[고체물리&재료과학] Hexagonal Structure (육방정계), Diamond Structure & Zinc Blende에 대하여 (GaN, GaAs와 반도체,디스플레이의 상관관계)

▶ 육방정계의 구조에 대하여

육방정계 Structure

육방정계에 대해서는 간단히 설명만 하겠습니다. 먼저 방향벡터들을 볼까요? a1과 a2는 같은 길이를 가지며, 두 사이의 각도는 120도를 가집니다.  a3역시 a1,a2와 같은 길이를 가지지만, 일반적으로 우리가 육방정계에 대해 설명할 때는 

a1벡터, a2벡터, c벡터를 가지고 다룹니다. 

 

c벡터의 길이는 a1,a2보다 대략 1.633배정도 깁니다. c벡터는 보시는 바와 같이 밑면에 수직한 '법선벡터'의 역할을 하고 있습니다. 

 

- 배위 수 : 12

- 육방정계의 구조를 가지고 있는 물질은?

전이금속 쪽에서 Sc, Y, Ti, Zr, Co가 대표적입니다. 또한 2족에 해당하는 금속인 베릴륨과 마그네슘도 여기에 해당합니다. 

 

- 육방정계의 축퇴구조는 ABABABA... 형태로 쌓입니다. 이게 무슨 말이냐하면 아래 그림을 보시면 됩니다.

ABA, ABC 최조밀 쌓임 그림

왼쪽부분이 육방정계가 쌓이는 구조 (ABA)입니다.  오른쪽은 FCC구조가 쌓이는 방식입니다. (ABC)

 

▶ Diamond Structure

Diamond Structure

다이아몬드 구조는 상당히 중요합니다. 이들을 숫자에 대한 개념으로 풀어보겠습니다. 먼저 밑면과 윗면에 박힌 Lattice point들은 0,1이라고 두겠습니다. 위에서 이를 바라봤을 땐, 밑면을 기준으로 합니다. 그렇다면 0,0,0,0,0 이라고 보면 되겠죠?

Diamond Structure 전개도

그 다음 z축방향으로 1/2만큼 움직인 것들. 1/4만큼 움직인 것들이 보입니다. 이걸 외우는 방법으로는 

일단 오른쪽 전개도를 볼 때, 각 꼭짓점과 중심점은 0으로 적어두도록 합니다. 그 다음, 꼭짓점 사이사이의 중점은 1/2가 됩니다. 이것만 기억하면 나머지 3/4와 1/4는 쉽게 외울 수 있게 될 것입니다. 

 

다이아몬드 구조의 Bonding은 Tetrahedral bonding이라고 하여, 2개의 FCC 구조가 결합된 형태라고 볼 수 있습니다. 

배위수는 12개고, 원자의 개수는 4개입니다. 

 

- 다이아몬드 구조의 원자충진율을 0.34로 복잡한 구조를 보이지만 생각보다 빈 공간이 많다는 의미가 되겠습니다.

- 다이아몬드 구조를 띠고 있는 물질은? Si, Ge, Sn, C, Zns, GaAs 로  반도체 물질들이 상당히 많이 보입니다.

여기서 우리가 눈여겨 봐야할 것은 ZnS와 GaAs입니다. GaAs는 현재 각광받는 반도체 물질이구요. ZnS는  테트라헤드럴 본딩에 속해있긴 하지만 Basis Atom이 조금 다른 관계로, 우리는 이를 'ZinC Blende' 구조라고 부릅니다. 

 

▶ ZinC Blende

- ZinC Blende는 독일어로 ZnS 구조를 의미합니다. FCC가 2개로 존재하는데 하나는 Zn, 다른 하나는 S로 있습니다. 

대부분의 반도체 물질은 이 구조와 많이 유사합니다. 특히 우리가 디스플레이를 배우는데 있어서 RGB컬러라는 것을 많이 들어봤을 겁니다. RGB컬러를 완벽하게 구현하는데 있어 각각의 빛을 내는 소자를 발견하는 것이 중요한데, 레드와 그린은 진작에 찾은 상태였습니다. 그러나 Blue컬러를 내는 소자만 찾는데 오래걸렸었는데 GaN(갈륨 나이트론)이 청색 빛을 내는 소자로 발견되어 노벨상을 수상하기도 했습니다.