고체 물리학

Solid-state physics
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고체물리학은 양자역학, 결정학, 전자기학, 그리고 야금과 같은 방법을 통해 단단한 물질 또는 고체를 연구하는 학문이다.그것은 응집 물질 물리학의 가장 큰 분야이다.고체물리학은 고체물질의 대규모 특성이 원자 규모의 특성으로부터 어떻게 생기는지를 연구한다.따라서, 고체 물리학은 재료 과학의 이론적 기초를 형성합니다.트랜지스터와 반도체 기술 등 직접 응용할 수도 있습니다.

배경

고체 물질은 밀도가 높은 원자들로 구성되어 있으며, 원자들은 강하게 상호작용합니다.이러한 상호작용은 고체의 기계적 특성(예: 경도 및 탄성), 열, 전기, 자기 및 광학 특성을 생성합니다.원자는 관련된 물질 및 그 형성 조건에 따라 규칙적인 기하학적 패턴(금속 및 일반 수빙을 포함하는 결정성 고체) 또는 불규칙한(일반 창유리와 같은 비정질 고체)으로 배열될 수 있다.

고체물리학의 대부분은, 일반적인 이론으로서, 결정체에 초점을 맞추고 있다.우선, 이것은 결정의 원자의 주기성, 즉 결정의 결정적인 특성이 수학적 모델링을 용이하게 하기 때문입니다.마찬가지로 결정성 재료는 종종 공학적 목적으로 이용될 수 있는 전기적, 자기적, 광학적 또는 기계적 특성을 가지고 있습니다.

결정 속의 원자 사이의 힘은 다양한 형태를 취할 수 있다.예를 들어 염화나트륨(일반염) 결정에서 이온나트륨과 염소로 구성되어 이온결합과 함께 유지된다.다른 곳에서는 원자들이 전자를 공유하고 공유 결합을 형성한다.금속에서는 전자가 금속 결합으로 결정 전체에서 공유된다.마지막으로, 귀한 가스는 이러한 유형의 결합을 거치지 않습니다.고체 형태에서, 귀한 가스는 각 원자에서 전자 전하 구름의 편광으로 인해 발생하는 반데르발스 힘과 함께 유지된다.고체 유형 간의 차이는 결합 간의 차이에서 비롯됩니다.

역사

고체의 물리적 특성은 수세기 동안 과학 연구의 공통적인 주제였지만, 특히 미국 물리학회 내에 고체 물리학 분과(DSSP)가 설립되면서 1940년대에 이르러서야 고체 물리학이라는 이름이 붙었다.DSSP는 산업 물리학자들의 요구를 충족시켰고, 고체 물리학은 고체 연구에 의해 가능해진 기술적 응용과 관련되게 되었다.1960년대 초까지, DSSP는 미국 물리 [1][2]협회의 가장 큰 부서였다.

제2차 세계대전 이후 유럽, 특히 영국, 독일,[3] 소련에서 솔리드 스테이트 물리학자들의 대규모 커뮤니티가 생겨났다.미국과 유럽에서는 반도체, 초전도, 핵자기공명 등 다양한 현상에 대한 조사를 통해 솔리드 스테이트가 중요한 분야가 되었다.초기 냉전 기간 동안, 고체 물리학 연구는 종종 고체로 제한되지 않았고, 이것은 1970년대와 1980년대의 일부 물리학자들이 고체, 액체, 플라스마, 그리고 다른 복잡한 [1]물질을 조사하는데 사용되는 일반적인 기술들을 중심으로 구성된 응집 물질 물리학 분야를 발견하게 했다.오늘날, 고체물리학은 보통 결정 격자를 가진 고체의 특성에 초점을 맞춘, 종종 경질 응집 물질이라고 불리는 응집 물질 물리학의 하위 분야로 널리 여겨지고 있습니다.

결정구조 및 특성

입방체 격자의 예

재료의 많은 특성은 결정 구조에 의해 영향을 받습니다.이 구조는 X선 결정학, 중성자 회절 및 전자 회절을 포함한 다양한 결정학적 기술을 사용하여 조사할 수 있습니다.

