고체물리학 - Solid-state physics

고체물리학 - Solid-state physics

고체물리학은 양자역학, 결정학, 전자석학, 야금학 등의 방법을 통해 단단한 물질, 즉 고체를 연구하는 학문이다. 응축물리학의 가장 큰 분야다. 고체물리학은 고형물질의 대규모 성질이 원자규모 성질에 의해 어떻게 발생하는지를 연구한다. 그러므로 고체 상태의 물리학은 물질 과학의 이론적 기초를 형성한다. 트랜지스터와 반도체 기술 등 직접 응용 분야도 갖추고 있다.

배경

고형 물질은 빽빽하게 채워진 원자로부터 형성되는데, 이 원자는 격렬하게 상호작용을 한다. 이러한 상호작용은 고체의 기계적 특성(예: 경도와 탄성), 열, 전기, 자기 및 광학적 특성을 생성한다. 원자는 관련된 물질과 그것이 형성된 조건에 따라 규칙적인 기하학적 패턴(금속과 일반 물 얼음을 포함하는 크리스탈린 고체) 또는 불규칙적으로 배열될 수 있다(일반 창문 유리와 같은 비정형 고체). 고체 상태의 물리학의 대부분은 일반적인 이론으로서 결정체에 초점을 맞추고 있다. 첫째로, 이것은 결정에서 원자의 주기성, 즉 그 정의적 특성이 수학적 모델링을 용이하게 하기 때문이다. 마찬가지로 결정 물질은 종종 공학적 목적으로 이용될 수 있는 전기적, 자기적, 광학적 또는 기계적 특성을 가지고 있다.

결정 속에 있는 원자 사이의 힘은 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들어 염화나트륨(일반 소금)의 결정체에서 결정체는 이온 나트륨과 염소로 이루어져 있으며, 이온 결합과 함께 고정된다. 다른 곳에서는 원자들이 전자를 공유하고 공밸런스 결합을 형성한다. 금속에서 전자는 금속 결합에서 결정 전체 사이에 공유된다. 마지막으로, 고귀한 가스는 이런 종류의 결합을 거치지 않는다. 고체 형태로, 고귀한 가스는 각 원자의 전자 전하 구름의 편극화에 기인하는 반 데르 발스 힘과 함께 고정된다. 고체 유형 간의 차이는 결합 간의 차이에서 비롯된다.

역사

고체의 물리적 성질은 수세기 동안 과학 연구의 공통적인 주제였지만, 1940년대에 이르러서야 고형물리학이라는 이름으로 진행되는 별도의 분야가 등장했고, 특히 미국물리학회 내에 고형물리학부(DSSP)가 설립되었다. DSSP는 산업 물리학자들에게 공급되었고, 고체 상태의 물리학은 고체에 대한 연구에 의해 가능하게 된 기술적 응용과 연관되었다. 1960년대 초까지 DSSP는 미국물리학회에서 가장 큰 분업이었다. 제2차 세계대전 이후 유럽에서도, 특히 영국, 독일, 소비에트 연방에서도 고체 상태의 물리학자들로 이루어진 대규모 공동체가 출현하였다. 미국과 유럽에서는 반도체, 초전도성, 핵자기공명 등 다양한 현상에 대한 조사를 통해 솔리드 스테이트가 쟁쟁한 분야가 되었다. 초기 냉전 기간 동안 고형물리학에 대한 연구는 고형물에 국한되지 않는 경우가 많았으며, 이로 인해 1970년대와 1980년대 일부 물리학자들은 고형물, 액체, 플라스마, 그 밖의 복잡한 물질을 조사하기 위해 사용된 공통 기법을 중심으로 조직된 응축물리학의 분야를 발견하게 되었다. 오늘날 고형물리학은 일반적으로 규칙적인 결정 격자를 가진 고형물의 성질에 초점을 맞춘 응축물리학의 하위 분야로 간주되고 있다.

결정 구조 및 특성

재료의 많은 성질은 결정 구조에 의해 영향을 받는다. 이 구조는 X선 결정학, 중성자 회절, 전자 회절 등 다양한 결정학적 기법을 사용하여 조사할 수 있다. 결정성 고체 물질에 포함된 개별 결정체의 크기는 관련 물질과 형성 당시의 조건에 따라 다르다. 일상 생활에서 접하는 대부분의 결정체는 다결정체인데, 개별 결정체는 크기가 미세하지만 거시적인 단일 결정체는 자연적으로(예: 다이아몬드) 또는 인공적으로 생산될 수 있다. 실제 결정체는 이상적인 배열에서 결함이나 불규칙성을 특징으로 하며, 실제 재료의 전기적, 기계적 특성 중 많은 부분을 결정짓는 것은 이러한 결함이다.

전자적 특성

전기전도 및 열 용량과 같은 물질의 성질은 고체물리학에 의해 조사된다. 전기전도의 초기 모델은 고체의 전자에 운동 이론을 적용한 드루드 모델이었다. 이 물질에 움직이지 않는 양의 이온과 고전적이고 비접촉적인 전자의 "전자기스"가 들어 있다고 가정함으로써 드루데 모델은 전자열 용량을 크게 과대평가했음에도 불구하고 전기 및 열전도율과 금속의 홀 효과를 설명할 수 있었다. 아놀드 소머펠트(Arnold Sommerfeld)는 프리 전자 모델(또는 드루드 소머펠트 모델)에서 고전적인 드루드 모델과 양자 역학을 결합했다. 여기서 전자는 양자역학 페르미-디락 통계에 따르는 입자의 기체인 페르미 가스로 모델링된다. 자유 전자 모델은 금속의 열 용량에 대해 개선된 예측을 제공했지만 절연체의 존재를 설명할 수 없었다.

거의 자유 전자 모델은 자유 전자 모델의 변형이며, 결정 고체의 전도 전자와 이온 사이의 상호작용을 모델링하기 위한 약한 주기적 섭동을 포함한다. 전자 대역의 사상을 소개함으로써 도체, 반도체, 절연체의 존재를 설명한다. 거의 자유로운 전자 모델은 주기적인 전위의 경우를 위해 슈뢰딩거 방정식을 다시 쓴다. 이 경우 해결책은 Bloch state라고 알려져 있다. Bloch의 정리는 주기적인 전위에만 적용되고, 결정에서 원자의 끊임없는 무작위적인 움직임이 주기성을 교란하기 때문에, 이러한 Bloch의 정리의 사용은 근사치에 불과하지만, 대부분의 고체 상태의 물리학 분석은 난해할 수 없는 엄청나게 값진 근사치임이 증명되었다. 주기성의 일탈은 양자역학적 섭동 이론에 의해 처리된다.