고체물리학, 결정구조

1. 고체물리학(solid state physics)

물성물리학의 한 분야로 고체의 물리적인 여러 성질을 그 원자적 구조와 관련시켜서 연구하는 학문이다. 주로 금속 ·비금속의 홑원소물질 또는 화합물의 결정을 다루지만, 유리 등 비결정성 고체의 연구도 포함된다. 고체를 이루고 있는 원자의 배열인 결정구조를 알기 위해서는 주로 X선회절법이 사용되고, 원자의 세계를 기술할 수 있는 양자이론, 양자통계학 등이 그 기초가 된다. 고체물리학은 1930년 후반부터 싹트기 시작한 분야로, 학문적인 역사는 짧지만 매우 빠르게 발전하고 있다. 고체 중에서 결정체는 취급하기 쉽기 때문에 연구가 많이 이루어졌고, 점차 비결정질(非結晶質) 물질까지 그 연구 범위가 넓어지고 있다. 연구대상 물질로는 금속 ·이온결정 ·반도체 ·유전체 ·자성체 등이 포함된다.

연구대상이 되고 있는 중요한 과제는 페르미면의 모양과 같은 고체 속에서의 전자상태에 대한 문제, 상전이에 대한 문제, 어긋나기[轉位]에 의한 결정변형의 작용원리나 구조의 해명, 반도체 또는 이온결정에서의 불순물 준위, 레이저광에 의해서 일어나는 비선형현상, 극저온에서의 각종 이상현상, 초고압하에서의 특성변화, 초전도현상의 본질 파악 등 다채로운 분야가 있다. 연구의 수준도 매우 높아서, 미시적 입장에서 고체의 특성을 이해할 수 있는 범위가 넓어지고 있다. 따라서 필요에 따라 원하는 특성을 가지는 결정의 성분과 구조를 추적할 수도 있게 되어, 물질의 원자적 설계가 어느 정도 가능하게 되었다.
물질 종류의 입장으로 보면 금속물리 ·이온결정의 물리 등이 있고, 주목하는 물성의 입장으로 보면 유전성 ·반도체 ·자성 ·강자성 ·가소성 ·초전도성 등이 있다. 연구방법은 X선결정학 ·전자살회절 ·중성자살회절 ·고체광학 등이 있으며, 이론적인 연구대상으로는 결정격자의 역학 ·고체전자론 ·고체의 통계론 등이 있다.

고체물리학이 이룩한 가장 큰 성과의 하나는 트랜지스터의 발명 이후 눈부시게 발전해온 각종 고체소자에 대한 연구인데, 이로써 현대과학은 일대 혁신을 맞이하게 되었다. 그 외에도 각종 합금 ·자성체 ·유전체 ·형광체 ·특수유리 ·고분자재료 등 유용한 재료가 고체물리학의 연구성과로 만들어졌다.

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2. 결정구조 [結晶構造, crystal structure]

대부분의 단위체를 비롯하여 간단한 무기화합물·유기화합물 그리고 복잡한 조성을 가진 광물이나 유기천연물 또는 고분자물질에 이르기까지 결정구조가 밝혀진 것은 매우 많다. 각 물질의 결정구조는 대응하는 공간군(空間群)과 원자좌표값에 의하여 결정되는데, 원자의 상대적인 위치로부터 분자의 형성, 원자단의 존재 등이 밝혀지게 되어 원자간거리·분자간거리·배위수 등을 알 수 있게 되었다. 대표적인 결정구조형으로는 암염형(岩鹽形) 결정, 다이아몬드형 결정 등이 있다. 주로 X선해석으로 결정하며, 다른 입자선을 보조적으로 사용한다. 결정구조는 결정화학의 기초지식으로, 결정구조를 구하여 광물의 조성을 밝혀내는 X선광물학을 비롯하여, 많은 분야에서 널리 이용하고 있다.
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NaCl : fcc구조
CsCl 구조 : sc구조(단위입방체내에 한 개의 CsCl 존재)
Mg, Be, Cd, Zn(hexgonal closed packed)
Si, Ge, C 결정구조 (다이아몬드 구조)


3. 염화나트륨형 구조 [鹽化─型構造]

암염형(岩鹽型) 구조라고도 하며 또는 식염형 구조라고도 하는데, 할로겐화 세슘을 제외한 할로겐화 알칼리금속, 할로겐화 암모늄, 또는 알칼리토금속의 산화물과 황화물에서 흔히 볼 수 있는 결정 모양으로 양이온과 음이온이 교대로 배열된 구조를 이루고 있다.