결정성 고체 물질에 포함된 개별 결정의 크기는 관련된 물질과 그것이 형성되었을 때의 조건에 따라 다릅니다.일상생활에서 마주치는 결정성 물질의 대부분은 다결정이며, 개별 결정의 크기는 미세하지만, 육안적인 단결정(예: 다이아몬드) 또는 인공적으로 생성될 수 있습니다.

실제 결정은 이상적인 배열에서 결함이나 불규칙성을 특징으로 하며, 이러한 결함이 실제 물질의 전기적 및 기계적 특성을 결정적으로 결정합니다.

전자 속성

전기 전도 및 열 용량과 같은 재료의 특성은 고체 물리학에 의해 조사됩니다.전기 전도의 초기 모델은 고체 속의 전자에 운동 이론을 적용한 드루드 모델이었다.재료에 고정된 양이온과 고전적이고 상호작용하지 않는 전자의 "전자 가스"가 포함되어 있다고 가정함으로써, 드루드 모델은 전기 및 열 전도율과 금속의 홀 효과를 설명할 수 있었지만, 전자 열 용량은 크게 과대평가했습니다.

Arnold Sommerfeld는 고전 드루드 모델을 자유 전자 모형(또는 드루드-소머펠트 모형)에서 양자 역학과 결합했습니다.여기서 전자는 양자역학적인 페르미-디락 통계를 따르는 입자의 기체인 페르미 가스로 모델링됩니다.자유 전자 모델은 금속의 열 용량에 대한 개선된 예측을 제공했지만, 절연체의 존재를 설명할 수는 없었다.

거의 자유로운 전자 모델은 결정성 고체에서 전도 전자와 이온 사이의 상호작용을 모델링하기 위한 약한 주기적 섭동을 포함하는 자유 전자 모델의 수정입니다.전자 대역의 개념을 도입함으로써, 이 이론은 도체, 반도체, 절연체의 존재를 설명한다.

거의 자유로운 전자 모델은 주기적인 전위의 경우에 슈뢰딩거 방정식을 다시 씁니다.이 경우의 솔루션은 Bloch 상태로 알려져 있습니다.블로흐의 정리는 주기적 전위에만 적용되고 결정적 주기성 내에서 원자의 끊임없는 무작위 이동이 있기 때문에, 블로흐의 정리의 사용은 단지 근사치일 뿐이지만, 이것이 없다면 대부분의 고체 물리학 분석은 다루기 어려울 것이다.주기성으로부터의 편차는 양자역학적 섭동 이론에 의해 처리된다.

현대 연구

솔리드 스테이트 물리학의 최신 연구 주제는 다음과 같습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ a b Martin, Joseph D. (2015). "What's in a Name Change? Solid State Physics, Condensed Matter Physics, and Materials Science" (PDF). Physics in Perspective. 17 (1): 3–32. Bibcode:2015PhP....17....3M. doi:10.1007/s00016-014-0151-7. S2CID 117809375.
  2. ^ Hoddeson, Lillian; et al. (1992). Out of the Crystal Maze: Chapters from The History of Solid State Physics. Oxford University Press. ISBN 9780195053296.
  3. ^ Hoffmann, Dieter (2013). "Fifty Years of Physica Status Solidi in Historical Perspective". Physica Status Solidi B. 250 (4): 871–887. Bibcode:2013PSSBR.250..871H. doi:10.1002/pssb.201340126. S2CID 122917133.

추가 정보

  • Neil W. Ashcroft 및 N. David Mermin, 솔리드 스테이트 물리학(Harcourt: Orlando, 1976).
  • Charles Kittel, 솔리드 스테이트 물리 입문 (Wiley: New York,
  • H. M. 로젠버그, 솔리드 스테이트(옥스포드 대학 출판부: 옥스포드, 1995).
  • Steven H. Simon, The Oxford Solid State Basics (Oxford University Press: Oxford, 2013).
  • 크리스탈 메이즈 밖으로. 고체물리학의 역사 챕터, ed.릴리안 호데슨, 어니스트 브라운, 위르겐 테이크만, 스펜서 와트(옥스포드:옥스퍼드 대학 출판부, 1992).
  • M. A. Omar, Elementary Solid State Physics(리비전 인쇄, Adison-Wesley, 1993).
  • Hofmann, Philip (2015-05-26). Solid State Physics (2 ed.). Wiley-VCH. ISBN 978-3527412822.


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