반자의 운동은 개별 층에서의 운동과 다르다. 전하 운반자의 이동도가 향상될 수 있으며, 이는 고주파 소자에 유리하다. 또한 특정 광학적 특성은 반도체 레이저에 사용된다. 초격자 스트라이프는 스페이서로 분리된 초전도 단위로 만들어지는데, 각 미니밴드에서 초전도 오더 매개변수(초전도 갭)는 서로 다른 값을 가지므로 다중 갭, 이중 갭, 또는 다중 밴드 초전도성을 생성한다.

최근 Felix와 Pereira는 피보나치 수열에 따른 그래핀-hBN의 주기적^[13] 및 준주기적^[14]^[15]^[16] 초격자에서 포논에 의한 열 수송을 조사했다. 그 결과, 준주기성이 증가함에 따라 일관된 열 수송(파동과 같은 포논)의 기여가 억제된다는 사실을 발견했다.

5. 1. 역학적 특성

J. S. 코엘러는 고탄성 계수와 저탄성 계수를 가진 재료를 교대로 쌓은 (나노)층을 사용하면, 전위의 프랭크-리드 소스가 나노층에서 작동할 수 없게 되어 전단 저항이 최대 100배까지 향상된다고 이론적으로 예측했다.^[8]

이러한 초격자 재료의 기계적 경도 증가는 1978년 레호츠키(Lehoczky)가 Al-Cu와 Al-Ag에 대해 처음으로 확인했으며,^[9] 그 후 바넷(Barnett)과 스프라울(Sproul) 등 여러 연구자들이 경질 PVD 코팅에서 확인했다.^[10]

5. 2. 반도체 특성

서로 다른 밴드갭을 가진 두 가지 반도체 물질로 초격자를 만들면, 각 양자 우물은 구조를 통한 전하 흐름 조건에 영향을 미치는 새로운 선택 규칙을 설정한다. 서로 다른 두 가지 반도체 물질을 번갈아 증착하여 성장 방향으로 주기적인 구조를 형성한다. 1970년 에사키(Leo Esaki)와 츠(Raphael Tsu)가 인공 초격자를 제안한 이후,^[11] 현재 양자 구조라고 불리는 초미세 반도체의 물리학 분야에서 발전이 이루어졌다. 양자 구속 개념은 고립된 양자 우물 이종 구조에서 양자 크기 효과를 관찰하면서 나타났고, 터널링 현상을 통해 초격자와 밀접하게 관련되어 있다. 이 두 가지 개념은 종종 동일한 물리적 기반에서 논의되지만, 각각 전기 및 광학 장치 응용에 유용한 서로 다른 물리학적 특성을 가진다.

간단한 경우로, 2차원 이원합금(금속 원자 A와 B로 구성)을 생각해 볼 수 있다. 각 원자 A, B가 2차원 정방격자(격자의 주기를 1로 함)의 각 격자점 위에 같은 종류의 원자끼리 이웃하지 않도록 서로 엇갈리게 배열되는 경우, A, B 각 원자는 주기

\sqrt 2

(원래의 정방격자에 대해 45도 기울어진)의 정방격자를 형성한다. 이러한 구조를 '''초격자 구조'''(초구조, 규칙격자 구조)라고 한다. 그리고 각각 A 원자, B 원자가 형성하는 격자를 부격자 또는 부분격자라고 한다(A, B 각 부격자가 겹쳐져 있음). 이는 3차원의 현실적인 합금에서도 유사하게 정의할 수 있다.

초격자에는 규칙합금에서의 초격자(자연계에 존재) 외에 인공적인 초격자(인공격자)가 존재한다. 인공적인 초격자는 결정 기판 표면 위에 분자선에피택시법(MBE)이나 유기금속기상증착법(MOCVD) 등의 방법을 사용하여, 단원자층마다 여러 종류의 원자를 적층시켜 만들어진다.^[20] 특히, 반도체 초격자는 적층의 두께 조절이나 원자 종류의 선택에 따라 밴드 구조를 비교적 자유롭게 제어할 수 있어 디바이스 응용이 기대된다.

