物性工学概論第2回金属の話(1)

物性工学概論
第２回金属の話(1)
佐藤勝昭
講義計画
• 4/8 イントロ
• 4/15 改めてイントロ
金属の話
• 4/22 金はなぜ金ぴかか
金属の光学的性質
• 5/6 シリコンの金属光沢
半導体のバンド構造と光
• 5/13 青色LEDとレーザ
半導体の発光
• 5/20 太陽電池と光センサ
半導体の光起電力効果
• 5/27 ミニテスト
• 6/3 光が変えたＩＴの世界
光ファイバー通信
• 6/10 DVDはどこまで進むか
光ストレージの原理と将来
• 6/17 CRTからPDP・FEDへ
進化するディスプレイ
• 6/17 LCDと有機EL
有機エレクトロニクスの進展
• 6/24 磁性入門
HDDを支えるナノテクノロジー
• 7/1 光と磁気1
MDとMOそしてhybrid記録
• 7/8 光と磁気2
光通信と光アイソレータ
• 7/15 宝石の色
3d電子系の配位子場遷移
• 7/29 期末試験
• 講義内容は進行の状況により変更
される場合があります。
第１回の感想・要望など
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身近なところでたくさんの物理現象が存在していることに驚いた。金・銀・銅の色の見え
方（反射率など）が具体的でわかりやすかった。今後、光ファイバーや液晶、プラズマディ
スプレイなどについて詳しく説明して欲しい。(今野)
身近な技術が物理を使って理解できるので、今後の授業が楽しみだ。最近パソコンの通
信速度に悩んでいるので光ファイバー通信技術についてもっと知りたい。(山中)
内容が身近なものを扱っているので、興味のある話が多かった。面倒な計算や式なさそ
うなので、話に集中できそう。(松本)→A. 自由電子の運動と分極などで、少し式を使いま
す。我慢して聞いてください。
自分たちの普段使っているものの構造原理とか仕組みを学ぶ内容なので興味がわきま
す。(市村)
この科目は、これまでの科目より現実にどう使われるについて学ぶということなので、非
常に興味が持たれる。(村上)
直接的でわかりやすくて面白い授業を期待しています。(中島)
物性の講義は以前から受けてみたいと思っていたが、期待通り。内容はなかなか興味
のあるものでした。特に磁気ディスクの話に興味がありました。(小尻)
物性工学は僕らの身の回りの機器に関することが多いのでしっかり学びたいです。液晶
ディスプレイや光ファイバー通信、太陽電池などは興味深く学んでいきたいです。(柳澤)
とても興味を持ちました。ＨＤやＣＤ±Ｒ、ＤＶＤ±Ｒのことは前から知りたいと思っていた
ので楽しみです。(佐藤豊)
光関係は興味があるので楽しみです。(白橋)
感想つづき
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この科目に興味を持つことはできた。アナウンスはもっと早くして欲しい。(西浦)→A. ア
ナウンスが遅くなりすみません。
ＣＤ、ＤＶＤ±ＲＷの仕組みをもっと詳しく知りたい。
Q: 光ファイバーのデータ通信量は何によって決まっているのか。(平田)→A.半導体レー
ザをパルス信号で電気的に点滅させるときの応答速度や、ファイバー内での波形のひず
みなどで決まっています。
覧具先生が光ファイバー通信の(基本に関わる重要な)論文を出されているという話に驚
いた。液晶ディスプレイや実際に工業に活かされている技術を学ぶことは楽しみである。
(平木)
結晶よりアモルファスの方がよいという(場合がある)というのがとても面白かった。規則
正しく並んでいるものの方が性能が良いというイメージがあるが、「バラバラのものの方
が均一」というのが新しい感覚で興味深かった。(筒井)
農学部付近に１カ所だけ(授業で出たLED式の)新型の信号があってなぜだろうと思って
いたが、旧式の電球を換える団体とのかねあいがあるということを今日わかった。面白
そうな講義だと思った。(眞下)
今回の授業の中心になる一言は、「30分が、２時間の火曜サスペンスを録れるようにな
る。」ということだった。今ある技術でなんとかなるのだろうが、技術を使うのは人間であ
り、その人間がいかに便利であることを実感できるということの重要さを考えさせられた。
実用性について聞けたのはうれしい。(安藤)
先生の授業で取り上げるかどうかわかりませんが、カーボンナノチューブについて時間
があれば教えてください。特性とか物理との関わりとか。(須藤)→A. カーボンナノチュー
ブ(ＣＮＴ)は、ＦＥＤ(電界放出型ディスプレイ)の電極材料としても注目されているので、
ディスプレイの話の時に触れたいと思います。
感想・要望つづき
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内容は面白そうだけど難しそうである。(01256021)
難しそうな講義だと思いました。(坪内)
今日は難しくてよくわかりませんでした。これから頑張ります。(金田)
いきなり知らない単語が連発されるととまどう。興味をもつけれども、口頭だけで説明さ
