物理システム工学科３年次物性工学概論第１回講義2005.4.12 火曜１限0035教室佐藤勝昭第１回物性工学入門 • この科目で何を学ぶか。 • 第１回に学ぶこと – 元素の周期表と分類 – さまざまな材料第２回に学ぶこと金属 [1]：金属とは何か • • • • • • 金属に分類される物質にどんなものがあるか。 Ia族 Li, K, Na, Rb, Cs, IIa族 Be, Mg, Sr, Ba Ib族 Cu, Ag, Au (貴金属), IIb族 Zn, Cd, Hg IIIb族 Al, Ga, In, Tl, IV族 Pb 半金属・半導体 IIIb: B, IV: C, Si, Ge, Sn, V: P, As, Sb, Bi, At 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 金属の特徴 • 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) • 機械的性質 – 弾性と塑性 – 塑性：展性と延性 – 金属結合との関係 • 電気的性質 – 良導体 – 導電率の温度変化 – 自由電子金属は叩くと変形する第３回に学ぶこと金属 [2]：金はなぜ金ぴかか • 金属は、一般に反射率が高く、独特の色を示す。 • 貴金属の和名は色から来ている。 silver copper gold こがね(黄金) しろがね(銀) あかがね(銅) 三原色色を感じる光を感じる金属の色３刺激値金銀銅の分光反射率 http://www.hk.airnet.ne.jp/shung/periodic_table_s.htm 第４回に学ぶこと半導体と光[1]：半導体の色半導体のバンドギャップと透過光の色 ZnS CdS 黄 Eg=2.6eV GaP 橙 Eg=2.2eV Eg=2eV HgS 赤 Eg=1.5eV GaAs 黒 800nm 300nm 4eV 白透過域 Eg=3.5eV 3.5eV 3eV 2.5eV 2eV 1.5eV 半導体のバンドギャップと絵の具の色 Color of some ban d- gap se mic on du c tors Mineral Pigment Band name name gap Substance C Diamond ZnO Zincite - Color 5.4 Colorless HgS Zinc white Cadmium Greenockite yellow Cadmium orange Cinnabar Vermillion HgS M etacinnabar - 1.6 Black Si - 1.1 Black PbS Galena CdS CdS1-xSex Mixed crystals of yellow cadmium sulfide CdS and black cadmium selenide CdSe, showing the intermediate-bandgap colors (eV) - http://webexhibits.org/causesofcolor/10.html 3 Colorless 2.6 Yellow 2.3 Orange 2 Red 0.4 Black 第5回ミニテスト：金属、半導体の光学的性質第6回に学ぶこと半導体と光[2]：光る半導体 LEDの原理 • • • • ｐｎ接合を順バイアス電子は、ｐ層に注入ホールはｎ層に注入界面付近で再結合ｐ型再結合 - + + + + ｎ型空間電荷層 E 第7回に学ぶこと光エレクトロニクス [1]:光電変換街灯の自動点灯 • 夕方になると街灯がひとりでに点灯しますが、光導電素子を使って固体リレーを働かせ、電灯をオンオフしています CdS光導電セルモリリカのHPより街灯自動点滅器(EEスイッチ）松下電工のHPより太陽光発電 • • • • 増え続けるエネルギー消費増加する民生部門の消費化石燃料に頼るエネルギー供給新エネルギー目標値：太陽光は2010年に500万kWh 光起電力の原理 • ｐｎ接合に光照射 • バンドギャップを超える光によって電子とホールが生成される • 空間電荷領域の拡散電位差によって、電子はｎ層に拡散、ホールはｐ層に拡散ｐ型 - + + + + ｎ型空間電荷層第8回に学ぶこと光エレクトロニクス [2]：光ファイバー通信 • 光ファイバー通信はどのように行われているか調べてみよう。光ファイバー • 長距離にわたって光が減衰せずにすすむ • 全反射を用いている。東工大影山研HPより www.mitsubishi-cable.co.jp/ kiden/photo/high_cab.jpg 光多重通信(WDM) •http://www.okioptical.com/html/docs/FiberOptics.html 第9回に学ぶこと光エレクトロニクス [3]：半導体レーザー • 光ファイバー通信の光源となるレーザーについて調べてみよう。 • LED構造において、劈開面を用いたキャビティ構造を用いるとともに、ダブルヘテロ構造により、光とキャリアを活性層に閉じ込め、反転分布を作る。 • DFB構造をとることで特定の波長のみを選択しているレーザー光の特徴 • 光波の発振器または増幅器 • 位相がそろっている可干渉(coherent)、指向性(directivity) 単色性(monochromatic) 高エネルギー密度(high density) 超短光パルス(ultra short pulse) • フォトンのボース凝縮状態：巨視的に現れた量子状態第10回に学ぶこと光エレクトロニクス [4]：光ディスク、光メモリ • さまざまな光メモリを調べよう。いろいろな光ディスク CD-ROM • • • • ポリカーボネート基板：n=1.55 λ=780nm → 基板中の波長λ’=503nm ピットの深さ:110nm ~ ¼波長反射光の位相差π：打ち消し http://www.infonet.co.jp/ueyama/ip/multimedia/cd.html CD-RW • 光相変化ディスク • 結晶とアモルファスの間の相変化を利用 http://www.cds21solutions.org/main/osj/j/cdrw/rw_phase.html CD-R • 有機色素を用いた光記録 • 光による熱で色素が分解 • 気体の圧力により加熱された基板が変形 • ピットとして働く第11回に学ぶこと光エレクトロニクス [5]：ディスプレイ • さまざまなディスプレイを調べよう。ＣＲＴの原理 • 電子銃からの電子ビームを１万V位の高電圧で加速、シャドウマスクを通して、蛍光スクリーンの蛍光体を励起 http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/pdp/3.htm 液晶ディスプレイ • • • • 液晶を光スイッチとして使用直交偏光板ではさんだ液晶内での偏光の伝搬電界印加により液晶分子の配向を制御ＴＦＴ(薄膜トランジスタで各画素のRGBを個別に選択制御)：アモルファスSiから多結晶Siへ • 利点：薄型、省電力、高精細度、ちらつきがない • 欠点：視角依存性、バックライト必要、大画面に問題プラズマディスプレイの構造 • PDPの仕組みは、RGB発色するように細工した小さな蛍光灯の集合体といえる。 • つまり、発光素子(小さな蛍光灯、正確には「放電セル」)が一つ一つのドットを構成するという仕組み(ドットマトリックス) になっている。 • そのため放電セルを増やしてつないでいけば、いくらでも大きなディスプレイがつくれる。 • 放電セルに詰め込まれているプラズマは自発光し、紫外線を出している。それが蛍光体にぶつかると可視光にかわり私たちの目に入ってくる。 http://www.nanoelectronics.jp/kaitai/pdp/3.htm 有機エレクトロルミネセンス • 有機物(高分子または低分子）の発光層に電子とホールを注入して、１重項励起状態に遷移させる。 • 電子輸送層とホール輸送層で挟んで、効率的にキャリアを注入 • 寿命に問題三洋電機のHPより光産業技術振興協会のHPより第12回に学ぶことスピンエレクトロニクス[１]：磁性入門 • 磁性体とは何か。調べておこう。残留磁化飽和磁化保磁力初磁化曲線初磁化状態マイナーループモーターと磁石 • 直流モーターは、永久磁石の回転子が、固定子という電磁石の中に置かれています。分割された電磁石に流される電流を順次切り替え、磁界の回転を生じ、回転子に運動を与えるのです。固定子のヨークにも磁性体が使われています。ヒステリシスと磁区残留磁化状態逆磁区の発生と成長第13回に学ぶことスピンエレクトロニクス[2]：磁気記録ハードディスクのトラック密度、面記録密度、線記録密度の変遷超常磁性限界 GMRヘッド MR ヘッド光磁気記録 (1)情報の記録 • レーザ光をレンズで集め磁性体を加熱 M • キュリー温度以上になると磁化を消失 • 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録 Tc 温度 Tc コイル外部磁界光磁気記録媒体光スポット光磁気記録 (2)ビットの安定性 • 補償温度(Tcomp)の利用 Hc • アモルファスTbFeCoは一種のフェリ磁性体なので補償温度Tcompが存在 • TcompでHc最大: – 記録磁区安定 Fe,Co Tb M Tb FeCo Mtotal Tcomp Tc T 室温光アイソレータ • 光アイソレータの原理を調べておこう。第14回期末テスト：光エレクトロニクス、スピンエレクトロニクスの材料元素の周期表材料の分類 • 材料の用途：構造材料と機能材料 • 化学的分類：無機材料(金属、非金属）、有機材料 • 電気的分類：超伝導体、金属、半導体、絶縁物 • 光学的分類：透明材料、複屈折材料、非線形光学材料、高反射率材料、蛍光材料 • 原子分子配列による分類：結晶、非晶質、準結晶、超格子、液晶