포논의 뜻
결정의 격자 진동을 양자화한 입자와 같은 것. 절연체의 열전도와 비열을 담당하며, 전자 산란의 원인도 된다.
일본어 명칭: フォノン
‘포논’ 관련 연습 문제는 4개 분야에 10문제가 있습니다(재료의 열적 성질, 전자·자성·광학 재료, 전지·에너지 재료 등).
이 용어의 분야: 재료의 열적 성질
포논 연습 문제에 도전
실리콘(밀도 2330 kg/m³, 비열 700 J/(kg·K))의 실온 열전도율을 150 W/(m·K), 포논의 평균 속도를 6000 m/s라고 한다. 기체 분자 운동론과 같은 형태의 식 κ = (1/3)Cvl(C는 부피당 비열)로부터 포논의 평균 자유 행로 l을 어림하면 가장 가까운 것은 무엇인가?
- A약 15 nm
- B약 5.1 nm
- C약 46 nm
정답과 해설 보기
정답: C. 약 46 nm
부피당 비열은 C = ρc = 2330×700 ≈ 1.63×10⁶ J/(m³·K)입니다. l = 3κ/(Cv) = 3×150/(1.63×10⁶×6000) ≈ 4.6×10⁻⁸ m로, 약 46 nm가 됩니다. 약 15 nm는 계수 1/3을 빠뜨리고 κ/(Cv)로 한 값이고, 약 5.1 nm는 1/3을 반대쪽에 곱해 κ/(3Cv)로 한 값입니다. 이 어림은 모든 포논을 같은 속도와 평균 자유 행로로 대표시킨 평균값이며, 실제로는 수백 nm 이상의 평균 자유 행로를 가지는 저주파 포논도 많은 열을 운반하고 있습니다. 그래서 두께가 100 nm 정도인 실리콘 박막이나 나노와이어에서는 표면에서의 산란에 의해 열전도율이 벌크보다 크게 낮아집니다.
해설 속의 ‘포논’
이 어림은 모든 포논을 같은 속도와 평균 자유 행로로 대표시킨 평균값이며, 실제로는 수백 nm 이상의 평균 자유 행로를 가지는 저주파 포논도 많은 열을 운반하고 있습니다.
실리콘(밀도 2330 kg/m³, 비열 700 J/(kg·K))의 실온 열전도율을 150 W/(m·K), …금속에서는 전도 전자의 농도가 온도와 관계없이 거의 일정하며, 온도가 올라가면 격자 진동(포논)에 의한 산란이 늘어 이동도가 떨어지므로, 비저항은 상온 부근에서 거의 온도에 비례하여 증가합니다.
온도를 올렸을 때 전기 비저항의 변화로 옳은 조합은 무엇인가? 반도체는 진성 영역에 있다고 한다.전자와 정공이 빛을 내며 재결합하려면 운동량 차이를 보충하는 포논이 동시에 관여해야 하므로 발광 재결합의 확률이 매우 낮고, 대부분은 결함 준위를 거친 비발광 재결합으로 열이 됩니다.
실리콘이 발광 다이오드의 발광 재료로 거의 쓰이지 않는 주된 이유는 무엇인가?그래서 열의 대부분을 운반하는 포논만을 나노 구조의 계면이나 무거운 원자의 래틀링으로 산란시켜 격자 열전도율을 낮추는 것이 유력한 방침이며, '포논은 유리처럼, 전자는 결정처럼'이라고 표현됩니다.
열전 성능 지수 ZT를 크게 하는 방침으로 옳은 것은 무엇인가?디바이 온도보다 충분히 낮은 온도에서 여기되는 것은 에너지가 낮은 장파장의 음향 포논뿐이며, 그 수가 온도와 함께 늘어나므로 격자 비열은 T³에 비례합니다(디바이 T³ 법칙).
디바이 온도보다 충분히 낮은 온도에서 절연체 결정의 비열(격자 비열)은 온도에 따라 어떻게 변하는가?
‘포논’ 관련 문제(10문제)
- 실리콘(밀도 2330 kg/m³, 비열 700 J/(kg·K))의 실온 열전도율을 150 W/(m·K), 포논의 평균 속도를 6000 m/s라고 한다. 기체 분자 운동론과 같은 형태의 식 κ = (1/3)Cvl(C는 부피당 비열)로부터 포논의 평균 자유 행로 l을 어림하면 가장 가까운 것은 무엇인가?
- 온도를 올렸을 때 전기 비저항의 변화로 옳은 조합은 무엇인가? 반도체는 진성 영역에 있다고 한다.
- 실리콘이 발광 다이오드의 발광 재료로 거의 쓰이지 않는 주된 이유는 무엇인가?
- 열전 성능 지수 ZT를 크게 하는 방침으로 옳은 것은 무엇인가?
- 디바이 온도보다 충분히 낮은 온도에서 절연체 결정의 비열(격자 비열)은 온도에 따라 어떻게 변하는가?
- 다이아몬드는 전기 절연체인데도 실온의 열전도율이 약 2000 W/(m·K)로 구리(약 400 W/(m·K))보다 크다. 주된 이유는 무엇인가?
- 순수 구리(실온의 열전도율 약 400 W/(m·K))에 아연을 약 30% 고용시킨 황동에서는 열전도율이 약 120 W/(m·K)로 낮아진다. 주된 이유는 무엇인가?
- 절연체 단결정의 격자 열전도율은 디바이 온도와 같은 정도 이상의 온도에서는 온도를 올리면 대략 1/T에 비례하여 낮아진다. 주된 이유는 무엇인가?
- 고체가 가열에 의해 팽창하는(열팽창이 일어나는) 주된 원인은 무엇인가?
- LDA나 GGA 교환 상관 범함수를 사용한 표준적인 DFT 계산 결과의 경향으로 옳은 것은 무엇인가?
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디바이 온도 비데만-프란츠 법칙 간접 천이형 반도체 열전 성능 지수 뒬롱-프티 법칙 황동 움클랍 과정 원자 간 퍼텐셜 밀도 범함수 이론 분자 동역학법