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Electrical Properties of Materials ( 전기물성 ) Prof. Kil-Sou Kim 010-2476-2072 School of Engineering Chungbuk National.

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1 Electrical Properties of Materials ( 전기물성 ) Prof. Kil-Sou Kim School of Engineering Chungbuk National University 2013/9/1

2 Chapt. 1 Atoms and Aggregates of Atoms

3 Atoms and Aggregates of Atoms The hydrogen atom according to the old and new quantum mechanics Nomenclature pertaining to electronic states The electron configuration of atoms The nature of the chemical bond and the classification of solids Atomic arrangements in solids Crystal structure and lattice defects

4 원자 / 많은 실험결과 – 양자 ( proton ), 전자 ( electron ), 중성자 ( neutron ) 로 구성, 중성 – 전기적 중성, 전자수 = 양자수 = 원자 번호 – 전자 전하량 e=1.6* [C] – 전자 m= 9.107* [kg] – 양자 m=1.672* [kg] – 원자크기 A o [m] order – 핵 ( nucleus ) 크기 m order – 원자 묘사 ; empty (classical) continuous charge distribution ( 전 자,wave mechanical) Hydrogen atom (Bohr’s model) – 힘의 평형 ( 쿨롬인력 = 원심력 ) –-W (-energy) 의미 –Unstable model –Bohr postulated a quantum number condition Hydrogen Atom +e+e -e =

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6 Quantum number condition –Circular orbits are stable for which the angular momentum is equal to an integer times h(Planck’s const)=6.62* J sec n=1,2,3… Frequency condition –Transition of the electron from W n1 to W n2 is associated with emission and absorption of electromagnetic radiation of a frequency Spectrum of hydrogen

7 Particle or wave ? 광의 입자성에 대한 예 – 광전효과 ; 한계파장 ( 진동수 ) –Compton 효과 – 기타 물질의 파동성에 대한 예 –Tunnel 효과 –Electron wave 회절, 간섭 – 기타 Wave mechanics, quantum mechanics 태동 - 미시입자의 거동 ; 고전역학 ( 뉴턴역학 ) 이 아닌 파동역학으로 기술 -Schrodinger wave equation ; ;probability, charge distribution * de Broglie 관계 Particle or wave ? 계의 크기 (=h/p)

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11 파동방정식의 해 ( 파동함수 ) 는 다음 의 특정 정수 조합에서 존재 – 주양자수 ; n =1, 2, 3, … – 각운동량양자수 ; l = 0,1,...( n -1) – 자기양자수 ; m l = l,(l-1),..0…-(l-1),-l Wave function nlmlml , 0, -1 2,1, 0, -1, -2 Electronic state( 전자상태 ) l =0, 1, 2, 3, 4 … s p d f g …-state n =1, 2, 3, 4, 5 …. K L M N O -shell 주양자수 n 일 때 총 상태수

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14 Electron configuration of atoms and periodic table of elements Pauli exclusion principle A given quantum state determined by three quantum numbers n,l,m l can be occupied by not more than two electrons Chemical properties of atoms are determined mainly by the outer electron configuration - Transition elements - Alkali metal - Halogen group - Rare gas

15 The nature of the chemical bond and the classification of solids r -W(r 0 ) Type of chemical bond Ionic crystals(NaCl, KF, alkali halide) Valence crystals(diamond,Si,Ge,SiC) Metals(Cu,Ag,Fe) van der Waals crystals(solid argon, organic crystals) 대부분의 결합이 4 유형으로 엄격히 구분되 는 것은 아니고 중간유형 또는 환경에 따라 서도 달라짐

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17 Ionic bond

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20 Covalent bond

21 가전자의 공유로 왜 에너지가 저하 하는가 ? ( 양자역학적 이해 )

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26 CH 4, sp 3, sigma bond

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29 2(sp 2 +p)

