원자 결함과 Kirkendall 효과

결정성 고체와 원자 결함

고체 상태 물리학이 탄생한 것은 막스 폰 라우에 (Max von Laue) (1879–1960)가 결정에서 X선의 회절을 감지한 때입니다. 라우에의 실험은 일반적으로 고체 물질이 원자의 3차원 주기적으로 배열하고 있다는 것을 입증했습니다. 그의 발견은 1912년에 프리드리히와 니핑과 함께 발표되었으며, 이 결과로 1914년 노벨 물리학상을 받았습니다. 하지만, 라우에의 이상적인 결정 (crystal) 상태는 '죽은' 상태의 결정입니다. 고체 상태의 확산과 많은 다른 특성은 이러한 이상적인 상태에서 벗어나는 것이 필요합니다. 러시아 물리학자 야코프 일리치 프렌켈 (Yakov Il'ich Frenkel) (1894–1952)은 고체 상태 물리학 분야에서 무질서의 개념을 처음 소개한 사람이었습니다. 그는 열적 흥분이 원자를 정규 격자 위치에서 격자 상의 빈자리 (lattice vacancy)를 남기고 간섭 위치로 이동시키는 열운동을 유발한다고 제안했습니다. 이러한 유형의 무질서(disorder)는 현재 프렌켈 무질서라고 불리며 격자 공공 (lattice vacancy)와 호스트 결정의 침입 위치(interstitial site)에 있는 격자 원자 (lattice atom)의 쌍으로 구성됩니다. 몇 년 후에 Wagner와 Schottky는 무질서의 개념을 일반화하고 이원계 화합물에서 무질서를 다루었습니다. 오늘날에는 결정체에서 확산을 일으키는데에는 원자 결함이 필요하다는 것이 일반적인 지식이 되었습니다. 독일 물리학자 발터 쇼트키 (Walter Schottky) (1886–1976)는 독일의 로스트크와 뷔르츠부르크 대학에서 가르치고 지멘스의 연구소에서 일했습니다. 그는 통신 기술의 발전에 강한 영향을 미쳤습니다. 쇼트키의 많은 업적 중 하나는 반도체 기술을 혁신적으로 바꾼 금속-반도체 접촉의 정류 행동에 대한 이론을 개발한 것이었습니다.

 

Kirkendall 효과

고체 상태 확산의 또 다른 중요한 기초는 Ernest Kirkendall (1914–2005)의 연구에서 나왔습니다. 1940년대에는 여전히 금속에서의 원자 확산이 직접적인 원자 교환이나 고리 메커니즘을 통해 이루어진다는 믿음이 있었습니다. 이것은 2가지 구성 원소 간의 상호 확산이 일어나는 경우, 2개의 구성 요소가 동일한 자기 확산 계수를 가져야 한다는 것을 의미합니다. Kirkendall은 황동과 구리 사이에서 상호확산 실험을 통해 구리와 아연의 확산 속도가 서로 다르다는 것을 관찰했습니다. 두 상이 다른 상태 사이의 경계면이 움직인다는 것은 Zn이 황동에서 Cu의 확산 속도와 다르다는 것을 의미합니다. 이러한 현상을 현재 Kirkendall 효과라고 부릅니다. Kirkendall의 발견은 과학계가 그것을 이해하는 데 약 10년 정도 걸렸지만, 현재는 금속과 합금에서의 확산의 vacancy 메커니즘에 대한 증거로 인식되고 있습니다.

 

참고문헌

Helmut Mehrer, Diffusion in solids

Diffusion in Solids: Fundamentals, Methods, Materials, Diffusion-Controlled Processes | SpringerLink