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고체물리학·
응집물질물리학 ''' |
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결정 Crystal |
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1. 개요
結 晶 / Crystal원자, 이온, 분자 따위가 장거리 규칙성(Long-Range Order)을 갖고 배열된 물질을 이르는 말이다. 결정을 의미하는 영단어 크리스탈은 수정(Crystal)으로부터 유래한 용어이다. 주기적 배열에 의해서 퍼텐셜을 단순화시켜 근사할 수 있는데, 이를 통해서 결정질 고체의 특성을 탐구하는 학문이 고체 물리학이다.
수학적인 결정은 이러한 배열이 주기적으로 무한히 나타나야 하나, 현실적으로 그런 결정은 있을 수 없다. 통상적으로 결정이라 부르는 것은 단일 알갱이 (grain) 의 크기가 수백 nm - 수 um 이상의 크기를 가진다. 그보다 작은 크기의 결정은 나노결정 (nanocrystal) 으로 부르는데, 이 경우 물질의 주기성에 비해 물질과 진공 사이의 계면 (interface) 의 영향을 무시할 수 없어 보통의 물질 (bulk) 과는 특성이 크게 달라지게 된다.
다만 결정구조 그 자체는 물리적 특성과 무관한 하나의 기하학적 배열로 볼 수 있는데, 이에 대한 학문이 결정학이다.
반도체와 박막 연구에 있어서도 반드시 필요로 하는 학문이다.
2. 결정의 분류
결정이 가질 수 있는 230여 개의 공간군은 삼사정계(三斜晶系, Triclinic), 단사정계 (單斜晶系, Monoclinic), 사방정계 (斜方晶系, Orthorhombic), 정방정계 (正方晶系, Tetragonal), 육방정계 (六方晶系, Hexagonal), 등축정계 (等軸晶系, Cubic)의 crystal family로 분류할 수 있다.이러한 crystal family 중 육방정계는 분류 기준에 따라 서로 다른 하위 분류를 만들어낸다. 대칭성을 기준으로 분류하는 crystal system에서는 삼방정계 (三方晶系, Trigonal) 및 육방정계로 분류하는 반면, 결정의 격자상수 및 결정축 간의 각도로 분류하는 lattice system에서는 이를 마름모계 (마름모系, Rhombohedral) 및 육방정계로 나눌 수 있다. 자세한 기준은 아래 표 참고.
| Crystal Family | Crystal system | 조건 | Lattice system | 조건 |
| 삼사정계 | 삼사정계 | - | 삼사정계 | - |
| 단사정계 | 단사정계 |
1개의 mirror plane 또는 1개의 2-fold rotational symmetry |
단사정계 | [math(\alpha = \gamma = 90\degree)] |
| 사방정계 | 사방정계 |
3개의 2-fold rotational symmetry 또는 1개의 2-fold rotational symmetry + 2개의 mirror plane |
사방정계 | [math(\alpha = \beta = \gamma = 90\degree)] |
| 정방정계 | 정방정계 | 1개의 4-fold rotational symmetry | 정방정계 |
[math(a = b)] [math(\alpha = \beta = \gamma = 90\degree)] |
| 육방정계 | 삼방정계 | 1개의 3-fold rotational symmetry | 마름모계 |
[math(a = b = c)] [math(\alpha = \beta = \gamma)] |
| 육방정계 |
[math(a = b)] [math(\alpha = \beta = 90\degree, \gamma = 120\degree)] |
|||
| 육방정계 | 1개의 6-fold rotational symmetry | |||
| 등축정계 | 등축정계 | 3개의 4-fold symmetry | 등축정계 |
[math(a = b = c)] [math(\alpha = \beta = \gamma = 90\degree)] |
3. 결정 분석
결정 구조 분석은 기본적으로 XRD(X-Ray Diffractometer) 장비를 이용해 진행한다. 위 사진은 3차원 분석법으로 X선을 결정에 투과시켜 회절되는 빛을 디텍터로 감지하여 원자들이 어떤 패턴으로 쌓여 있는지 확인하는 방식이다. 약식으로 1차원 분석법도 있으며 이 경우 한가지 축에 대한 회절 Intensity만 확인 가능하지만 Rietveld Refinement를 통해 3차원 분석법과 유사한 결과를 얻을 수 있다.