固體物理學
學問名	固體物理學
學問 分野	物理學

固體物理學 (固體物理學, Solid-state physics )은 固體 의 性質에 對한 硏究를 하는 物理學 의 한 分科이다. 보다 큰 槪念인 凝集物質 物理學 과 비슷한 槪念으로 일컫는다. 固體物理學은 어떻게 작은 微視規模의 特性으로부터 巨視規模의 固體物質의 特性이 나타나는지 硏究하는 學問이다. 따라서 固體物理學은 新素材科學 의 하나의 理論的인 土臺를 마련한다. 固體物理는 트랜지스터 나 半導體 技術分野에 直接的으로 應用되는 學問이다.

背景 [ 元本 編輯 ]

固體材料들은 密集된 空間에 激烈하게 相互作用하는 原子 들로 이루어져 있다. 이러한 原子들間의 相互作用은 固體가 열, 電子奇跡, 光學的 特性을 가지게 한다. 이러한 特性은 어떠한 物質이 包含되어 있는가 或은 物質이 幾何學的 規則的인 패턴이나 不規則的인 패턴을 가지는 條件에 따라 決定된다.

固體物理學에서의 벌크理論 및 硏究는 決定構造에 焦點을 둔다. 結晶構造의 週期性을 띄는 原子들은 數學的인 모델을 可能하게 한다. 이와같이 結晶體 物質들은 工學的인 目的으로 活用될 수 있는 電氣的 , 磁氣的 , 光學的 , 力學的 人 特性을 가진다.

固體 結晶 內 原子들間의 人力은 매우 다양한 形態를 가진다. 그 한가지 例로서 흔히 소금 이라고 불리는 염화나트륨이 있다. 이 決定은 鹽素 이온과 나트륨 이온의 이온結合 으로 이루어져 있다. 原子들은 또한 서로間에 電子 를 共有하여 共有結合 을 이루기도 한다. 金屬에서는 金屬 結合 이 이루어지는데, 이는 電子들이 決定 構造 內에서 共有되는 것을 말한다. 마지막으로 非活性 氣體 는 어떠한 種類의 結合도 가지지 않는다. 固體形態 內에서, 非活性 氣體는 오로지 2分子의 電氣的 雙極子-雙極子 相互作用 에 依해 생기는 반 데르 발스 힘 에 依해서만 發生한다. 固體의 特性의 差異는 바로 이러한 原子들間의 結合 方式에 따라 決定된다.

크리스탈 構造와 特性 [ 元本 編輯 ]

많은 物質의 特性은 크리스탈 構造에 依해 決定된다. 이러한 物質의 構造는 엑스線結晶學 , 中性子回折 , 電子回折 과 같은 結晶學 技術을 利用하여 硏究된다. 實際 決定은 理想的인 構造로부터 決定의 缺點이나 不規則性으로 特色지어진다. 이러한 決定構造의 不規則性은 實際 物質의 電氣的, 機械的 特性이 달라지는 原因이 된다.

固體 내 結晶格子는 振動을 하는데, 이러한 振動은 마치 빛처럼 兩者化되어 있다고 記述할 수 있다. 이런 양자화된 振動모드는 포논 으로 알려져 있으며 이 포논은 實際로 存在하는 건 아니지만 固體 特性을 技術 하는데 있어 重要한 役割을 하는 槪念이다. 그 例로서 포논을 통하여 不導體 의 熱傳導를 理解 할 수 있다. 포논은 또 아인슈타인 모델 과 後記 드파이 모델 을 통해 固體의 熱容量을 理解하는 데 있어 必須的인 槪念이기도 하다.

電氣的 特性 [ 元本 編輯 ]

電氣的特性과 熱容量 과 같은 物質의 特性이 固體物理學을 硏究하는 데 있어 重要한 分野이다. 電氣的 特性을 調査하는 初期의 方法으로는 固體內 前者에 運動에너지를 適用하여 푸는 드루드모델 이 있다. 物質이 움직이지 않는 양이온과 相互作用하지 않는 '電子구름'으로 存在한다고 古典的으로 假定하여 드루드모델은 電氣的特性과 熱容量과 홀 效果 까지 說明할 수 있다. 하지만 드루드모델은 電氣的 熱容量을 過度하게 推定하는 短點이 있다.

아르놀트 조머펠트 는 自由 電子 모델 古典的인 드루드모델에 量子力學 을 결부시켰다.(드루드-조머펠트 모델) 여기서 前者는 페르미 機體 라고 假定하여 粒子들이 量子力學의 페르미-디랙 統計 를 滿足하도록 記述하였다. 이러한 自由 電子 모델은 物質의 熱容量에 對한 보다 進步된 結果를 導出해 냈다. 夏至幕 이 모델로는 不導體를 說明하기에는 力不足이었다.

近似 自由 電子 모델 은 이러한 自由 電子 모델의 問題點을 保安하였다. 여기에는 攝動理論 을 利用하여 固體 格子의 傳導電子와 이온間에 相互作用을 考慮하였다. 이와 함께 띠構造론 이 導入됨에 따라 이 理論은 導體와 半導體 그리고 不導體의 存在까지 說明할 수 있었다.

近似 自由 電子 모델은 슈뢰딩거 方程式 을 週期포텐셜에 對해서 再技術 하게 했다. 블로號 파 는 이러한 境遇의 適切한 슈뢰딩거 方程式의 해가 된다. 블로號의 理論은 오직 週期포텐셜에 使用되기에 이 理論은 近似的인 境遇에만 使用된다. 하지만 블로號의 理論은 아주 有用한 것으로 判明되었다.

硏究 分野 [ 元本 編輯 ]

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固體物理學

• 素子 物理
• 半導體 物理
• 表面 物理

參考 [ 元本 編輯 ]

• Kittel, Thermal physics (ISSP).
• Kittel, Introduction to Solid State Physics (ISSP). 學部 水準의 物理學 專攻者들을 위한 入門書