Transcript 제9장 별장(부록)
제 6장 부 록
< 6.1> 초전도(Super conductivity)
<6.2> 熱電效果
<6.3> 電子의 放出
< 6.1> 초전도(Super conductivity)
[1] 초전도 현상
1911 Onnes : Hg가 4.15K에서 전기 저항이 급격히 소멸되어 전기전도도가
무한대 (전기저항 0)
* 천이온도 or 임계온도 Tc : 초전도 상태가 되는 온도
상온에서 전도성이 좋지 않는 원소가 초 전도체
상온에서 양도체이거나 강자성 금속은 초전도성을 나타내지 않음
R
Hg
Pt
4.15ºK
* Onnes : 1913년 노벨상
T
[2] 초전도의 성질
임계온도와 임계 자장 : 초전도 상태에 있는 초전도체에 강한 자장을 걸어 주면
상전도 상태로 환원
상전도 상태로 환원
* 입계자장 HC HO [1 (
T 2
)]
TC
0°K에서의 임계자장
초전도체의 반자성(反磁性)
1933 Meissner & Ochsenfeld : Meissner effect
: 초전도체를 임계자장 이하의 자장속에 넣으면
피하여 형성
자력선은 초전도체를
자속밀도 B = 0 (완전반자성)
( by Maxwell eq , = 0 ,
dB
0 되나 , B 0 은별개 )
dt
[3] 임계전류밀도 Jc
: 임계전류밀도 보다 높으면
초전도체는 상전도상태로
B (or H)
Hc
* 초전도성에 요구되는 특성
① Tc, Hc, Jc 가 높은 것
② 재료의 가공성이 양호할 것
Tc
③ 기계적 강도가 높을 것
T
Jc
J
④ 선재(線材)가 가능할 것
[4] 초전도현상의 이론
B. C. S 이론 : 1957 Bardeen, Cooper, Schrieffer
격자진동( lattice vibration)을 매개로 두개의 전자가 서로 끌어 당기어
쌍을 이룸으로써 (Cooper pair ) 전자쌍들의 집합적으로 움직임
(collection motion)
Cooper쌍 : 격자에 왜(歪)가 생겨 전자 주위의 potential이 저하하기 때에
다른 전자끼리 가까워 짐
임계온도와 동위원소 효과
: 1950 Maxwell & Raynolds
Hg의 여러 동위원소에 대해 Tc는
1
2
원소의 질량의 1/2승에 역비례 ( M TC const)
[5] Josenphson 효과
1960 Giaever : 두 전도체 사이에 절연 산화물을 입히고 전자가 tunneling
해서 통과하는 실험고안
energe gap 존재 증명
1962 Josephson 효과 : 전자쌍이 직접 tunneling 할 때 파동함수의 간섭에
의해 전류에 ossillation 이 생기는 것을 발견
전자쌍(Cooper pair) 존재를 실험적으로 확인
Josephson 효과
: 2개의 전도체가 얇은 절연막을 사이에 두고 접했을 때 Cooper쌍이 tunnel
효과에 의해 절연막을 통과하여 전류가 생김 (절연막도 초전도체 처럼 거동 )
① 직류 Josephson 효과 : 일정치 이하의 직류전류(Ic)을 흘리면
두 초전도체의 상호작용으로 전위차가 없는 영구전류
I IC sin
( : Cooper쌍파의 위상차)
② 교류 Josephson 효과 : if 직류전압 V를 가하면 V에 비례하는 주파수의 교류발생
I
Ic
Ic
V
d
(2e / ) V
dt
I IC sin {( 2e / ) Vt 0}
2 f (2e / ) V
(수mV 에서 100 MHZ )
[6] 고온 초전도
1973 Tc = 23ºK 인 Nb3Ge 발견
1986 IBM의 Bednorz 와 Müller : 희토류 산화물인
La2-xBaxCuO4 에서 Tc = 35ºK
1987 Houston 대학 Chu : Y - Ba - Cu - O 계에서 Tc = 90 ºK
( cf 질소의 액화온도 : 77 ºK )
고온 초전도체
① La2-xAxCuO4- 계 (A=Ba, Sr, Ca)
② RBa2Cu3O4- 계 (R=Y, La, Nd, Sm, Eu, Gd, Dy…..)
