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 1MD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• 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• 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

• 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http://www.hk.airnet.ne.jp/shung/periodic_table

_s.htm

典型非金属典型金属

IA IIA IIIA IVA VA VIA VIIA VIII IB IIB IIIB IVB VB VIB VIIB 0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

11

H2

He

23

Li4

Be5

B6

C7

N8

O9

F10

Ne

311

Na12

Mg13

Al14

Si15

P16

S17

Cl18

Ar

419

K20

Ca21

Sc22

Ti23

V24

Cr25

Mn26

Fe27

Co28

Ni29

Cu30

Zn31

Ga32

Ge33

As34

Se35

Br36

Kr

537

Rb38

Sr39

Y40

Zr41

Nb42

Mo43

Tc44

Ru45

Rh46

Pd47

Ag48

Cd49

In50

Sn51

Sb52

Te53

I54

Xe

655

Cs56

Ba

57 ～71*

72

Hf73

Ta74

W75

Re76

Os77

Ir78

Pt79

Au80

Hg81

Tl82

Pb83

Bi84

Po85

At86

Rn

787

Fr88

Ra

89 ～103

**

104

Unq105

Unp106

Unh107

Uns108

Uno109

Une

遷移金属

*57

La58

Ce59

Pr60

Nd61

Pm62

Sm63

Eu64

Gd65

Tb66

Dy67

Ho68

Er69

Tm70

Yb71

Lu

**

89

Ac90

Th91

Pa92

U93

Np94

Pu95

Am96

Cm97

Bk98

Cf99

Es100

Fm101

Md102

No103

Lr

*ランタノイド元素

**アクチノイド元素

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

1s22s1 [Ne].3s1 [Ar].4s1

[Kr].5s1

2S1/2

[Xe].6s1

リチウム ナトリウム カリウム

ルビジウム セシウム

ＩＩ a属金属 (アルカリ土類 )

• WebElementsTM Periodic table （ http://www.webelements.com/）より

[He].2s2 1S0 [Ne].3s2 [Ar].4s2

[Kr].5s2 [Xe].6s2

[Rn].7s2

ベリリウム マグネシウム カルシウム

ストロンチウム バリウム

ラジウム

３ｄ遷移元素

• WebElementsTM Periodic table （ http://www.webelements.com/）より

[Ar].3d1.4s2 2D3/2

[Ar].3d2.4s2 3F2

[Ar].3d3.4s2 4F3/2

[Ar].3d5.4s1 7S3

[Ar].3d5.4s2 6S5/2

[Ar].3d6.4s2 5D4

[Ar].3d7.4s2 4F9/2

[Ar].3d8.4s2 3F4

[Ar].3d10.4s1 2S1/2

スカンジウム チタン バナジウム クロム マンガン

鉄 コバルト ニッケル 銅

貴金属

• WebElementsTM Periodic table （ http://www.webelements.com/）より

[Ar].3d10.4s1 [Kr].4d10.5s1

[Xe].4f14.5d10.6s1

2S1/2

銅 銀 金

IIb 属、 IIIb 属金属

• WebElementsTM Periodic table （ http://www.webelements.com/）より

亜鉛 カドミウム 水銀

[Ar].3d10.4s2 [Kr].4d10.5s2 [Xe].4f14.5d10.6s2

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 - 歪み曲線

http://www.nsbri.org/HumanPhysSpace/focus6/student2.html

応力

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

v

ne

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