양이온과 음이온이 모두 배위수(配位數)가 6인 팔면체 자리를 차지하는 두 개의 면심입방(面心立方)격자가 서로 침투되어 있는 구조이다. 양이온과 음이온의 반지름비가 0.414~0.732의 값을 가질 때 안정한 구조로 결정의 안정화 정도를 나타내는 마델룽(Madelung constant) 상수의 값은 1.7476이다. 양이온이 너무 크면 염화세슘(CsCl) 구조가 되고, 양이온이 너무 작으면 섬아연석(ZnS) 구조가 된다.

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4. 염화세슘형구조 (鹽化－型構造 cesium chloride structure)

일반식 AX(A는 양성원소, X는 음성원소)로 나타내는 화합물에서 발견되는 결정구조의 한 형식. 염화나트륨형구조와 함께 이온결정의 대표적인 구조이다. 염화세슘 CsCl은 알칼리금속할로겐화물인데, 세슘의 이온반지름이 크기 때문에 염화나트륨 등과는 다른 결정구조를 가진다. 염화이온이 정육면체의 각(角)에 있고 정육면체의 중심에 세슘이온이 들어간다. 등축(입방)정계, 공간군 3 가 0.4123㎚인 단위격자는 세슘이온·염화이온 1개씩을 포함한다. 브롬화세슘 CsBr와 요오드화세슘 CsI 등의 염 이외에 CuZn과 AgCd와 같은 금속간화합물도 이런 구조를 가진다. 염화이온·세슘이온이 각각 단순입방격자를 만들고 있으나 체심입방격자는 아니다. 할로겐화염기의 결정구조는 반지름비로 모두 설명될 수 있는 것은 아니며 온도와 압력에 의해 염화나트륨형과 염화세슘형 사이에서 전이(轉移)하는 것도 많다.

5. Hexagonal close-packed structure

육방 밀집 구조의 원점은 대칭중심이 있는 팔면체 자리로 한다. 단원소 구조로 육방 밀집을 이루는  물질은 Be, Cd,Ce, Cr, Dt, Er, Gd, He, Hf, La, Li, Mg, Na, Ni, Sc, Ti, Zn 등이 있고, 이온 결정의 구조에서 음이온이 육방 밀집을 이루고(구의 자리) 양이온이 사면체 자리의 반을 채우면 Wurtzite 구조가 되고, 양이온이 팔면체 자리를 전부 채우면 NiAs 구조가 된다.

Mg, Be, Cd, Zn(hexgonal closed packed)

이 원자배열을 구성하기 위해서는 한 평면에 먼저 원자를 육방최밀배열로 충진한다. 이 위에 유사하게 배열된 원자의 다른 층을 놓으면, 이들은 첫번째 층의 원자들 사이의 계곡에 놓이게 된다. 이 위에 세번째 층을 놓으면, 이는 첫번째와 같은 선상에 있게 된다. 이 육방배열내에 단위정이 위치한다.

6. Diamond structure
탄소 원자가 입방 밀집을 이루고 사면체 자리의 반을 다시 탄소가 채운 구조로, sp3 혼성 공유 결합에 의한 방향성을 갖는 결합이다. 탄소의 입방 밀집 격자 둘이 이탈 벡터 (1/4,1/4,1/4)을 가지고 서로 겹쳐있는 구조로 볼 수도 있다. Si, Ge, a-Sn이 이 구조를 갖는다.