강유전체

권숙일 , 김종진 , 장민수 , 노태원 , 윤종걸 지음

서울대학교출판문화원 2024년 07월 10일 출간 국내도서 : 2017년 04월 15일 출간

작품소개

책소개

『강유전체: 물성과 응용』에서는 강유전체 물질에 대한 기초적인 이론과 실험에서 출발하여 강유전체 박막 응용에 이르기까지, 강유전체와 관련된 전반적인 내용을 체계적으로 다루고 있다. 본서는 강유전체 연구를 시작하고자 하는 학생부터 현재 강유전체 분야에 종사하고 있는 연구자까지 도움이 될 것이다.

목차

책머리에 ㆍv
초판 책머리에 ㆍviii

<b>제1장 강유전체의 기초물성 </b>
1.1. 강유전체의 발견 ㆍ2
1.2. 강유전체의 특성 ㆍ7
1.3. 강유전체의 분류 ㆍ21

<b>제2장 강유전체의 상전이 이론</b>
2.1. Landau-Ginzburg 이론 ㆍ30
2.2. 1차와 2차 상전이 ㆍ35
2.3. 질서변수, 요동 ㆍ44
2.4. 무른 모드와 중앙 피크 ㆍ47
2.5. 임계지수 ㆍ57

<b>제3장 실험방법과 측정의 예</b>
3.1. 자발분극과 이력곡선 측정 ㆍ68
3.2. PFM을 이용한 구역구조 측정 ㆍ69
3.3. 분극반전 특성 측정 ㆍ75
3.4. 유전상수와 유전손실 측정 ㆍ82
3.5. 압전 특성 측정 ㆍ85
3.6. 비열 및 열전도 측정 ㆍ90
3.7. 광산란 및 적외선 분광 측정 ㆍ95
3.8. 탄성상수 측정 ㆍ101
3.9. 자기공명(EPR, NMR) 측정 ㆍ109
3.10. 투과전자현미경 측정 ㆍ117

<b>제4장 질서-무질서형 강유전체</b>
4.1. 열역학적 현상론 ㆍ132
4.2. Ising 스핀계 모형의 적용 ㆍ139
4.3. 다른 모형계 이론들 ㆍ142
4.4. 동역학적 양상 ㆍ146

<b>제5장 변위형 강유전체</b>
5.1. 열역학적 현상론 ㆍ156
5.2. 격자 동역학 ㆍ163
5.3. 상전이에 의한 무른 모드 ㆍ167
5.4. 대표적인 변위형 강유전체의 물성 ㆍ174

<b>제6장 특이 강유전체의 물성</b>
6.1. 엇맞는 강유전체 ㆍ184
6.2. 양자 상유전체 ㆍ190
6.3. KDP계의 혼합결정 ㆍ192
6.4. 릴랙서 강유전체 ㆍ198
6.5. 다강체의 특성과 응용 가능성 ㆍ205

<b>제7장 구역 동역학 및 구조</b>
7.1. 정적 구조 ㆍ232
7.2. 분극반전의 동역학 ㆍ238
7.3. 비선형 동역학 ㆍ245
7.4. 강탄성체의 구역구조 255

<b>제8장 나노 스케일에서의 새로운 강유전체 발현 현상</b>
8.1. 강유전체 박막의 임계 두께 ㆍ270
8.2. 강유전체 초박막에서의 양자 터널링 현상 ㆍ278
8.3. 강유전체 박막에서의 변전 효과 ㆍ285

<b>제9장 강유전체의 응용</b>
9.1. 압전성과 열전성 ㆍ296
9.2. 전기광학적 성질과 광변조 ㆍ308
9.3. 페롭스카이트형 화합물의 구조 및 물성 ㆍ316
9.4. 강유전체 박막의 응용 ㆍ324