③ 1-2-3 조성 관련의 고용체계 - R1-xB2-xCu3O4-
④ 그외 : Bi-Sr-Ca-Cu-O계, Cu-O판
* 대상물질이 종래의 금속이나 금속화합물에서 산화물로
(관심학자 : 고체물리학자
재료분야, 전기전자분야, 화학자까지)
[7] 초전도의 응용
① 초전도 magnet : 초전도 물질의 선재(線材)로서 coil
대전류를 흘릴 수 있다
큰 전력 손실없이 고자계 발생(발생가능 자계는 임계자계Hc까지)
예) 부상전철
② 초전도 송전
: 입계온도가 Tc, 입계자장 Hc가 높은 재료를 사용하여 저손실 송전
③ Cryotron
if Ta와 Nb (혹은 pb) 모두 초전도 상태
coil에 전류
상전도상태
Ta
자계발생
on ~ off
: 전자계산기 스위치 소자
Nb ~ pb
<6.2> 熱電效果
: 열현상과 전기현상의 상호작용에 의한 제효과
[1] Seeback 효과
A
P
(고온)
B
Q
(저온)
if 좌측을 고온
2종의 금속 혹은 반도체를 접합하여 폐회로를 만들고
그 집합점의 온도차 T = T1 - T2
열기전력(熱起電力) 발생
우측에 비해 보다 많은 전자가 donor준위에서 여기
전자밀도가 증가
케리어 밀도 기울기로 인한 확산전류
Seeback 전압
Seeback 계수
여기서
3 eVF kT
VS (
)
2 kT e
VS
3 eVF k
(
)
T
2 kT e
VF EC Ef
<ex> thermo - couple
ex) Pt - Pt - Ph (PR), Chromel - Alumel (CA)
[2] Peltier 효과
(발열)
(흡열)
-
+
2종의 금속 혹은 반도체를 접합하여 폐회로를 만들고
일정한 온도를 유지하면서 전류
Joule 열 이외의
열이 발생 or 흡수
좌측 : 금속에 있는 전자는 열energy를 얻고 (eVF)
반도체로 이동
흡열
우측 : 전자는 열energy를 방출하고 금속으로 이동
발열
열량 Q I
3
2
Peltier 계수 (
eVf kT
)
kT e
Seebeck 계수와 Peltier 계수 : = T : 켈빈관계
<응용> : 전자냉동
[3] Thomson 효과
: 동일한 금속에서 부분적인 온도차 (온도의 기울기)가 있을때
전류를 흘리면
발열 or 흡열
① 負(- ) Thomson 효과 : if 고온에서 저온부로 전류
흡열
ex) Pt, Ni, Fe
② 正(+) Thomson 효과 : if 고온에서 저온부로 전류
ex) Cu, Sb
발열
<6.3> 電子의 放出
[1] 일함수
일함수 : 전자 1개가 금속으로부터 이탈하는데 필요한 최소 energy
영상력 (Image force) :
전자를 잡아 두기 위한 힘 :
e2
e2
F
4 0(2 x)2 16 0 x2
①
전체의 일함수
EB 0 F ( x)dx
x
x
일함수
EW EB EF
②
③
[2] 熱電子放出 ( thermioniemission)
1883 Edison 발견
1902 Richardson & Dushman : mechanism 규명
일함수와 전자밀도 분포 :
E (eV)
0ºk
EW
EB
2500ºk
N(E)
EF
EB 보다 큰 energy
를 가진 전자는 금
속을 탈출
Richardson - Dushman 식
JS AT 2 exp(
EW
)
kT
[ Am 2 ]
4mek 2
6
2
2
A
2
10
[
Am
k
]
3
h
④
⑤
if 투과계수를 D (이론적으로 계산된 전자 모두가 방출되지 않음, 일부
금속내부로 반사)
JS DAT 2 exp(
열음극 재료의 조건 :
EW
)
kT
④´
일함수가 작을 것
융점이 높을 것
고온에서도 기계적 강도가 클것
ex) Th ~ W 음극 ( 토륨, 텅스텐 ) , 산화물 피복 음극 , 텅스텐 음극
< 열전자방출에 수반되는 현상 >
(1) Schottky 효과 :
if 전계를 가하면
energy 장벽이 낮아짐
실질적인 일함수가 작아짐
열전자방출이 증가
외부전계가 없는 경우
EW
EW
외부전계에 의한 potential energy
EW
Ef
합성 potential energy
eV
X에 대해 미분
e2
(4 0) x
x0
에서 V eE / 4 0
eE
4 0
EW EW
JS ' AT 2 exp [
]
kT
EW
④
1 eE
2 4 0
eEx
⑥
최대치
⑦
(2) 산사효과(散射效果 : shot effect)
열음극에서 튀어나오는 전자의 속도가 불균일 함으로 인한 열전자류 변동
진공관의 shot noise
(3) 플러커효과(Flicker effect)
음극의 물리적 화학적인 변화로 인한 열전자류 변동
Flicker noise
[3] 광전자방출(光電子放出 : Photo - electrion emission ) : 외부광전효과
전자방출
if E = h > EW
1 2
mv h EW
2
EW
h
c ch 12400 0
0
[ A]
0 EW
( EW e )
if 입계주파수 0
⑧
0
⑨
광전자방출의 특징
방출전자의 초속도의 최대값은 주파수에 비례 ( 빛의 세기에 무관 )
방출전자의 흐름은 빛의 세기에 비례
광전감도는 빛의 주파수에 따라 선택성
[4] 2차 전자방출 (2次 電子放出 : Secondary electron emission)
1次 電子 충돌
2차 전자방출비
2次 電子放出
(1/2mv2 > EW)
I2
I1
1차 전자 energy, 금속의 종류, 표면상태, 입사각에 따라
<응용> Image orthicon, 광전자 증배관
[5] 電界放出 (field - emission) or 냉음극방출 (cold cathod emission)
전계가 없을 때
EW
전계에 의한 potential
EW
Tunnel 효과
장벽의 폭 100 [Å]
if E = 109 [v/m]
J a E 2 exp (
b
)
E
온도에 무관 (R –D식의 kT 대신 E에 관계)
[a, b : 정수(일함수 포함)]
전자가 전위 장벽을 뛰어넘어서
밖으로 튀어나오는 것이 아님
<응용> 전계방출 현미경
[6] Luminescence
온도와 관계없는 모든 발광현상
( cf 온도에 의해 빛 방출
온도 방사 or 열방사 )
형광 (fluorescence) : 외부에너지 전달후 10-8초 이내 빛 소멸
인광 (phosporescence)
광 luminescence
음극선 luminescence
전장 luminescence
luminescence
* Stokes´ low : 발광 파장은 여기광의 파장보다 길다.