분야
hwp물체의 전자구조는 양자적인 특성이다. 전자구조에 따라 물체는 금속(도체), 반도체, 부도체로 나뉜다. 부도체 막을 사이에 둔 두 금속 사이의 전기전도 특성도 부도체 막의 두께가 매우 얇거나 가해 준 전위차가 크면 전기를 통한다. 이는 양자역학적인 꿰뚫기(터널링) 현상의 한 예이다. 이 양자역학적 꿰뚫기는 주사 터널링 현미경(scanning tunneling microscope, STM)라는 표면 상태의 원자 구조를 조사하는 실험 도구로 이용되기도 하지만, 더 흔하게는 떼었다 붙였다 할 수 있는 전기 여닫이(스위치)의 접점이나 전기 줄로 쓰이는 구리선을 이을 때 서로 꼬아서 전기를 통하게 하는데도 이용된다. 이 실험에서는 주변에서 사용되는 몇 가지 재료의 전기 흐름 특성을 조사하고, 이들의 전기전도 구조를 이해하도록 한다. 또, 전기저항을 측정하는 4 탐침 조사방법을 경험하고 양자역학적 꿰뚫기현상을 공부하도록 한다.
2. 배경 이론
먼저 도체(금속)의 전기전도 특성을 살펴본다. 여기서 말하는 도체(conductor)란 전기를 잘 통하는 물체를 가리키며, 도체의 대부분은 금속(metal) 물질이다. 금속이란 물질 내에 자유로이 움직일 수 있는 전자(자유전자)들이 있어서, 이들 때문에 내부에서는 정적인 전기마당(electrostatic field)이 0 이 되는 특성을 보인다. 즉, 내부에 알짜 전하(net charge)가 있게 되면, 그로 인한 전기마당에 의해 자유전자들이 재배치됨으로써, 전기마당을 상쇄시킨다. 따라서 금속 내 알짜 전하는 금속의 표면에만 있을 수 있다.
이제 어떻게 해서 금속 내에 자유전자들이 존재하는가 알아본다. 원자들간의 거리가 고체 물질에서와 같이 가까워지면(～ 3 Å), 각 원자에 속한 전자들 중 일부가 서로 겹치는 겹치기(overlap)가 일어난다. 가까이 있는 원자들 사이의 서로 작용은 졸들은 원자 상태(겹침 상태, degenerate state)를 갈라놓아, 안졸들은 상태(안겹침 상태, nondegenerate state)로 만든다. 또, 시공간을 공유하는 전자는 그 양자적인 특성에 크게 지배받는데, 전자와 같이 스핀이 반 정수인 알갱이들은 페르미온으로서 밀어내기 원리(exclusion principle)를 따른다. 즉, 둘 이상의 전자가 같은 상태를 동시에 가질 수 없다. 따라서 원자들끼리 겹치는 전자의 수가 많을 때 이들은 각각 다른 상태를 가져야 한다.
