재료의 열적 성질
다이아몬드는 전기 절연체인데도 실온의 열전도율이 약 2000 W/(m·K)로 구리(약 400 W/(m·K))보다 크다. 주된 이유는 무엇인가?
- A가벼운 탄소 원자가 강한 공유 결합으로 묶여 있어 음속이 크고, 열을 운반하는 포논이 잘 산란되지 않기 때문
- B밴드갭이 클수록 열로 여기되는 전도 전자가 많아지며, 금속과 마찬가지로 그 전자가 열을 운반하기 때문
- C결정 속에 자유롭게 움직일 수 있는 정공이 매우 많아, 금속의 전도 전자와 마찬가지로 정공이 열의 대부분을 운반하기 때문
정답과 해설 보기
정답: A. 가벼운 탄소 원자가 강한 공유 결합으로 묶여 있어 음속이 크고, 열을 운반하는 포논이 잘 산란되지 않기 때문
절연체 속에서 열은 주로 격자 진동의 파동인 포논이 운반합니다. 열전도율은 κ = (1/3)Cvl과 같이 비열 C, 음속 v, 평균 자유 행로 l의 곱으로 나타냅니다. 다이아몬드는 원자가 가볍고 결합이 강하므로 디바이 온도가 약 1900~2200 K로 높고 음속이 크며, 실온에서는 포논끼리의 산란도 잘 일어나지 않아 l이 길어집니다. 그래서 약 2000 W/(m·K)로 구리의 약 400 W/(m·K)를 웃돕니다. 밴드갭이 약 5.5 eV로 큰 다이아몬드에서는 실온에서 열로 여기되는 전자나 정공이 거의 없어 열의 운반체가 되지 않습니다. 구리 등의 금속에서는 열의 대부분을 전도 전자가 운반합니다.