5. 3. 미니밴드 구조

초격자의 주기적인 구조는 미니밴드라고 불리는 새로운 에너지 밴드 구조를 만들어낸다. 장벽의 두께가 충분히 클 때, 전자는 터널링 효과를 통해 인접한 우물 사이를 이동할 수 있다. 이때, 블로흐 정리에 따라 에너지(

E_z

)와 파수 벡터(

k_z

) 사이의 관계는 주기

d=a+b

(여기서 a와 b는 각 반도체 층의 두께)를 가지는 사인파 형태를 띤다.

:

\ E_z(k_z)=\frac{\Delta}{2}(1-\cos(k_z d))

이러한 분산 관계에서 유효 질량은

2\pi /d

에서 부호가 바뀐다.

:

\ {m^* = \frac{\hbar^2}{\partial^2 E / \partial k^2}}|_{k=0}

하지만 미니밴드의 경우, 이러한 사인파 특성은 더 이상 유지되지 않는다.

2 \pi /d

를 훨씬 넘는 파수 벡터(높은 에너지)에서만 최상위가 감지되고 유효 질량의 부호가 바뀐다. 미니밴드 분산의 형태는 미니밴드 수송에 큰 영향을 미치며, 넓은 미니밴드의 경우 정확한 분산 관계 계산이 필요하다. 단일 미니밴드 수송을 관찰하기 위한 조건은 어떤 과정에 의해서도 미니밴드 간 전이가 없어야 하며, 인가된 전기장이 존재하더라도 열적 양자 에너지 ''k_BT''는 첫 번째와 두 번째 미니밴드 사이의 에너지 차이

E_2-E_1

보다 훨씬 작아야 한다.^[20]

5. 4. 블로흐 상태와 완니에 함수

이상적인 초격자의 경우, 완전한 고유 상태 집합은 평면파

e^{ i \mathbf{k} \cdot \mathbf{r} }/ 2\pi

와 고윳값 방정식을 만족하는 z 의존 함수

f_k (z)

의 곱으로 구성될 수 있다.

:

\left( E_c(z) - \frac{\partial }{\partial z} \frac{\hbar^2}{2 m_c (z)}  \frac{\partial }{\partial z} + \frac {\hbar^2 \mathbf{k} ^2}{2m_c (z)} \right) f_k (z) = E f_k (z)

.

E_c (z)

와

m_c(z)

는 초격자 주기 d를 갖는 주기 함수이므로, 고유 상태는 에너지

E^\nu (q, \mathbf{k})

를 갖는 블로흐 상태

f_k (z)= \phi _{q, \mathbf{k}}(z)

이다. k²에 대한 1차 섭동 이론 내에서, 에너지는 다음과 같이 얻어진다.

:

E^ \nu (q, \mathbf{k}) \approx E^ \nu(q, \mathbf{0}) +  \langle \phi _{q, \mathbf{k}} \mid \frac{\hbar^2 \mathbf{k}^2}{2m_c (z)} \mid \phi _{q, \mathbf{k}} \rangle

.

\phi _{q, \mathbf{0}} (z)

는 우물에서 더 큰 확률을 보일 것이므로, 두 번째 항을 다음과 같이 대체하는 것이 타당해 보인다.

:

E_k = \frac{\hbar^2 \mathbf{k}^2}{2m_w}

여기서

m_w

는 양자 우물의 유효 질량이다. 블로흐 함수는 정의에 따라 초격자 전체에 걸쳐 비국재화되어 있다. 전기장이 인가되거나 초격자의 유한한 길이에 의한 효과가 고려될 경우 어려움이 발생할 수 있다. 따라서 더욱 국재화된 다른 기저 상태 집합을 사용하는 것이 종종 도움이 된다. 매력적인 선택은 단일 양자 우물의 고유 상태를 사용하는 것이다. 그러나 이러한 선택에는 심각한 단점이 있다. 해당 상태는 각각 다른 우물의 존재를 무시하는 두 개의 다른 해밀토니안의 해이다. 따라서 이러한 상태는 직교하지 않아 복잡성을 야기한다. 일반적으로 이러한 접근 방식 내에서 전달 해밀토니안에 의해 결합이 추정된다. 이러한 이유로 완니에 함수 집합을 사용하는 것이 더 편리하다.