れるとイメージしづらいです。比喩してくれたところはわかりやすかった。図とかを使ってく
れるとうれしいです。（佐藤俊）→A. 初回なので全体にどのようなことを講義するかを手
短に紹介しました。自由電子のプラズマ振動のところはわかりにくかったかもしれません。
各章のところでは図や式を使いながら説明します。
難しい言葉が１つや２つくらいなら「そんなものがあるのだな」と思って中途半端ながらも
理解できますが、５つ、６つ連続で来られると、脳が拒否するので、そのときは図を、２重
３重にして視覚的にわかるようにして欲しい。(宮本)→A. 熱心なキミがそう言うのならみ
んなにとっても難しいのだろうね。そんなときは、その場で、話を遮って質問してください。
エレクトロニクスIIと同じように、この授業でも毎回プリントを配るのですか。(井出)、エレ
クトロニクスの時と同じように先生のホームページにプリントは掲載されるのですか。(中
願寺)→A. なるべくプリントを配布します。同じ内容は、ネットにもはり付けます。でも、授
業に出てくださいね。
金属とはなにか
• 金属とは:
金属光沢を持ち、電気と熱をよく導き、固体状態
では展性・延性に富む物質 (岩波・理化学辞典)
元素周期表
遷移金属
典型金属
http://www.hk.airnet.ne.jp/shung/peri
odic_table_s.htm
IA
IIA
IIIA
IVA
VA
VIA
VIIA
1
2
3
4
5
6
7
VIII
8
9
10
典型非金属
IB
IIB
IIIB
IVB
VB
VIB
VIIB
0
11
12
13
14
15
16
17
18
1
1
2
H
He
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Li
Be
B
C
N
O
F
Ne
3
11
12
13
14
15
16
17
18
Na
Mg
Al
Si
P
S
Cl
Ar
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
K
Ca
Sc
Ti
V
Cr
Mn
Fe
Co
Ni
Cu
Zn
Ga
Ge
As
Se
Br
Kr
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
Rb
Sr
Y
Zr
Nb
Mo
Tc
Ru
Rh
Pd
Ag
Cd
In
Sn
Sb
Te
I
Xe
55
56
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
Cs
Ba
57～71
*
Hf
Ta
W
Re
Os
Ir
Pt
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
Po
At
Rn
87
88
Fr
Ra
4
5
6
7
89～
103
**
104
105
106
107
108
109
Unq
Unp
Unh
Uns
Uno
Une
*
ランタノイド元
素
**
アクチノイド元
素
*
*
*
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
La
Ce
Pr
Nd
Pm
Sm
Eu
Gd
Tb
Dy
Ho
Er
Tm
Yb
Lu
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
Ac
Th
Pa
U
Np
Pu
Am
Cm
Bk
Cf
Es
Fm
Md
No
Lr
さまざまな金属元素
•
•
•
•
•
•
•
Ia属(アルカリ金属) Li, K, Na, Rb, Cs,
IIa属(アルカリ土類金属) Be, Mg, Sr, Ba
Ib属(貴金属) Cu, Ag, Au
IIb属(亜鉛属) Zn, Cd, Hg
IIIb属 Al, Ga, In, Tl, IV属 Pb
半金属 IV: Sn, V: Sb, Bi
遷移金属
– 3d遷移金属：Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni
– 4d遷移金属:Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd
– 5d遷移金属:La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt
• 希土類:
– 4f:Ce,Pr,Nd,Pm,Sm,Eu,Gd,Tb,Dy,Ho,Er,Tm,Yb,Lu
– 5f:Th,Pa,U,Np,Pu,Am,Cm,Bk,Cf,Es,Fm,Md,No,Lr
電子のエネルギー準位1s2など
• 1s2というのは1s軌道に2個の電子が存在するこ
とを表す。s, p, d, f は軌道の型を表し、それぞれ
が方位量子数l=0, 1, 2, 3に対応する。
Ｉａ族(アルカリ金属)
• WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より
ナトリウム
リチウム
1s22s1
