해피레포트 - 물리학실험

카테고리 : 레포트 > 자연과학계열 파일이름 :물리학실험 - 양자 꿰뚫기.hwp 문서분량 : 10 page 등록인 : leewk2547 문서뷰어 : 한글뷰어프로그램 등록/수정일 : 13.12.31 / 13.12.31 구매평가 : 다운로드수 : 0 판매가격 : 2,000 원

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보고서설명
물체의 전자구조는 양자적인 특성이다. 전자구조에 따라 물체는 금속(도체), 반도체, 부도체로 나뉜다. 부도체 막을 사이에 둔 두 금속 사이의 전기전도 특성도 부도체 막의 두께가 매우 얇거나 가해 준 전위차가 크면 전기를 통한다. 이는 양자역학적인 꿰뚫기(터널링) 현상의 한 예이다. 이 양자역학적 꿰뚫기는 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope, STM)라는 표면 상태의 원자 구조를 조사하는 실험 도구로 이용되기도 하지만, 더 흔하게는 떼었다 붙였다 할 수 있는 전기 여닫이(스위치)의 접점이나 전기 줄로 쓰이는 구리선을 이을 때 서로 꼬아서 전기를 통하게 하는데도 이용된다. 이 실험에서는 주변에서 사용되는 몇 가지 재료의 전기 흐름 특성을 조사하고, 이들의 전기전도 구조를 이해하도록 한다. 또, 전기저항을 측정하는 4 탐침 조사방법을 경험하고 양자역학적 꿰뚫기현상을 공부하도록 한다.

본문일부/목차
먼저 도체(금속)의 전기전도 특성을 살펴본다. 여기서 말하는 도체(conductor)란 전기를 잘 통하는 물체를 가리키며, 도체의 대부분은 금속(metal) 물질이다. 금속이란 물질 내에 자유로이 움직일 수 있는 전자(자유전자)들이 있어서, 이들 때문에 내부에서는 정적인 전기마당(electrostatic field)이 0 이 되는 특성을 보인다. 즉, 내부에 알짜 전하(net charge)가 있게 되면, 그로 인한 전기마당에 의해 자유전자들이 재배치됨으로써, 전기마당을 상쇄시킨다. 따라서 금속 내 알짜 전하는 금속의 표면에만 있을 수 있다. 이제 어떻게 해서 금속 내에 자유전자들이 존재하는가 알아본다. 원자들간의 거리가 고체 물질에서와 같이 가까워지면(～ 3 Å), 각 원자에 속한 전자들 중 일부가 서로 겹치는 겹치기(overlap)가 일어난다. 가까이 있는 원자들 사이의 서로 작용은 졸들은 원자 상태(겹침 상태, degenerate state)를 갈라놓아, 안졸들은 상태(안겹침 상태, nondegenerate state)로 만든다. 또, 시공간을 공유하는 전자는 그 양자적인 특성에 크게 지배받는데, 전자와 같이 스핀이 반 정수인 알갱이들은 페르미온으로서 밀어내기 원리(exclusion principle)를 따른다. 즉, 둘 이상의 전자가 같은 상태를 동시에 가질 수 없다. 따라서 원자들끼리 겹치는 전자의 수가 많을 때 이들은 각각 다른 상태를 가져야 한다. 금속 물질의 경우 원자들의 겹침은 원자 당 거의 1 개의 자유전자를 제공한다. 전자는 두 개의 스핀 상태가 가능하기 때문에(spin up 과 spin down 또는 스핀 자기양자수 sz = +½ 과 -½), 이들 전자들은 모든 전자 상태를 다 차지하지 못하고 많은 수의 상태가 남게 된다. 이에 따라 외부에서 전기마당을 가하거나, 빛을 쪼여주거나, 열을 가하는 방법으로 에너지를 증가시킬 때도 그런 상태가 비어 있었기 때문에 쉽게 상태의 변화가 일어난다. 즉, 전기마당이나 열에 의해 전하의 운동이 생기며, 금속물질의 전기전도도와 열전도도가 큰 이유가 바로 여기에 있다. 반면, 부도체들은 원자들이 이온결합을 하거나 공유결합을 하는 등으로 서로 얽매어 자유전자들을 내지 못한다. 따라서 전기 전도도도가 0 이고(실제로는 불순물 등 다른 이유로 0 이 아닌 전기전도도를 갖는다.) 열 전도도도 작다.

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