5. 5. 완니에-스타크 사다리

초격자 구조에 전기장 ''F''를 가하면 해밀토니안에 추가적인 스칼라 포텐셜 ''eφ''(''z'') = −''eFz''가 나타나며, 이는 병진 불변성을 파괴한다. 이 경우, 파동 함수

\Phi_0 (z)

와 에너지

E_0

를 갖는 고유 상태가 주어지면, 파동 함수

\Phi_j (z)= \Phi_0 (z-jd)

에 해당하는 상태들의 집합은 에너지 ''E''_''j'' = ''E''₀ − ''jeFd''를 갖는 해밀토니안의 고유 상태가 된다. 이러한 상태들은 에너지와 실 공간 모두에서 고르게 간격을 두고 있으며, 소위 완니에-스타크 사다리를 형성한다. 무한 결정에 대해서는 포텐셜

\Phi_0 (z)

가 유계가 아니므로 연속적인 에너지 스펙트럼을 의미한다. 그럼에도 불구하고, 이러한 완니에-스타크 사다리의 특징적인 에너지 스펙트럼은 실험적으로 확인될 수 있다.

5. 6. 수송 특성

초격자 내 전하 운반자의 운동은 개별 층에서의 운동과 다르다. 전하 운반자의 이동도가 향상될 수 있으며, 이는 고주파 소자에 유리하다. 또한 특정 광학적 특성은 반도체 레이저에 사용된다.

금속이나 반도체와 같은 도체에 외부 바이어스를 가하면 일반적으로 전류가 생성된다. 이 전류의 크기는 재료의 띠 구조, 산란 과정, 가해진 전계 세기 및 도체의 평형 전하 운반자 분포에 의해 결정된다.

초격자 스트라이프라고 하는 특정 초격자는 스페이서로 분리된 초전도 단위로 만들어진다. 각 미니밴드에서 초전도 오더 매개변수(초전도 갭이라고 함)는 서로 다른 값을 가지므로 다중 갭 또는 이중 갭 또는 다중 밴드 초전도성을 생성한다.

최근 Felix와 Pereira는 피보나치 수열에 따른 그래핀-hBN의 주기적^[13] 및 준주기적^[14]^[15]^[16] 초격자에서 포논에 의한 열 수송을 조사했다. 그들은 준주기성이 증가함에 따라 일관된 열 수송(파동과 같은 포논)의 기여가 억제된다는 것을 보고했다.

6. 응용 분야

초격자 구조는 다양한 분야에 응용된다.

고성능 합금: 팔라듐-구리계 초격자는 전기 전도도가 높은 고성능 합금에 사용된다. 은, 레늄, 로듐, 루테늄과 같은 합금 원소를 첨가하여 기계적 강도와 고온 안정성을 향상시킬 수 있다. 이러한 합금은 프로브 카드의 프로브 바늘에 사용된다.^[19]
전자 소자: 초격자 내 전하 운반자의 이동도를 향상시켜 고주파 소자에 유리하게 활용할 수 있다. 또한 특정 광학적 특성은 반도체 레이저에 사용된다.

금속이나 반도체에 외부 바이어스를 가하면 전류가 생성되는데, 이 전류의 크기는 재료의 띠 구조, 산란 과정, 인가된 전계 세기 및 도체의 평형 전하 운반자 분포에 의해 결정된다.

