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セラミックス
第5回目
5月１４日（水）
担当教員：永山勝久
(3)共有結合 (最も強固な化学結合)
◎ 共有結合・・・１つの原子が所有する孤立電子 (不対電子) と，周囲の隣接原子
[定義]
が有する孤立電子との間で，スピンの向きを逆にして安定な電子
(半導体，
対を形成することによって生じる化学結合形成
非酸化物系
セラミックスの
隣接原子間で
結合様式)
＝ N
Si
Si
S ス
電子
ピ磁気
Si
Si
・窒化物
Si
＝ S ン双極子
N
・ホウ化物
Si
安定な電子対(＋，－のスピン
・炭化物
Si
の結合)
Si
Si
Si
Si4+ ： 4価
周囲に4個のSi原子
Si
Si
図4 Si結晶の共有結合
反平行スピン = (安定な電子対)
異極結合
安定
=
←電子雲どうしの結合
(a)
(b)
電子を共有する
安定結合 = 「共有結合」
電子雲どうし
同極結合不安定（反発）
の反発
図5 反平行(a)，平行(b)スピン間における2原子間の電子密度分布
平行スピン = (不安定電子対)
共有結合の特徴：特定の原子・原子間での強い結合力であるため、方向によって
結合力は異なる(・・・異方性が大きい結合力)
共有結合＞イオン結合，金属結合
[共有結合性結晶の特徴] ： ①融点が高い
②硬度が大きい
③高強度
④原子間結合に異方性があるため，特定面で割れる
⑤拡散係数が小さい (物質中の原子移動が困難)
[代表的な共有結合性物質] ・・・ Ⅳ族元素： C，Si，Ge，Sn
原子配列：ダイヤモンド構造 [ : 図6 参照 ]
・・・一つの原子の周囲に4つの原子が存在し，正四面体を形成
中心の原子と四面体頂点の各原子が互いに4個の外核電子を出し合って，かつ
スピンが逆向きの電子対を形成 = 『sp3混成軌道』 [ : 図7 参照 ]
配位数
図6 ダイヤモンド構造
sp
2
sp2
3
sp3
4
sp3d
5
sp3d2
6
sp3d3
7
図7 sp3混成軌道
(配異数と幾何学的な原子結合形状)
半導体物質 ← (共有結合性物質の代表)
◎半導体の推移
・最初のトランジスタ ; Ge (Ⅳ族元素) ： Ge4+
共有結合性結晶
・現在の半導体 ; Si (Ⅳ族元素) ： Si4+
・今後の半導体 ; GaAs，InP (化合物)
(Ⅲ‐Ⅴ族化合物)
Ga，In ・・・ 3族元素
As，P ・・・ 5族元素
平均の原子価： 4価 ⇒ Ge，Siと同様
=
GaAs，InP ・・・立方硫化亜鉛構造＜4面体構造を4つ有する＞
(四面体構造を構成要素にもつ，立方晶型結晶)
(InSb)
ダイヤモンド結晶に類似
共有結合性結晶
四面体構造が構成要素
“4配位構造”
図6 立方硫化亜鉛構造
( ：Ⅲ族原子位置，：Ⅴ族原子位置)
(・・・Ga，In)
(・・・As，P)
『ニューセラミックスの概要』
ニュ－セラミックス・・・金属，プラスチックスに次ぐ第３の工業素材
歴史的背景：伝統的セラミックスからニュ－セラミックスへの変革［：図１．１参照］
①伝統的セラミックス・・・『セラミックスの石器時代』
：石器（地球が作った天然のセラミックス）→土器（火の発見（～800万年前)に起因
して人間が人工的に作った最初のセラミックス）
→陶磁器（窯業製品、珪酸塩工業製品）
②ニュ－セラミックス（ファインセラミックス）・・・『ニュ－石器時代(現代社会)』
①と②の決定的相異点［：表１．１参照］
伝統的セラミックス・・・天然原料，ニュ－セラミックス・・・人工原料
↓
『ニュ－セラミックスの概念的定義』
：精製，精密に調整された化学組成かつ微細均一粒子からなる人工原料を
使って、高度に制御された成形法及び焼結法による焼成品
∥
新しい機能を有する材料（構造的特性，機能的特性）に発展
表1.1 ニュ－セラミックスとオールド
セラミックスの比較
石　器
原　料
熱処理
(焼成）
加　工
(製品化）
伝統的
ニュー
セラミックスセラミックス
天然
天然
人工
天然
人工
人工
天然
人工
人工
図1.1 伝統的セラミックスからニュ－セラミックスへの変革
『セラミックス』の学術的定義・・・『非金属無機固体材料』［：表１．２参照］
元素の分類：（１）金属性元素（ｅｘ．Ａｌ，Ｚｒ，Ｔｉ，Ｐｂなど）
（２）半金属性元素（ｅｘ．Ｂ，Ｃ，Ｓｉなど）
（３）非金属性元素（ｅｘ．Ｏ，Ｎ，Ｆ，Ｓ，Ｃｌなど）
非金属無機固体材料の定義(分類)
：①半金属性元素により構成される物質
（ｅｘ．ダイヤモンド，カ－ボン繊維,半導体Si,C60,ナノチューブなど）
②半金属性元素と金属元素及び
半金属元素と非金属性元素間の化合物
（ｅｘ．炭化ケイ素ＳｉＣ，窒化ケイ素Ｓｉ3Ｎ4,
窒化アルミAlN,炭化チタンTiCなど）
③金属性元素と非金属性元素間の化合物［：表１．３参照］
（ｅｘ．アルミナＡｌ2Ｏ3，ジルコニアＺｒＯ2,
シリカSiO2,チタニアTiO2など）
表１．２
金属，プラスチックス，セラミックスの比較
呼　称
金　属
材　料
原子間結合
金　属
金属結合
共有結合
非金属・
有
プラスチック
ファンデルワールス結
機物
合
イオン結合
非金属・
無
セラミックス
機物・
固体
共有結合
表１．３
金属とセラミックスの物性比較例
物性
材料
アルミニウム
Al
アルミナ
セラミックス
A l2O 3
金属
融点
[℃]
電気比抵抗
モース硬度
[Ωcm ]
660
2.8×10-8
3以下
2,030
1014以上
9
日本
ニュ－セラミックス
（新しいセラミックス）
ファインセラミックス
（微細緻密・精密なセラミックス）
アメリカ
ＨｉｇｈＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｅｒａｍｉｃｓ
（高い技術を有するセラミックス）
ＡｄｖａｎｃｅｄＣｅｒａｍｉｃｓ
（先端技術のセラミックス）
↓
高度な技術を取入れた先端素材・応用産業［：図１．２，表１．４参照］
∴ニュ－セラミックス製品
・・・知識集約的製品（高付加価値，省エネルギ－的製品）
［：図１．３参照］
図１．２我が国のニュ－セラミックス
の用途別市場規模
図１．３ニュ－セラミックスの応用製品例

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