찾아보기 ㆍ340

책 속으로

머리말 중에서

본서는 누구나가 쉽게 강유전체 연구에 착수할 수 있도록 실험과 이론을 기초부터 다루었으며, 이것을 실험측정 예를 통하여 각자가 직접 체험하면서 이 방면 연구의 실마리를 풀게 하였다. 또 간단한 실험기구뿐 아니라 정밀 분석용, 특히 최첨단 실험 장비까지 자세히 설명하여 심층 분석에 도움이 되도록 하였다. 그리고 세계적으로 연구 주제가 되고 있는 강유전체 박막의 제조와 물성 연구에 관한 최근 정보를 집중적으로 다루어 연구자들에게 큰 도움이 되도록 하였다. 이러한 취지에서 제1장에서는 강유전체를 발견한 역사를 살피고 강유전체 물성에 대해 정확히 정의함으로써 연구의 방향을 제시하였다. 제2장에서는 강유전체의 상전이에 따른 현상론적 이론에 기초한 Landau- Ginzburg 이론으로부터 시작하여 무른 모드(soft mode)와 임계현상에 대한 기초 이론을 구체적으로 쉽게 설명하였다. 제3장에서는 강유전체가 갖는 여러 가지 물리 특성을 측정하기 위한 실험방법을 예시하여 누구나 쉽게 측정에 접할 수 있도록 하였으며 박막분야의 실험방법을 심도 있게 다루었다. 특히 요사이 국내에 도입된 최첨단 실험기구에 의한 측정 방법까지 자세히 설명하였다. 제4장, 제5장에서는 강유전체의 대표적 유형인 질서-무질서형 강유전체와 변위형 강유전체에 대한 열역학적 현상론과 격자진동에 관한 정보를 통해 얻은 상전이 현상의 이해를 기반으로 그 유형이 갖는 물리적 특성을 자세히 제시하였다. 제6장에서는 특이(特異) 강유전체를 몇 가지 소개하였으며 제7장에서는 강유전체의 구역구조 및 박막에서의 구역 동역학에 대해 다루었다. 제8장에서는 나노 스케일에서의 새로운 강유전체에 관한 최신 정보와 연구 방향을 제시하였다. 끝으로 제9장에서는 강유전체의 광범위한 응용분야를 포괄적으로 다루어 강유전체가 소자 공학에 크게 이바지하는 데 좋은 정보를 제공하고 있다.

많은 물질은 특정 환경에서 한 상태 또는 상(phase)을 유지하다가 외부에서 가해 준 온도나 압력과 같은 외부변수가 변하면 다른 상으로 변화하는 현상을 보인다. 이러한 현상을 상전이라 한다. 상전이에는 물과 같이 액체상-고체상 사이의 상전이, 또는 기체상-액체상 사이의 상전이 이외에도 온도의 변화로 인하여 상유전상에서 강유전상으로 변하는 강유전체와 같이 고체상에서 다른 고체상으로의 상전이도 일어난다.(11쪽)

최근에는 정적 상태의 강유전 구역구조의 분석과 더불어, 투과전자현미경 시편에 전기장을 인가하여 강유전 구역의 동적 변화를 관찰하는 시도(in-situ electric biasing TEM)가 활발히 진행되고 있다. 이러한 동적 투과전자현미경 분석을 진행하기 위해서는 전기강 인가가 가능하도록 특별히 고안된 시편 스테이지를 활용하는 경우가 일반적이다. 또한 시편에 전기장 인가를 위해 시편 주위에 전기적 폐회로를 구성하는 것이 필요한데, 이를 위해 집속이온빔장치(Focused Ion Beam, FIB)를 활용하여 시편을 정밀 가공(Ga+ ion milling)하고 국소부위 전극층 증착(electrode layer deposition by gas injection system)을 수행하는 것이 일반적이다.(125쪽)

