物理システム工学科３年次 物性工学概論 第１回講義2003.4.13 火曜１限0023教室 大学院ナノ未来科学研究拠点 量子機能工学分野 佐藤勝昭 第１回 2003.4.13 Introduction ► 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 2003.4.20に学ぶこと 第２章 金属 [1]; 2.1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 2003.4.27に学ぶこと 第２章 金属 [2]; 2.2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) ３原色 色を感じる 光を感じる XYZ等色曲線と金属の色 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 2003.5.11に学ぶこと 第３章 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 2003.5.25に学ぶこと 第３章 半導体と光[2] 光る半導体 LEDの原理 ► ｐｎ接合を順バイアス ｐ型 ► 電子は、ｐ層に注入 ► ホールはｎ層に注入 再結合 - + + + + ｎ型 空間電荷層 ► 界面付近で再結合 E 第6回 2003.6.1に学ぶこと 第4章 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７回 2003.6. 08 ミニテスト： 金属、半導体の光学的性質 第8回 2003.6.15に学ぶこと 第４章 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 2003.6.22に学ぶこと 第４章 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 ► 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 なるレーザーについて調べ てみよう。 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 2003.6.29に学ぶこと 第４章 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 2003.7.6に学ぶこと 第４章 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 2003.7.13に学ぶこと 第5章 スピンエレクトロニクス[１]：5.0 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 2003.7.20に学ぶこと 第5章 スピンエレクトロニクス[2]：5.1 磁気記録,MRAM 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 第14回 2003.7.27(補講)で学ぶこと 第5章 スピンエレクトロニクス[3]：5.3 磁気光学効果 ► ファラデー効果の原理を調 べておこう。 ファラデー回転 偏光子 試料 青色LED 差動検出器 磁界 電源 電源 楕円偏光 孔あき電磁石 テスター A 図２ 直線偏光 V ファラデー効果の測定系配置 図8. ファラデー効果 光磁気媒体 ► MOディスクの構造 ポリカーボネート基板 窒化珪素保護膜・ （MOエンハンス メント膜を兼ねる） Al反射層 groove land 樹脂 MO記録膜 (アモルファスTbFeCo) 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 Tc ► 冷却時にコイルからの磁界を受けて記録 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15回 2003.8.3 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
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