초전도 단위가 스페이서로 분리된 초격자 스트라이프는 다중 갭 초전도성을 생성한다.^[13]^[14]^[15]^[16]

6. 1. 고성능 합금

팔라듐-구리계 초격자는 높은 전기 전도도를 위해 고성능 합금에 사용되며, 이는 규칙적인 구조에 의해 유리하다. 은, 레늄, 로듐, 루테늄과 같은 추가적인 합금 원소는 더 나은 기계적 강도와 고온 안정성을 위해 첨가된다. 이 합금은 프로브 카드의 프로브 바늘에 사용된다.^[19]

6. 2. 전자 소자

초격자 내 전하 운반자의 운동은 개별 층에서의 운동과 다르다. 전하 운반자의 이동도가 향상될 수 있으며, 이는 고주파 소자에 유리하다. 또한 특정 광학적 특성은 반도체 레이저에 사용된다.

금속이나 반도체와 같은 도체에 외부 바이어스를 인가하면 일반적으로 전류가 생성된다. 이 전류의 크기는 재료의 띠 구조, 산란 과정, 인가된 전계 세기 및 도체의 평형 전하 운반자 분포에 의해 결정된다.

초격자 스트라이프라고 하는 특정 초격자는 스페이서로 분리된 초전도 단위로 만들어진다. 각 미니밴드에서 초전도 오더 매개변수(초전도 갭이라고 함)는 서로 다른 값을 가지므로 다중 갭 또는 이중 갭 또는 다중 밴드 초전도성을 생성한다.^[13]^[14]^[15]^[16]

7. 참고 문헌

일본물리학회, "반도체 초격자의 물리와 응용", 제2장 (안도), 배풍관 (1984).
고나가이 마코토, "반도체 초격자 입문", 배풍관 (1987).
에사키 레오나, 사카키 유키, "초격자 헤테로 구조 디바이스", 공업조사회 (1988).
오카모토 히로시, "초격자 구조의 광물성과 응용", 코로나사, 도쿄도 (1988).
카토 후미오, "초격자 구조에서의 공명 터널 현상의 해석", 전자정보통신학회 논문지 C 71.1 (1988): 59-67.

8. 특허

참조

_[1] 논문 The X-ray determination of the atomic arrangement in the mixed-crystal series gold-copper and palladium-copper 1925
_[2] 논문 The formation of Superlattices in Alloys if Iron and Aluminium 1932
_[3] 논문 X-ray investigations of transformations in the CuAu alloy 1928
_[4] 논문 The theory of transformations of metallic mixed phases 1934
_[5] 논문 Transformation of solid metal phases I. The tetragonal gold-copper alloy CuAu 1934
_[6] 논문 The effect of thermal agitation on atomic arrangement in alloys I 1934
_[7] 논문 Statistical theory of superlattices 1935
_[8] 논문 Attempt to Design a Strong Solid 1970
_[9] 논문 Retardation of dislocation generation and motion in thin-layered metal laminates 1973
_[10] 논문 Structure and mechanical properties of polycrystalline CrN/TiN superlattices American Vacuum Society 1998
_[11] 논문 Superlattice and Negative Differential Conductivity in Semiconductors 1970
_[12] 논문 Detecting topological currents in graphene superlattices 2014
_[13] 논문 Thermal Conductivity of Graphene-hBN Superlattice Ribbons 2018-02-09
_[14] 논문 Suppression of coherent thermal transport in quasiperiodic graphene-hBN superlattice ribbons https://www.scienced[...] 2020-04-30
_[15] 논문 Thermal conductivity of Thue–Morse and double-period quasiperiodic graphene-hBN superlattices https://www.scienced[...] Elsevier 2022-05-01
_[16] 논문 Condução de calor em nanofitas quase-periódicas de grafeno-hBN https://repositorio.[...] Universidade Federal do Rio Grande do Norte 2020-08-04
_[17] 논문 The Spectroscopy of Quantum Dot Arrays 1993
_[18] 논문 Geometric resonances in the magnetoresistance of hexagonal lateral superlattices 2012
_[19] 특허 United States Patent US10385424B2 Palladium-based alloys https://patentimages[...] 2020-06-19
_[20] 논문 MBE 法による半導体超格子の製作と光学的特性 https://doi.org/10.1[...] 1982

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