고체결정은 주위환경, 즉 온도, 압력, 전기장, 자기장 등에 의하여 미소한 구조변환을 가져오게 된다. 결정의 구조가 변할 때 상전이 점(phase transition point)을 전후로 한 상(phase) 사이에는 결정학적 대칭성에 관한 일정한 법칙이 성립하게 된다. 결정은 대체적으로 온도가 높아짐에 따라 대칭성이 높아질 뿐 아니라 엔트로피도 증가한다. 그리고 외부에서 가하는 정수압이나 변형력의 증가에 따라 결정의 대칭성이 증가 또는 감소하는 상전이도 일어난다. 구조가 다른 새로운 상이 출현하면 원래의 상이 가졌던 성질을 잃게 된다. 예를 들면 변형(strain), 탄성상수, 압전성, 유전상수, 새로운 격자진동 모드 등의 변화를 가져오게 된다.(156쪽)

출판사 서평

<b>강유전체 박막 제조기술이 급격히 발전되면서 강유전체 응용이 보다 광범위해지고 있다 </b>

최근 강유전체 물질이 메모리 소자, 트랜지스터, 에너지 변환 소자 등 산업 분야에서 광범위하게 사용되면서 강유전체 연구에 관한 관심이 국내외적으로 확산되고 있다. 이러한 강유전체 물질의 응용 가능성으로 인해, 물리학의 분야는 물론 전기·전자재료공학 및 무기·유기재료공학 등의 분야에서도 강유전체 물질 연구가 주목을 받고 있다. 특히 강유전체 박막 제조기술이 급격히 발전되면서 강유전체 응용이 보다 용이해졌으며 나노 스케일에서의 새로운 강유전체 발현 현상도 발견되어, 강유전체 물질의 과학적·산업적 연구 영역이 크게 넓어지고 있는 상황이다. 『강유전체: 물성과 응용』에서는 강유전체 물질에 대한 기초적인 이론과 실험에서 출발하여 강유전체 박막 응용에 이르기까지, 강유전체와 관련된 전반적인 내용을 체계적으로 다루고 있다. 본서는 강유전체 연구를 시작하고자 하는 학생부터 현재 강유전체 분야에 종사하고 있는 연구자까지 도움이 될 것이다.

<b>[책속으로 추가]</b>

초기의 연구는 강유전성과 강자성(혹은 반강자성)을 한 물질에 동시에 지니게 하는 데 집중하였지만, 원리적으로 자성과 강유전성은 보통 상호배타적이어서 한 물질에 공존하기에는 근본적인 어려움이 있다. 비록 전기 및 자기 쌍극자가 한 물질에 존재한다고 하여도 이 두 질서변수 사이에 강한 상호결합이 존재하기 어려운데, 이는 역시 미시적으로 강유전성과 자성이 나타나는 원리가 아주 다르고 서로 상호 간섭을 하지 않기 때문이다. 이러한 원리적 어려움에도 불구하고, 단일 물질에서 다강성이 나타나는 물리적 얼개와 이에 따른 신물질 탐색은 지난 10여 년 간 많은 이론적, 실험적 발전이 이루어져, 최근 상온에서 전기장으로 자화율을 조절하는 오랜 목표가 이루어지는 수준까지 발전하게 되었다.(205-206쪽)

강유전체의 광학적 성질을 응용한 것은 옛날부터 KDP, ADP 단결정의 전기광학 효과를 이용한 고속광 shutter를 들 수 있지만 광을 통신이나 화상, 또는 광계산기 등의 정보처리에 응용하고 있기 때문에 이 분야의 개발연구가 급속히 진전되었다. 이러한 연구가 진행됨에 따라 광변조 소자, 광편향 소자에는 전기광학 효과가 큰 강유전체의 중요성이 높아졌으며, 비선형 광학효과를 이용한 고주파 발생소자 또는 광증폭 소자의 개발이나 양자 일렉트로닉스에 이르기까지 실용적 연구가 요망되어 새로운 강유전체의 개발에 관심이 집중되었다.(310쪽)