30 Spatial distribution of an electron in a metallic solid Metallic bond

31 Electrons and nuclei in a metal  가전자를 모든 원자핵 ( 양이온 ) 과 공유  공유결합과 같은 점, 다른 점 (4 족에서 공유결합 / 금속 diamond, Si, Ge, Pb)  도체

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33 A van der Waals bond in polar molecules  van der Waals force ; dipole-dipole, quadruple-quadruple, dipole-quadruple 간의 힘  van der Waals force 에 의한 결합, 매우 약한 결합 van der Waals bond

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37 diamond 반데발스 이온

38 Atomic arrangements in solids Crystalline, single crystal, polycrystalline Semi-crystalline Amorphous Perfect crystal Lattice defect (lattice imperfection) - vacancy, interstitial atom, impurities, grain boundary, dislocation

39 A three-dimensional lattice showing translational symmetries 결정 : 원자나 이온이 주기적으로 배열된 고체 원자나 이온 사이에 일정한 간격이 있고 결정방향으로 병진 시키면 같은 원자나 이온이 다시 나타남 Crystal Structures

40 Fourteen Bravais lattices

41 Crystal Structures Galena is lead sulfide, PbS, and has a cubic crystal structure |SOURCE: Photo by SOK Cubic FeS 2, iron sulfide, or pyrite, crystals. The crystals look brass-like yellow (“fool’s gold”). |SOURCE: Photo by SOK

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44 The Hexagonal Close Packed (HCP) Crystal Structure. (a) The Hexagonal Close Packed (HCP) Structure. A collection of many Zn atoms. Color difference distinguishes layers (stacks). (b) The stacking sequence of closely packed layers is ABAB (c) A unit cell with reduced spheres (d) The smallest unit cell with reduced spheres.

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46 Silicon A silicon ingot is a single crystal of Si. Within the bulk of the crystal, the atoms are arranged on a well-defined periodical lattice. The crystal structure is that of diamond. |Courtesy of MEMC, Electronic Materials Inc.

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53 Lattice Directions and Lattice Planes  Miller indices : specify the planes in a crystal 1) Find intercepts of the plane or the crystal axes : p, q, r 2) Take reciprocals of the intercepts & clear fractions 1/p : 1/q : 1/r = qr : rp : pq 3) Divide by the same ration h = qr/n, k=rp/n, l=pq/n 4) (hkl) for a plane {hkl} : equivalent planes (hkl) : plane : equivalent direction indices [hkl] : direction indices

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59 Amorphous Solids and Thin Films Atomic structures for crystalline and polycrystalline solids 비정질 고체는 원자나 이온이 전체적으로 불규칙적 배열 Dangling bonds 와 void 들이 발생

60 Polymers  Polymers 는 긴 반복된 연결을 가진 고체  대부분의 폴리머는 부분적으로는 결정이고 부분적으로는 비정질이 될 수 있는 탄소 골자임 A long chain of solid polyethylene

61 Crystal Imperfections  결정 결함은 결정 내에 존재하는 결함과 불순물로 인해 발생  불순물 : 고체에 있는 이질적인 원자나 이온  결함과 불순물은 여러 방면에서 서로 연관되며 고체의 성질을 변화시킬 수도 있음  결정 결함  구조적 결함  결함은 격자 퍼텐셜을 붕괴시켜서 움직이는 전자의 산란 확률을 증가 고체의 전기적 성질의 변화 기대  구조적 결함은 불순물의 재분포에 기여  구조적 결함의 분류 Point defect Line defect Plane defect

62 Crystal Imperfections

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74 X-Ray Diffraction  회절 : 입사하는 파장과 같은 거리로 공간을 차지하는 중심의 규칙적인 배열에 의해 산란 되는 빛의 결과 Bragg 법칙 : 2dsin(Θ) = nλ L (d : 면간 간격, Θ : 입사각, λ L : X 선 ( 빛 ) 파장, n : 회전차수 ) X-ray diffraction in a crystalline solid


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