2S
1/2
ルビジウム
[Kr].5s1
カリウム
[Ne].3s1
セシウム
[Xe].6s1
[Ar].4s1
ＩＩa属金属(アルカリ土類)
ベリリウム
[He].2s2
1S
0
ストロンチウム
[Kr].5s2
•
マグネシウム
カルシウム
[Ne].3s2
[Ar].4s2
バリウム
ラジウム
[Xe].6s2
[Rn].7s2
WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より
３ｄ遷移元素
スカンジウム
[Ar].3d1.4s2
2D
3/2
鉄
チタン
マンガン
クロム
[Ar].3d5.4s1
7S
3
[Ar].3d2.4s2
3F
2
コバルト
[Ar].3d6.4s2
5D
4
バナジウム
[Ar].3d3.4s2 4F3/2
ニッケル
[Ar].3d7.4s2
4F
9/2
[Ar].3d8.4s2
3F
4
[Ar].3d5.4s2
6S
5/2
銅
[Ar].3d10.4s1
2S
1/2
• WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より
貴金属
銅
金
銀
[Ar].3d10.4s1
[Kr].4d10.5s1
2S
1/2
[Xe].4f14.5d10.6s1
• WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より
IIb属、IIIb属金属
亜鉛
[Ar].3d10.4s2
カドミウム
[Kr].4d10.5s2
水銀
[Xe].4f14.5d10.6s2
• WebElementsTM Periodic table （http://www.webelements.com/）より
金属の機械的性質
• 金属は、弾性限界を超えた応力に対し永久歪みをともなっ
て変形する。このような変形を塑性(plasticity)という。
• 弾性変形と塑性変形の境界点を降伏点という。
• 塑性には展性 (malleability) と延性(ductility)がある。
– 展性：弾性限界を超えた応力によって物体が破壊されず箔に広
げられる性質。
– 延性：弾性限界を超えた応力によって物体が破壊されず引き延
ばされる性質。硬度の高いものほど延性が小さい。
• 脆性破壊(brittle fracture)：塑性変形を伴わず、割れの急
速な進展によって破壊することである。劈開など。
• 疲労破壊(fatigue)：繰り返し応力が加わって破壊がおきる
現象。軟らかい（硬度の低い）金属は疲労破壊を生じない。
応力
応力-歪み曲線
http://www.nsbri.org/HumanPhysSpace/focus6/student2.html
金属結合
• 金属においては、原子同士が接近していて、外殻のs電子は互い
に重なり合い、各軌道は２個の電子しか収容できないので膨大な
数の分子軌道を形成する。
• 電子は、それらの分子軌道を自由に行き来し、もとの電子軌道か
ら離れて結晶全体に広がる。これを非局在化するという。
• 正の原子核と負の非局在電子の間には強い引力が働き、金属の
凝集が起きる。
• この状態を指して、電子
の海に正の原子核が浮
かんでいると表現される。
http://www.chemguide.co.uk/atoms/bonding/metallic.html
遷移金属はなぜ硬い
• 金属結合は、原子の外殻電子のうちs,p電子が結
晶全体に広がることによって全エネルギーが低下
することが原因ですが、このことが通常金属(Na,
Mg, Alなど)や貴金属(Cu, Ag, Au)の柔らかさをも
たらします。一方、 Fe, Tiなど遷移金属の結合に
はd電子が寄与しています。遷移金属では、原子
あたりの電子数が多く、電子の海に供給する電子
数が多いことが結合の強さをもたらし、高い融点
と硬さをもたらしています。
高い電気伝導率
• 電気伝導率(導電率) の式
=neを導こう
• 電流密度J=単位時間に単位面
積を流れる電荷の総量=nev
• 速度v =移動度 ×電界E
• 従って、J=ne E  E
これより =ne
• 金属の導電率の高さ→キャリア
数nによる
ne
v
高い熱伝導率
• 熱伝導＝格子熱伝導＋電子熱伝導
• 電子数が多い→電子熱伝導が大きい
Wiedeman-Franzの法則
• /=LT
=熱伝導率、 =電気伝導率
L=ローレンツ数、T=絶対温度
• [注] 逆は真ならず。熱伝導がよいからといって電
気伝導率が高いとは限らない。
例）ダイヤモンド
次週の予告と予習のポイント
• 次週の予告＝金はなぜ金ぴかか：金属の色
• 様々な光の色を３原色(赤、緑、青)で表すことが
できるのはなぜか。
• 金属に外部から高周波電界の加わったとき、自
由電子の運動方程式を立てよ。
• 誘電率の実数部が負の値をとると、高い反射率と
なることを確かめよう。
参考書：機能材料のための量子工学第４章

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