작가정보

저자(글) 권숙일

저자 권숙일(權肅一)은
1958: 서울대학교 물리학과 졸
1960: 서울대학교 대학원 물리학과 졸(이학석사)
1965: 미국 유타대학교 대학원 물리학과 졸(이학박사)
1965-1966: 미국 시카고대학교 물리학과 연구원
1966-2000: 서울대학교 물리학과 교수
1985-2001: 국제강유전체회의 자문위원회 위원 및 의장
1995-1997: 한국 물리학회 회장
1994-현재: 한국과학기술한림원 회원 및 종신회원
1997-1998: 과학기술처 장관
2000-현재: 서울대학교 물리?천문학부 명예교수
2002-현재: 명지대학교 석좌교수
2002-현재: 대한민국학술원 회원
2014-현재: 대한민국학술원 회장
저서:『고체물리학』(역서, 이우출판사, 1987)
『강유전체입문』(저서, 서울대학교출판부, 2000)
?강유전성 혼합 결정 연구? 등 학술논문 150여 편

저자(글) 김종진

저자 김종진(金鍾鎭)은
1962: 서울대학교 물리학과 졸
1964: 서울대학교 대학원 물리학과 졸(이학석사)
1970: 미국 캘리포니아대학교(산타바바라) 대학원 물리학과 졸(이학박사)
1970-1973: 영국 스트래스클라이드대학교 광산란 연구실 연구원
1974-1998: 한국과학기술원 물리학과 교수
1996-현재: 한국과학기술한림원 회원 및 종신회원
1998-현재: 한국과학기술원 물리학과 석좌교수
저서: 『광산란 분광학』(대우총서-39, 민음사, 1986)
『강유전체입문』(저서, 서울대학교출판부, 2000)
?쌍극자 유리상에서 이완시간 분포함수? 등 학술논문 141편

저자(글) 장민수

저자 장민수(張敏守)는
1967: 경북대학교 물리교육과 졸
1972: 부산대학교 대학원 물리학과 졸(이학석사)
1982: 일본 도쿄대학 대학원 물리학과 졸(이학박사)
1977-2010: 부산대학교 물리학과 교수
2010-2012: 한국전자통신연구원 초빙연구원
1991-2000: 부산대학교 유전체 물성과학우수연구센터(SRC) 소장
2001-2002: 부산대학교 교무처장, 교육?연구처장
1995-2010: 아세아 강유전체학회 자문위원
2000-현재: 한국과학기술한림원 회원 및 종신회원
2010-현재: 부산대학교 물리학과 명예교수
저서: 『전자세라믹스』(역서, 한국경제신문사, 1994)
『유전체』(역서, 부산대학교 출판부, 1994)
『결정광학』(역서, 한국경제신문사, 1999)
『강유전체입문』(저서, 서울대학교출판부, 2000)
강유전체 및 강탄성체에 관한 학술논문 260여 편

저자(글) 노태원

저자 노태원(盧泰元)은
1982: 서울대학교 물리학과 졸
1986: 미국 오하이오 주립대학교 대학원 물리학과 졸(이학박사)
1986-1987: 미국 오하이오 주립대학 재료과학연구소 연구원
1987-89: 미국 코넬대학교 물리학과 연구원
1989-현재: 서울대학교 물리?천문학부 교수
2000-2010: 서울대학교 산화물전자공학연구단(창의연구단) 단장
2007-현재: 한국과학기술한림원 정회원
2009-현재: 미국물리학회 Fellow
2010-2012: 서울대학교 기능성계면연구단 단장(국가과학자)
2012-현재: 기초과학연구원(IBS) 강상관계물질연구단 단장
저서: 학술논문 360여 편

저자(글) 윤종걸

저자 윤종걸(尹鍾杰)은
1982: 서울대학교 물리학과 졸
1987: 서울대학교 대학원 물리학과 졸(이학박사)
1987-현재: 수원대학교 기초과학부(물리학) 및 전기전자공학부(전자재료공학) 교수
학술논문 130여 편